Race Car Aerodynamic Design and Optimization via CFD and the Discrete Adjoint Method
Authors
Lund, Lasse Mose ; Rasmussen, Christian Bach
Term
4. term
Education
Publication year
2018
Submitted on
2018-06-07
Pages
89
Abstract
Dette speciale undersøger, om en aerodynamisk bodykit til den serie-hybride elektriske racebil DIS1 kan udvikles til at opfylde ambitiøse mål om -1200 kgf downforce ved 280 km/t, samtidig med at modstanden holdes så lav, at 280 bhp er tilstrækkeligt. En indledende litteraturgennemgang satte designmålene i kontekst, hvorefter karrosseriet blev udformet og evalueret med CFD i Ansys Fluent v19.0 (Realizable k-ε, tetraedermesh ca. 6,9 mio. celler). To foreløbige designiterationer—bl.a. ændret størrelse på frontvinge, tilføjelse af bagvinge og justering af diffuser—gav en forbedring i downforce på ca. 173,98 kgf og reducerede modstanden svarende til ca. 23,13 bhp ved 280 km/t. Efterfølgende blev fluid topologioptimering med den diskrete adjointmetode og automatisk geometri-morfning anvendt på selve karrosseriet (vinger udeladt), hvilket yderligere øgede downforce med ca. 67,84 kgf og sænkede modstand svarende til ca. 44,07 bhp. På trods af disse forbedringer genererer det endelige design en positivt nettoløft på 162,69 kgf ved 280 km/t og opfylder dermed ikke downforcemålet, men modstanden kan overvindes med 120,48 bhp—væsentligt under kravet. Arbejdet peger på, at færre begrænsninger fra det eksisterende chassis samt multi-observations (fx samtidig lift/drag) adjointoptimering kan frigøre yderligere potentiale, mens begrænsede beregningsressourcer og meshopløsning betyder, at resultaterne bør betragtes som vejledende. Studiet demonstrerer dog, at kombinationen af CFD og den diskrete adjointmetode effektivt kan accelerere og informere de sene faser af aerodynamisk design.
This thesis investigates whether an aerodynamic bodykit for the serial-hybrid electric DIS1 race car can be developed to meet ambitious targets of -1200 kgf downforce at 280 km/h while keeping drag low enough for 280 bhp. After a literature review to frame design priorities, the bodywork was designed and evaluated using CFD in Ansys Fluent v19.0 (Realizable k-ε model, ~6.9 million-cell tetrahedral mesh). Two preliminary design iterations—resizing the front wing, adding a rear wing, and adjusting the diffuser—yielded an increase in downforce of about 173.98 kgf and reduced drag by the equivalent of roughly 23.13 bhp at 280 km/h. Fluid topology optimization using the discrete adjoint method with automatic geometry morphing was then applied to the bodywork (wings excluded), adding a further ~67.84 kgf of downforce and cutting drag by ~44.07 bhp. Despite these gains, the final design still produces a net positive lift of 162.69 kgf at 280 km/h and does not reach the downforce target, although the drag requirement is comfortably met at 120.48 bhp. The study highlights that fewer constraints from the existing chassis and multi-observable (e.g., simultaneous lift/drag) adjoint optimization could unlock additional performance, while limited computational resources and mesh resolution mean the reported values should be viewed as estimates. Overall, the results demonstrate that combining CFD with the discrete adjoint method can effectively accelerate and inform late-stage aerodynamic design.
[This summary has been generated with the help of AI directly from the project (PDF)]
Keywords
Documents