Punkt wyjścia: seryjne nadwozie jako baza do projektu

W Restomotive nie zaczynamy projektowania od rysunku „ładnego” elementu. Zaczynamy od danych.

W pierwszym etapie przygotowany został model geometryczny Forda Mustanga GT 5.0 S550 w konfiguracji seryjnej. Następnie przeprowadzono analizę CFD, czyli numeryczną analizę przepływu powietrza wokół nadwozia. Celem było określenie bazowych parametrów aerodynamicznych auta, zanim do projektu trafią dodatkowe elementy, takie jak przednie canardy czy tylne skrzydło.

Analizie poddano między innymi:

• rozkład ciśnienia na powierzchni nadwozia,
• strukturę przepływu powietrza wokół pojazdu,
• siłę docisku,
• opór aerodynamiczny,
• zachowanie strugi powietrza za pojazdem.

To ważne, bo aerodynamika nie polega tylko na „dociśnięciu auta do asfaltu”. Każdy element wpływa na układ jako całość. Jeśli z przodu wygenerujemy zmianę przepływu, konsekwencje pojawią się również po bokach auta i w tylnej części nadwozia. Dlatego seryjna konfiguracja jest dla nas punktem odniesienia – baseline’em, bez którego nie da się uczciwie ocenić efektu kolejnych modyfikacji.

Lift, czyli problem seryjnych aut

W przypadku samochodu drogowego aerodynamiczna siła pionowa często nie jest tematem numer jeden. Przy normalnych prędkościach większe znaczenie mają komfort, hałas, zużycie paliwa i stabilność w codziennej jeździe. Sytuacja zmienia się na torze albo podczas szybkiej jazdy, gdzie prędkość zaczyna brutalnie wzmacniać wszystkie zjawiska przepływowe.

W seryjnej konfiguracji Mustang S550 generuje dodatnią siłę nośną, czyli lift. Mówiąc prościej: przy wzroście prędkości nadwozie nie jest dociskane do nawierzchni, tylko aerodynamicznie odciążane.

Wyniki dla seryjnego Mustanga S550 pokazują wyraźny wzrost liftu wraz z prędkością:

Najważniejszy punkt odniesienia to okolice 200 km/h. W tej prędkości seryjny Mustang S550 generuje około 150 kg liftu. Nie oznacza to, że auto nagle „odrywa się od drogi”. To byłoby zbyt duże uproszczenie. Oznacza to natomiast, że aerodynamicznie zmniejsza się efektywne obciążenie kół, a to może wpływać na stabilność, reakcję auta i pewność prowadzenia przy wysokich prędkościach.

W samochodzie torowym każdy kilogram kontaktu opony z nawierzchnią ma znaczenie. Szczególnie wtedy, gdy kierowca hamuje z dużej prędkości, zmienia kierunek jazdy albo próbuje utrzymać stabilność auta w szybkim łuku.

Co pokazuje mapa prędkości przepływu?

Na bocznym przekroju przepływu widać kilka charakterystycznych zjawisk.

Pierwszym z nich jest przyspieszenie powietrza nad maską, przednią szybą i dachem – co generuje lift. To naturalny efekt wynikający z kształtu nadwozia. Powietrze musi „przejść” nad samochodem, a geometria fastbacka prowadzi strugę w stronę tylnej części auta.

Drugim zjawiskiem jest obszar zaburzonego przepływu za samochodem. Za tylną częścią nadwozia tworzy się wyraźna strefa śladu aerodynamicznego, czyli miejsce, w którym przepływ traci uporządkowany charakter. Dla auta drogowego to normalne, ale dla auta rozwijanego w kierunku track-day / time attack jest to obszar, który warto dokładnie przeanalizować.

Trzecim elementem jest dolna strefa przepływu. Widać, że powietrze przemieszczające się pod autem i wokół jego boków również bierze udział w budowaniu całego bilansu aerodynamicznego. Dlatego projektowanie aero nie może ograniczać się do prostego założenia: „dodajmy skrzydło, będzie docisk”. Najpierw trzeba sprawdzić, gdzie powietrze rzeczywiście płynie, gdzie traci energię i które strefy nadwozia są najbardziej problematyczne.

Fastback: forma, która wygląda świetnie, ale wymaga kontroli

Mustang S550 ma nadwozie, które wizualnie jest jednym z jego największych atutów. Problem polega na tym, że sylwetka fastback przy wysokich prędkościach ma swoją cenę aerodynamiczną.

W rejonie tylnej szyby i pokrywy bagażnika przepływ może tracić przyleganie do powierzchni nadwozia. W praktyce oznacza to powstawanie obszaru niższego ciśnienia i mniej stabilnej strugi za pojazdem. To właśnie tylna część auta staje się jednym z kluczowych obszarów, które trzeba zrozumieć przed projektowaniem skrzydła.

Nie chodzi o to, żeby „walczyć” z fabrycznym kształtem Mustanga. Chodzi o to, żeby zrozumieć jego charakter i zaprojektować elementy, które będą pracować z realnym przepływem powietrza, a nie tylko dobrze wyglądać na renderze.

Ciśnienie na nadwoziu: gdzie zaczyna się problem?

Mapa ciśnienia pokazuje, że aerodynamika Mustanga nie jest jednowymiarowa. Z przodu pojazdu widoczne są strefy podwyższonego ciśnienia, szczególnie w obszarze przedniego pasa. To miejsce, w którym nadwozie „rozbija” strugę powietrza.

Dalej przepływ przechodzi przez maskę, szybę i dach, zmieniając lokalne ciśnienie oraz prędkość. W tylnej części nadwozia zaczynają się zjawiska szczególnie istotne dla stabilności: separacja strugi, zaburzenie przepływu i obszar niskiego ciśnienia za samochodem.

To właśnie dlatego aerodynamika w aucie takim jak Mustang S550 powinna być projektowana jako system. Przód i tył nie są osobnymi światami. To, co dzieje się na narożnikach przedniego zderzaka, wpływa na przepływ wzdłuż boków. To, co dzieje się nad dachem, wpływa na to, jak będzie pracować tylne skrzydło. A to, co dzieje się za autem, wpływa na opór, stabilność i odczucia kierowcy przy wysokich prędkościach.

Drag: koszt poruszania się przez powietrze

Drugim ważnym parametrem jest drag, czyli opór aerodynamiczny:

W projektowaniu aero zawsze pojawia się kompromis. Element, który ogranicza lift albo generuje docisk, może jednocześnie zwiększać opór. Sam docisk nie jest więc jedynym celem. Celem jest uzyskanie sensownego balansu między stabilnością, przyczepnością i oporem.

Dlatego w kolejnych etapach nie będziemy patrzeć wyłącznie na to, „ile docisku” generuje dany element. Będziemy analizować, jak zmienia on cały przepływ wokół samochodu i czy jego praca ma sens w kontekście całego pakietu.

Co wynika z analizy seryjnego Mustanga S550?

Konfiguracja seryjna pokazuje trzy kluczowe rzeczy.

Po pierwsze, Mustang S550 generuje zauważalny lift przy wysokich prędkościach. Przy około 200 km/h wartość ta zbliża się do 150 kg, co jest już parametrem istotnym z punktu widzenia auta rozwijanego w kierunku jazdy torowej.

Po drugie, tylna część nadwozia typu fastback jest jednym z najważniejszych obszarów aerodynamicznych. Przepływ za tylną szybą i w rejonie pokrywy bagażnika wymaga kontroli, jeżeli chcemy poprawić stabilność auta przy dużych prędkościach.

Po trzecie, dodatkowe elementy aerodynamiczne nie mogą być projektowane w oderwaniu od bazowego przepływu. Canardy, splitter, tylne skrzydło czy elementy podwozia powinny odpowiadać na realny problem widoczny w analizie, a nie być tylko stylistycznym dodatkiem.

Co dalej?

Ten wpis jest punktem startowym.

W kolejnej części pokażemy, jak na przepływ wokół Mustanga S550 wpływają przednie canardy. Sprawdzimy, czy ich rola ogranicza się tylko do agresywnego wyglądu, czy rzeczywiście mogą uporządkować przepływ w przedniej części pojazdu i ograniczyć tendencję auta do generowania liftu.

Dopiero później przejdziemy do tylnego skrzydła, a na końcu pokażemy pełną konfigurację – canardy i skrzydło pracujące jako jeden układ aerodynamiczny.

Bo w Restomotive aerodynamika nie zaczyna się od spoilera.

Zaczyna się od danych.