Nu 2022 teneinde loopt, selecteert FORMULE 1 Magazine de beste verhalen van het jaar, gratis en voor niets te lezen op Formule1.nl tijdens de aankomende feestdagen. Dit verhaal komt uit nr. 11, uit juli.
Klik hier voor de andere verhalen uit de Best of ’22-serie
Het gaat in de Formule 1 vaak over windtunnels, maar wat is een windtunnel precies? En waarom zijn windtunnels zo belangrijk, en hoe komt het dat je iets als porpoising er niet in nabootsen? FORMULE 1 Magazine’s techniekexpert Rob van den Heijkant vertelt je alles wat je over windtunnels moet weten.
Door Rob van den Heijkant
Een windtunnel is, eigenlijk, precies wat de naam zegt: een afgesloten luchtkanaal dat vaak rechthoekig is en waarin aan de ene kant een soort enorme ventilator of windmolen staat die lucht naar de andere kant blaast, een aan de andere kant een zogenaamde testsectie waar een schaalmodel van je auto staat.
Die fan, zoals dat in het Engels heet, blaast continu lucht van de ene naar de andere kant, want achter het model van je auto wordt de lucht weer ‘opgevangen’ en buiten het luchtkanaal om teruggeleid naar het begin. Zo gaat de lucht circulair rond en creëer je een constante en controleerbare testsituatie. Voor een windtunnel is dat ook het belangrijkste: dat je in constante en gereguleerde omstandigheden kan testen qua temperatuur en wat de luchtkwaliteit betreft, terwijl je de snelheid natuurlijk zelf kan instellen. Dat is ook het grote voordeel van een windtunnel ten opzichte van testen op het circuit – al mag dat laatste tegenwoordig niet zoveel meer.
Het model dat je in de windtunnel hebt staan, bestaat meestal uit een metalen frame waarin allemaal sensoren, scanapparatuur en elektronica zit om van alles te meten. De buitenkant, het ‘bodywork’, kan net als bij een echte Formule 1-auto uit koolstofvezel bestaan, maar vaak zijn het allemaal 3D-geprinte onderdelen die zijn gemaakt, bijvoorbeeld uit iets dat je bluestone noemt, een soort makkelijk te printen kunststof. De voor- en achtervleugel zijn doorgaans overigens wel van metaal, want die worden aan de grootste krachten blootgesteld.
Al met al is het een soort bouwmodel van honderd tot tweehonderd stukjes, maar wel peperduur: zo’n model kost tonnen, richting een half miljoen. Aangezien je natuurlijk niet wil dat dit model wegwaait, wordt het op zijn plaats gehouden door wat we een ‘staak’ noemen: een stang met vleugelprofiel die uit het plafond komt.
Testen met een model op ware grootte is verboden, dus in de moderne Formule 1 wordt doorgaans met een model van vijftig of zestig procent getest. Dat klinkt dan misschien alsof het weinig verschil maakt, maar een model op een schaal van vijftig procent is zomaar de helft goedkoper dan eentje van zestig procent. Je krijgt echter wel waarvoor je betaalt, want bij een kleiner model zijn alle kleine aerodynamische details – al die flipflapjes en opstaande randjes – een stuk kleiner en kunnen ze toch nét anders op de luchtstroom reageren, terwijl het op een kleinere schaal ook echt priegelwerk is om dat dan allemaal te maken. Dat is soms echt bijna niet te doen.
(tekst loopt door onder de foto)
Candid camera
Je gaat de windtunnel vaak in als ‘tweede simulatiestap’ als je een nieuwe auto of nieuw onderdeel ontwikkelt. Je begint dat ontwikkelproces, nadat je je tekeningen en dergelijke hebt gemaakt, vandaag de dag immers in de virtuele wereld van CFD, computersimulaties aan de hand waarvan je luchtstromen kunt nabootsen. Zie je daar: ‘hé, het ontwerp van deze auto ziet er veelbelovend uit, of deze voorvleugel levert mogelijk winst op’, dan ga ja de windtunnel in.
Dat je daar niet gelijk mee begint, heeft twee redenen. In de eerste plaats is testen in de windtunnel duur – door de eerder genoemde kosten voor het maken van een model én door het runnen van de tunnel zelf, maar ook operationeel. Toen ik vroeger bij Toyota werkte, gaven we in een goede week zomaar een miljoen uit aan windtunneltests. De tweede reden dat je niet gelijk de windtunnel in duikt, is dat er tegenwoordig strenge testrestricties gelden die je windtunneltijd beperken.
Lees ook: Best of ’22: ‘Papa, mag ik een Formule 1-team?’
Een test in de windtunnel, noem je een run en het aantal runs dat je als team per halfjaar mag afwerken, is tegenwoordig afhankelijk van waar je (op bepaalde momenten gedurende het seizoen) in het kampioenschap staat. De FIA heeft een aantal van 320 runs per halfjaar als ‘standaard’ genomen, maar de drie laagst geklasseerde teams mogen méér runs dan dat afwerken, terwijl de zes best geklasseerde teams juist minder runs krijgen. En flink minder ook, want het best geklasseerde team, in dit geval Red Bull, krijgt slechts 70% van die 320 runs.
Een run is dan het aan- en uitzetten van de tunnel, met de FIA die in elke windtunnel die door de teams wordt gebruikt camera’s heeft hangen. Daarnaast wordt het hele technische systeem gemonitord door software. Boven een bepaalde snelheid van de luchtstroom, vijf meter per seconde, gaat er met een soort ‘klikje’ een timer lopen en wordt dat geregistreerd als een run.
De camera’s maken tijdens een run ook foto’s van wat je doet en je model, dus de FIA kan precies zien wat je doet. Dat levert vast wel eens grappige beelden op, want je mag tijdens zo’n run nog wel wát aanpassingen doen, zonder de tunnel volledig uit te zeten. Je ziet dus best vaak mensen tegen de wind in de tunnel inlopen en aan hun model frunniken. Al zijn er ook dingen die geautomatiseerd gaan, zo heb je bijvoorbeeld systemen die automatisch een verandering aan een voorvleugelelement kunnen maken of de DRS van de achtervleugel opzetten. Dit uiteraard om tijd te besparen.
Naast het maximale aantal runs dat een team mag doen, is er ook een limiet voor de tijd dat de wind ‘aan’ staat. Dus binnen een run wil je zoveel en zo snel mogelijk alle data verzamelen die je nodig hebt voor de ontwikkeling van je wagen.
Star Wars-film
De snelheid van een windtunnel is dus variabel, al is de ‘standaardsnelheid’ waar iedereen op test vijftig meter per seconde. Dat is naar mijn weten van alle gangbare Formule 1-tunnels ook het maximum, en daar wil je ook op testen, want dan zit je zo dicht mogelijk bij de werkelijke condities. Vijftig meter per seconde is namelijk 180 kilometer per uur, en dat is voor een Formule 1-auto natuurlijk nog niet bepaald topsnelheid, maar je wil ook niet veel harder dan dat. Want: je werkt met een model van vijftig of zestig procent van de ware grootte, en anders worden de krachten die het model te verduren krijgt veel te groot. En als je alles moet gaan versterken en dikker en zwaarder moet maken om de windkracht aan te kunnen, kloppen de verhoudingen van je model niet meer.
(test loopt door onder de foto)
Door alle beperkingen, ga je zoals gezegd alleen de tunnel in met dingen die in CFD de moeite waard zijn. De windtunnel is de go of no go voor de onderdelen die je test. Eén run is daarbij natuurlijk nooit genoeg, het is echt wel een herhalingsoefening om zeker te weten of wat je test een verbetering is. De aloude Formule 1-wet ‘meten is weten’ gaat daar uiteraard ook voor op.
Behalve dat je windtunnelmodel vol zit met sensoren, geldt dat ook voor de ‘staak’ die hem op zijn plek houdt. Dit is qua vorm een soort vleugel – om de luchtweerstand en -verstoring ervan te verminderen – die ook vol zit met allerlei sensoren. Wat je daarmee meet zijn de krachten en weerstand van het model naar voren, achter en de zijkanten. Het windtunnelmodel zelf telt ook talloze sensoren, waarmee je dingen aangaande de aerodynamica kan meten, zoals bijvoorbeeld hoeveel druk er op een bepaald onderdeel staat, en hoe de stromingen onder de vloer lopen.
Wat tegenwoordig ook gecheckt kan worden, is de wheel wake, de turbulente lucht die van de rollende banden afkomt, want ook in de windtunnel staat je model op speciale, op maat gemaakte Pirelli-bandjes die dus echt meedraaien en -bewegen. Hier heeft men speciale rakes voor, zoals bij echte wagens, maar dan kleiner.
Behalve naar koele, kille cijfers die uit de computer rollen, is er voor de aerodynamici en engineers ook genoeg anders om in een windtunnel naar te kijken terwijl je test. Er zijn namelijk zelfs systemen om rook in de tunnel te laten, zodat je de luchtstroom met je blote ogen kan zien – iets wat in ‘de echte wereld’ op het circuit natuurlijk niet kan. Dat klinkt misschien als iets voor in een discotheek, maar het kan nog gekker: je hebt ook PIV, particle image velocimetry, daarbij voeg je hele kleine deeltjes olie toe aan de luchtstroom in de tunnel en zet je een soort laser- of stroboscoop-achtig licht aan waardoor je luchtstromingen kan visualiseren in de tunnel. Dan voelt het echt wel een beetje of je in een Star Wars-film zit!
Lees ook: Best of ’22: Buurten in Zak Browns oldskool motorhome: ‘Als deze muren konden praten’
Porpoising en pijnpunten
Als je hoort hoe futuristisch dat allemaal is, dan klinkt het ‘in een rechte lijn’ testen in een tunnel zelf misschien wat ouderwets en achterhaald. Maar dat is het hem nou net: de tunnels van tegenwoordig zijn behoorlijk gemoderniseerd en meer geautomatiseerd dan vroeger en hebben iets dat een continous motion system heet, waardoor de auto continu meebeweegt en het net is alsof hij over de baan gaat. Rechtuit rijden, een bocht naar links, rechts, je kan het allemaal instellen. Dat is nogal een verschil met vroeger, toen je eigenlijk beperkt was tot het afstellen van hoe de auto bijvoorbeeld aan het begin of eind van het rechte stuk zich ‘gedroeg’, of in een snelle of juist langzame bocht. Nu komt het dus steeds dichter bij de werkelijkheid en kun je de pijnpunten – waar gaat het mis met je auto, waar op het circuit gaat het mis? – er veel beter uithalen.
Een pijnpunt zoals porpoising, het stuiteren waar veel van de nieuwe auto’s last van hebben, is daarentegen weer lastig te simuleren en meten in een windtunnel. Dat is waarschijnlijk ook waarom Mercedes, dat hier ernstig mee kampt, zoveel moeite heeft het op te lossen. Dat komt omdat het vooral optreedt bij hele hoge snelheden die je in de windtunnel eigenlijk niet haalt. Een andere reden dat je porpoising niet kan nabootsen, is omdat je windtunnelmodel dus aan die ‘staak’ aan het plafond hangt. Die houdt hem op zijn plaats. Er zijn dus zeker beperkingen aan testen in een windtunnel. Uiteindelijk is het een hele moderne, luxe loopband, en nog altijd geen echt circuit.
De correlatie van wat je in de windtunnel ziet en doet en in het echt op de baan, blijft verder ook cruciaal. We kennen allemaal de verhalen van Red Bull in 2020 en, eerder, Ferrari. Bij hun klopte de correlatie van de tunnel niet, dus zij kregen verschillende data uit CFD, de windtunnel en van het echte testwerk. Hoewel de windtunnel altijd dichter bij de werkelijkheid zal liggen dan CFD, is het juist belangrijk om te onthouden dat je in een gecontroleerde, kunstmatige omgeving test, en de echte wereld is dat allebei niet. Je auto kan daar dus toch andere dingen doen dan je dacht, ook omdat de windcondities in de echte wereld niet constant zijn.
