Aerodynamic Influence Over Leading and Pursuing Motorcycles Equipped With Downforce-Generation Wings

Deze studie maakt gebruik van numerieke simulaties om aan te tonen dat aerodynamische vleugels op een leidende motorfiets turbulente wervelstrepen en coherente wervels genereren die een achtervolgende motorfiets onafhankelijk en aanzienlijk destabiliseren door de lift en de neiging tot wheelie te veranderen, wat suggereert dat toezichthoudende organen in de competitie zouden moeten overwegen dergelijke neerwaartse kracht genererende appendices te verbieden om de veiligheid te verbeteren.

De kern

Stel je twee motorrijders voor die naast elkaar racen op een snelweg. Degene die voorop rijdt is de "Leider", en degene die achtervolgt is de "Achtervolger". Decennialang hebben coureurs geweten dat als de Achtervolger zich direct achter de Leider nestelt, hij een gratis ritje krijgt. De Leider duwt de lucht uit de weg, waardoor er een laagdruk-"bel" of slipstream achter hem ontstaat. De Achtervolger zit in deze bel, met minder windweerstand, waardoor hij sneller gaat en minder energie verbruikt. Het is alsof je zwemt in de kielwater van een groot schip; het water is kalmer en je kunt moeiteloos glijden.

Echter, dit artikel onderzoekt een moderne draai: wat gebeurt er wanneer de motor van de Leider is uitgerust met vleugels (gelijkend op de kleine vleugels op een raceauto) die zijn ontworpen om de motor naar beneden op het circuit te drukken voor betere grip?

De Onzichtbare Touwtrekker

De onderzoekers gebruikten krachtige computersimulaties om te zien hoe deze vleugels de lucht voor de Achtervolger veranderen. Ze ontdekten dat de vleugels twee verschillende "weerspatronen" achter de Leider creëren die anders werken dan de simpele slipstream van een normale motor:

1. De Turbulente Wake (De Oude Manier): Zelfs zonder vleugels laat een motor een rommelig, chaotisch spoor van lucht achter. Dit is de klassieke slipstream die de Achtervolger helpt sneller te gaan.
2. De Vleugelpuntwervelingen (De Nieuwe Manier): De vleugels op de Leider genereren krachtige, draaiende luchtbuizen (wervelingen) die achteraan slepen, net als de rook van een straalmotor. Deze zijn georganiseerd, sterk en aanhoudend.

De "Opwaartse Stroom" versus de "Neerwaartse Stroom"

Het artikel legt uit dat de ervaring van de Achtervolger volledig afhangt van waar hij zit ten opzichte van deze draaiende luchtbuizen.

• De "Opwaartse Stroom"-Valstrik (Gevarenzone): Als de Achtervolger direct achter de Leider zit, uitgelijnd met de vleugels, wordt hij geraakt door een "opwaartse stroom". Denk hierbij aan staan onder een gigantische ventilator die lucht naar boven blaast. Deze omhoog duwende kracht tilt het voorwiel van de motor van de Achtervolger op. In het racen is het tillen van het voorwiel slecht; het maakt de motor licht en onstabiel, en het vermindert de grip die nodig is om hard te remmen. Het artikel vond dat deze door vleugels gegenereerde wervelingen het nuttige "slipstream"-effect zelfs kunnen opheffen, waardoor de Achtervolger het gevoel heeft dat hij zijn remmen verliest.
• De "Neerwaartse Stroom"-Voordeel (Veilige Zone): Als de Achtervolger iets opzij beweegt (een laterale verschuiving), kan hij de "neerwaartse stroom" van de buitenrand van de werveling vangen. Dit is alsof je staat onder een ventilator die lucht naar beneden blaast. Dit duwt het voorwiel van de Achtervolger stevig op de weg, waardoor grip en stabiliteit toenemen. In deze specifieke positie helpen de vleugels van de Leider de Achtervolger eigenlijk om stevig op de grond te blijven.

Het "Spook"-Effect

Een van de meest verrassende bevindingen is dat deze door vleugels gegenereerde luchtstromen niet zomaar verdwijnen. Ze reizen ver stroomafwaarts. Zelfs als de Achtervolger meerdere motorlengtes achter de Leider zit, zijn deze georganiseerde wervelingen nog steeds aanwezig en beïnvloeden ze het gedrag van de motor. Ze werken als onzichtbare handen die de motor naar beneden kunnen drukken (goed voor remmen) of omhoog kunnen tillen (slecht voor remmen), ongeacht hoe ver de coureurs uit elkaar zijn.

Het Wereldse Gevolg

De auteurs verbinden dit aan echte racerampen. Ze noemen specifieke ongelukken waarbij een coureur probeerde een ander in te halen, maar toen hij probeerde te remmen, zijn voorwiel omhoog kwam en hij niet kon stoppen. Het artikel suggereert dat dit gebeurde omdat de Achtervolger reed in de "Opwaartse Stroom"-zone die door de vleugels van de Leider was gecreëerd, wat hem de neerwaartse kracht (grip) ontnam die hij nodig had om te vertragen.

De Conclusie

Het artikel concludeert dat hoewel deze vleugels de motor van de Leider sneller en stabieler maken, ze een "gevaarlijk weersysteem" creëren voor iedereen die hen achtervolgt. De lucht achter een motor met vleugels is niet langer slechts een nuttige slipstream; het is een complexe mix van nuttige en schadelijke krachten die een motor plotseling onstabiel kunnen maken.

De auteurs suggereren dat raceorganisatoren de regels misschien opnieuw moeten overdenken. Zij stellen voor dat de vleugels misschien kleiner moeten worden gemaakt of volledig moeten worden verwijderd om het racen veiliger te maken, aangezien het huidige ontwerp onvoorspelbare aerodynamische valstrikken creëert voor coureurs die het peloton achtervolgen. Zij betogen dat hoewel de technologie de prestaties verbetert, het een verborgen risico introduceert dat de sport gevaarlijker maakt dan nodig is.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Aerodynamische Invloed op Leidend en Achtervolgend Motorfietsen Uitgerust met Vleugels voor Downforce-Generatie

Probleemstelling
De integratie van aerodynamische appendages, specifiek voorvleugels die zijn ontworpen om downforce te genereren, is een standaardkenmerk geworden in moderne motorfietsraces (bijvoorbeeld MotoGP en WSBK) om de remprestaties en bochtstabiliteit te verbeteren. De aerodynamische interactie tussen een leidende motorfiets uitgerust met deze vleugels en een achtervolgende motorfiets blijft echter slecht begrepen. Hoewel het "drafting"-effect (weerstandvermindering) van een standaard turbulente wake goed gedocumenteerd is, introduceert de aanwezigheid van coherente vleugelwervels gegenereerd door downforce-apparaten complexe stromingsdynamica. Het centrale probleem dat wordt aangepakt, is hoe deze specifieke stromingsstructuren – gekenmerkt door opwaartse en neerwaartse snelheidscomponenten – de stabiliteit, lift, weerstand en pitchmomenten van een achtervolgende motorfiets beïnvloeden, wat potentieel gevaarlijke omstandigheden kan creëren tijdens inhaalmanoeuvres of packraces.

Methodologie
De studie maakt gebruik van Computational Fluid Dynamics (CFD) met de Reynolds-gegemiddelde Navier-Stokes (RANS)-benadering om de aerodynamische omgeving te simuleren.

• Numeriek Kader: Simulaties werden uitgevoerd met OpenFOAM (v2112) met de Finite Volume Method. De turbulentie werd gemodelleerd met het $k$-$\omega$ Shear Stress Transport (SST)-model.
• Geometrie: De basisgeometrie is een Yamaha YZF-R1 productiesportmotor, aangepast om weg-legaliteitskenmerken (spiegels, signalen) te verwijderen en een ingetrokken rijder op te nemen. Een vereenvoudigd vleugelprofiel (Selig-1223 airfoil) met een aanvalshoek van -40° werd toegevoegd aan de voorfairing om downforce-genererende apparaten te simuleren.
• Simulatiegevallen: Drie primaire scenario's werden geanalyseerd over een reeks longitudinale (5 cm tot 7 m) en laterale (0 cm tot 60 cm) relatieve posities:
  1. Geval 1: Zowel de leidende als de achtervolgende motorfiets zijn vleugel-loos.
  2. Geval 2: De leidende motorfiets heeft vleugels; de achtervolgende motorfiets is vleugel-loos.
  3. Geval 3: Beide motorfietsen zijn uitgerust met vleugels.
• Netwerk en Convergentie: Netwerken varieerden van 12 miljoen tot 25 miljoen controlevolumes, met verfijningsboxen rond de motorfietsen om grenslaag- en wake-structuren vast te leggen. Convergentie werd bereikt na 1.000 tot 2.000 iteraties, waarbij de aerodynamische coëfficiënten ($C_D$, $C_L$, $C_M$) werden gemiddeld over de laatste helft van de iteraties.
• Bedrijfsomstandigheden: Simulaties gingen uit van onsamendrukbare stroming bij een snelheid van 70 m/s (252 km/h), resulterend in een Reynolds-getal van ongeveer $6,99 \times 10^6$.

Belangrijkste Resultaten
De studie onthult dat de aerodynamische invloed van een met vleugels uitgeruste leider verschilt van die van een standaard wake van een stom lichaam, voornamelijk vanwege de persistentie van coherente vleugelwervels.

• Geval 1 (Vleugel-loos – Vleugel-loos): Zoals verwacht, ondervindt de achtervolgende motorfiets een vermindering van weerstand, lift en pitchmoment door de lage-druk turbulente wake. Deze vermindering faciliteert inhalen en verbetert de stabiliteit door wheelie-tendensen te verminderen. De effecten nemen asymptotisch af naarmate de longitudinale afstand toeneemt en de laterale verschuiving groter wordt.
• Geval 2 (Vleugel-uitgeruste Leider, Vleugel-loze Achtervolger): De aanwezigheid van de leidende vleugel verandert het stromingsveld aanzienlijk.
  • Longitudinale Effecten: Bij grotere longitudinale afstanden ondervindt de achtervolgende motorfiets toegenomen lift en pitchmoment in vergelijking met het vleugel-loze scenario. Dit wordt toegeschreven aan de opwaartse snelheidscomponent die stroomafwaarts wordt meegevoerd vanuit de leidende vleugel, wat de effectieve aanvalshoek op de achtervolgende motorfiets verhoogt, waardoor de neiging tot het opheffen van het voorwiel (wheelie) toeneemt en de stabiliteit wordt aangetast.
  • Laterale Effecten: De laterale positie is cruciaal. Wanneer de achtervolgende motorfiets is uitgelijnd met de kern van de vleugelwervel, nemen de liftcoëfficiënten negatief toe (ongunstig). Echter, bij specifieke laterale verschuivingen (ongeveer 25 cm tot 60 cm) wordt de neerwaartse component dominant, wat lift en wheelie-tendensen vermindert en een stabiliteitsvoordeel biedt.
• Geval 3 (Vleugel-uitgerust – Vleugel-uitgerust): Wanneer beide motorfietsen vleugels hebben, wordt de prestatie van de achtervolgende vleugel sterk beïnvloed door de wake van de leider.
  • Downforce-verlies: De achtervolgende vleugel ondervindt een aanzienlijke vermindering in downforce-generatie wanneer deze zich in de nabijheid van de leider bevindt, vooral vanwege de opwaartse component. Dit verlies aan last op het voorband wordt geïdentificeerd als een primaire oorzaak voor verminderde remcapaciteit in racesituaties.
  • Weerstandsherstel: Hoewel de weerstand wordt verminderd door drafting, neutraliseert het verlies aan downforce sommige prestatievoordelen, waardoor een "gevaarlijke prestatieomstandigheid" ontstaat waarbij de motorfiets sneller is maar minder stabiel en moeilijker te remmen.

Betekenis en Beweringen
Het artikel stelt dat het coherente wervelpaar gegenereerd door downforce-vleugels de achtervolgende motorfiets beïnvloedt onafhankelijk van de turbulente wake en persistent blijft over alle geteste relatieve afstanden. Dit daagt de aanname uit dat drafting universeel voordelig is; in de context van motorfietsen met vleugels kan de wake de stabiliteit en remprestaties van de achtervolgende motorfiets actief verslechteren.

De auteurs benadrukken dat het huidige ontwerpphilosophie, dat vleugels integreert in het totale voertuigpakket, een veiligheidsparadox creëert: terwijl vleugels de prestaties van de leidende motorfiets verbeteren, introduceren ze onvoorspelbare en potentieel gevaarlijke aerodynamische omstandigheden voor de achtervolger. Met verwijzing naar specifieke raceincidenten (bijvoorbeeld de Valencia-race van 2023 en de crash tijdens de Australische Grand Prix van 2024) suggereert het artikel dat het verlies aan aerodynamische downforce in de wake van een vleugel-uitgeruste leider een bijdragende factor is in bijna-crash- en crashscenario's.

Concluderend stelt de studie dat, hoewel een volledige verwijdering van vleugels de huidige voertuigdynamiek zou kunnen verstoren, de regerende organen van de motorsport een stapsgewijze vermindering van de toegestane vleugelgeometrie of hun uiteindelijke eliminatie moeten overwegen om de veiligheidsomstandigheden in alle racecategorieën te verbeteren. De bevindingen suggereren dat de huidige aerodynamische appendages, hoewel gunstig voor de prestaties van een enkel voertuig, de veiligheidsmarges van het racepakje in gevaar brengen.