Master's Thesis

Analysis of Aerodynamic Performance and Its Impact on Formula Student Car

Final Thesis 6.36 MB

Author of thesis: Bc. David Derka

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. David Štefan, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Petr Koňas, Ph.D.

Abstract:

This thesis presents a quantitative methodology for evaluating the effect of aerodynamic forces on the driving characteristics of a Formula Student car and on the overall benefit of the aerodynamic package in the dynamic events of acceleration, skidpad, and autocross. The methodology is applied to the TU Brno Racing Dragon E6 vehicle. A reproducible external-aerodynamics CFD workflow was developed in Ansys Fluent (RANS, k-ω SST model) with automated geometry preparation in Ansys SpaceClaim and batch processing on a high-performance computing cluster. Ride-height-dependent aerodynamic maps were coupled to a quasi-steady lap-time model in MATLAB/Simulink. Compared with constant aerodynamic coefficients, simulated times at Formula Student Czech Republic 2025 moved closer to measurements for acceleration and autocross; large discrepancies remain for skidpad. A spreadsheet tool for estimating competition points according to the Formula Student Germany 2025 rules was developed from simulated times and historical best results from selected events. The CFD workflow is supported by experimental data from Dragon E4. The outcome is an integrated workflow for comparing aerodynamic package variants during vehicle development.

Keywords:

Formula Student, aerodynamics, CFD, CFD workflow automation, lap-time model, Simulink

Date of defence

08.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

V úvodu obhajoby student v rámci vymezeného časového limitu seznámil zkušební komisi s cíli, metodikou a výsledky své diplomové práce na téma Analýza aerodynamických vlastností a jejich vliv na vozidlo Formule Student. Následně byly komisi předneseny posudky vedoucího práce a oponenta. V rámci těchto posudků byly shrnuty hlavní body práce a oponentem byly formulovány otázky k obhajobě. Student následně reagoval na otázky uvedené v posudku oponenta. V poslední fázi obhajoby položili členové zkušební komise dotazy vztahující se k tématu diplomové práce, na které student odpověděl. Průběh obhajoby diplomové práce byl tímto ukončen a komise přistoupila k neveřejnému zasedání a hodnocení.

Language of thesis

English

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Energy Institute

Study programme

Power and Thermo-fluid Engineering (N-ETI-P)

Specialization

Fluid Engineering (FLI)

Composition of Committee

prof. Ing. František Pochylý, CSc. (místopředseda)
doc. Ing. Jaroslav Štigler, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Simona Fialová, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Tomáš Profant, Ph.D. (člen)
Ing. Aleš Skoták, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Sylva Drábková, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Vladimír Habán, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Petr Koňas, Ph.D. (člen)
Ing. David Štefan, Ph.D. (člen)
Ing. Radek Veselý (člen)

Supervisor’s report
Ing. David Štefan, Ph.D.

Předložená diplomová práce se zabývá problematikou automatizace kompletní procedury CFD výpočtů závodního vozu Formula Student od geometrie, až po vyhodnocení. Práce splňuje všechny cíle zadání a její výsledky jsou bezesporu užitečné pro další pokrok a efektivitu studentského týmu. Student David Derka pracoval po celou dobu řešení velice samostatně s jasným postupem a cílem. Práce splňuje všechny formální náležitosti, je přehledně strukturovaná a po grafické stránce je také na velmi dobré úrovni.

S ohledem na výše uvedené doporučuji diplomovou práci k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Petr Koňas, Ph.D.

Předložená diplomová práce představuje vysoce kvalitní inženýrskou práci, která úspěšně dodává praktický, dobře zdokumentovaný a automatizovaný CFD-to-lap-time workflow pro aerodynamický vývoj vozidel Formule Student. Metodika je solidní, prezentace je profesionální a autor demonstruje výjimečnou vědeckou poctivost při dokumentování omezení (znak zralého stipendia zřídka viděný na této úrovni). Praktický přínos pro TU Brno Racing je jasný a okamžitý: workflow umožňuje rychlejší iteraci designu a informovanější rozhodnutí o kompromisech.

Primární technické omezení—validace založená na proxy vozidle (Dragon E4) spíše než přímých měřeních Dragon E6—je transparentně uznáno v celé práci a je kontextově pochopitelné vzhledem k omezeným zdrojům studentských závodních týmů. Toto omezení, kombinované se střední akademickou novostí (inkrementální inženýrská inovace spíše než vědecký objev), brání přiřazení nejvyšší známky, ale celkové provedení splňuje a v několika ohledech překračuje očekávání pro magisterskou inženýrskou práci.

Práce splňuje všechny formální požadavky (abstrakt v češtině a angličtině, klíčová slova, prohlášení, bibliografie podle ČSN ISO 690), demonstruje metodologickou přísnost (reprodukovatelné CFD nastavení, systematická verifikace konvergence) a dodává praktickou hodnotu (automatizace, zlepšená predikce času na kolo pro akceleraci/autocross, nástroj pro odhad bodů). Práce je vhodná k obhajobě a činí smysluplný přínos k aplikovanému motorsportovému inženýrství.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. - Váš automatizační workflow šetří ~60 minut času nastavení na případ (Tabulka 6.4), ale CFD wall-clock čas je 6-11 hodin (Tabulka 5.4). Je úzkým místem workflow nyní výpočetní čas spíše než čas nastavení? Poskytla by investice do náhradních modelů sníženého řádu větší zisky efektivity? - Rozšířený model času na kolo zhoršuje predikci skidpadu (−16.16% → −17.51% chyba). Přisuzujete to nejistotě jízdní linie řidiče a kvazistacionárním omezením. Mohlo by nadhodnocení příčného přilnavosti naznačovat, že vaše CFD nadhodnocuje přítlak při vysokých yaw rates, nebo je problém zcela ve formulaci dynamiky vozidla?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová