CFD: Wat is het en hoe helpt dit F1-team zich te ontwikkelen?

Er zijn veel auto sport ideeën die vaak worden gebruikt door mensen die niet begrijpen wat ze betekenen. Een daarvan is CFD, of Computational Fluid Dynamics. In sommige opzichten, de zin perfect beschrijft het, maar drie duidelijke woorden nooit voldoende beschrijven een zeer complexe kwestie. &nbsp, In theorie kunnen de verschillende toestanden van elk lichamelijk systeem statistisch worden berekend. Misschien is dit simpel, zoals wanneer een object botst met een vacuüm. Soms is het uitdagender, zoals het uitzoeken van de energie van een object met een ingewikkeld soort onder gewicht. Het probleem wordt uiterst moeilijk als het gaat om het voorspellen van de luchtbeweging over en rond een F1-auto, maar het kan worden opgelost met redelijke nauwkeurigheid.

De Navier-Stokes formules, die Sir George Stokes toegevoegd als een methode om vloeibare termen op te lossen in het midden van de 19e eeuw, werden gebruikt om de berekeningen te berekenen om dit probleem op te lossen. Het was echter onmogelijk voor computers om de vergelijkingen op te lossen voor een belangrijk probleem. &nbsp, Hoewel de eerste laptops bestonden in de jaren 1950, net in 1967 was het eerste essay gepubliceerd voorstellen voor oplossingen voor 3D circulatie problemen. In de jaren zestig en zeventig werkte het Imperial College in Londen aan de ontwikkeling van technologie, wat leidde tot het eerste professionele script, Phenics, dat in 1981 werd uitgebracht.

Tegen het einde van de jaren tachtig onderzocht het F1-team het gebruik van CFD om basisoptimalisaties te sturen. Op dat moment was ik in dienst van Benetton, die we kochten een innovatieve Sun Sparc desktop die liep met een snelheid van 25 MHz en 64 MB RAM, wat aanzienlijk minder is dan een hedendaagse telefoon. We kunnen enkele fundamentele oppervlaktedrukprofielen van onze rugvleugels bekijken met behulp van deze en een verminderde CFD implementatie bekend als panel methoden. Hoewel fundamenteel, was dit het eerste moment dat we afstapten van puur feitelijke aerodynamica.

Tumultuous bestaande

Hoewel het interessant was om uiteindelijk wat informatie te ontdekken en te gebruiken om de prestaties te verbeteren, was het proces ongelooflijk beperkt. Het was alleen echt gericht op de stroom in het gebied en was tweedimensionaal. Meer professionele normen in de eerste jaren van de jaren negentig vormden de volgende stap voorwaarts. Bovendien ontwikkelden laptops zich snel, en F1 team omarmde deze nieuwe technologie.

Hoewel een F1 auto ongelooflijk aerodynamische prestaties heeft, is het moeilijk om het te creëren omdat de luchtstroom rond het voertuig veel ingewikkelder is dan bijvoorbeeld voor een vliegtuig. De verschillende onderdelen van de auto worden verbrijzeld door de stroom, die dan giet in tumultueuze krullen. Deze zijn nog uitdagender om te voorspellen, en het feit dat de 3D-oplossers worstelden met tumultueuze stroom, hoewel ze in staat waren om de meer complexe delen van de Navier-Stokes vergelijkingen te controleren.

De rol van F1 als industrie was van doorslaggevend belang om de fabrikanten van CFD-software ertoe aan te zetten de turbulentiemodellen te verbeteren, en het resultaat was dat de benadering begon respectabele resultaten te opleveren. RANS, dat staat voor Reynolds-Number Averaged Navier Stokes, wordt vandaag de dag ook veel gebruikt.

Foto van: Williams

Rekenintensief

Interessant genoeg was het resultaat van de inspanningen om de turbulentiemodellen te verbeteren dat windparken precies dezelfde problemen hadden die moesten worden opgelost. Een enkele windturbine is een item om te creëren, maar een windpark, waar elke motor werkt in een stroomveld bepaald door de tumultueuze stroom van zijn buren, is veel moeilijker. Het is geruststellend te weten dat inspanningen om de efficiëntie van F1-auto’s te verbeteren ook direct hebben geleid tot betere weervelden en hebben bijgedragen tot het verminderen van de gevolgen van klimaatverandering.

Misschien zijn er nu veel turbulentiemodellen, maar naarmate deze modellen verbeterden, verbeterde de betrouwbaarheid van de simulatie zelfs. Als cruciaal was het feit dat de verwerkingskracht werd afgestemd op Moore’s wet, waardoor een dieper model van het stroomveld om de twee jaar. De reden hiervoor is dat de hoeveelheid op het oppervlak van het digitale model en het volume van de lucht eromheen zijn verdeeld in massa’s digitale cellen. Voor elk van deze cellen moeten de partiële differentiaalvergelijkingen die het bewegingsgebied beschrijven, worden opgelost.

Voor een simpel scenario hebben we het over 95 miljoen cellen die, op een single-core computer, ongeveer 40 dagen duren om op te lossen. Aldus de behoefte aan verwerking van energie. Een team gebruikt meestal 192 kernen, waardoor de resolve periode wordt teruggebracht tot een kwestie van uren. &nbsp, Echter, de RANS methode heeft nog met verbeterde turbulentie modellering, beperkingen en de gouden standaard nu is Onmiddellijke Numerische Simulatie of DNS. Dit lost onmiddellijk de vergelijkingen voor alle wervelingen op, maar het is zo berekenend dat het gebruik ervan voor F1 niet praktisch is.

Toekomst 

Een systeem bekend als DES of Detached Eddy Simulations werd gebruikt in de ontwikkeling van de F1-voertuigen 2022. Dit is eigenlijk een oplossing van gemiddelde complexiteit die het mogelijk maakt de stormachtige zuig om grondig te worden bestudeerd terwijl de berekeningstijd binnen eerlijke maar nog vrij grote grenzen. Daarnaast werd in het onderzoek een tweede benadering gebruikt, de Lattice Boltzmann strategie of LBM.

Het is nu een mogelijk plan om een aanzienlijke groei in CFD te realiseren, maar hoe zit het met de toekomst? CFD en technologie zijn in korte tijd enorm gevorderd. Ik geloof dat de aerogroei in twee richtingen zal groeien. &nbsp, De eerste is machine learning, de tweede zal zijn op het gebied van multi-fysica, het simuleren van een perfect systeem en het opzetten ervan. Bijvoorbeeld, de aero optimalizer zal belasting gebruiken om het lichaam dat zal strekken, veranderende aerodynamica. Ook de effecten van nat weer kunnen worden gesimuleerd en gedetailleerde processen kunnen worden geanalyseerd. Hoewel dit op sommige manieren kan worden gedaan, zal de komende vooruitgang deze studie moeilijker maken.

Lees meer:

Kenteken melden