Jak se v F1 využívá CFD: Řešení jediné konfigurace superpočítačům zabere 18 hodin

CFD - co to znamená a co vlastně dělá?Je to zkratka pro počítačovou dynamiku tekutin (Computational Fluid Dynamics). Všechny systémy se v přírodě řídí určitými zákony fyziky: pokud mohou být matematicky vyjádřeny či modelovány, pak mohou být řešeny řídící rovnice a dokážeme předpovídat chování. Ve Formuli 1 CFD řeší rovnice pro to, aby určil průtokový režim vzduchu proudícího kolem vozu.

Takže se opravdu jedná pouze o matematiku?Ano. Abyste mohli být přesní, musíte precizně určit průtok. To se děje pomocí vytvoření virtuální sítě kolem vozu a řešení rovnic pro každý bod v síti. Pro studium vozu plné velikosti se kolem virtuálního modelu v síti nachází přibližně 300 milionů bodů a každý musí být počítán opakovaně, dokud se nepřiblíží řešení.

Jinými slovy, kalkulace probíhají znovu a znovu, přičemž výsledky každého výpočtu vymezují počátek pro příští výpočet, dokud se výsledek nezmění. Když k tomu dojde, říká se, že řešení konvergovalo. To si může vyžádat 1000 - 1200 opakování (iterací).

Je k tomu zapotřebí superpočítače?Určitě. Výkon superpočítačů se měří v teraflopech - to znamená, jak rychle může počítač provádět matematické operace. Počítač o výkonu jednoho teraflopu zvládne 1 000 000 000 000 (bilion) výpočtů za sekundu.

Vizualizace výpočtů CFD (zdroj: BMW Sauber F1)

Týmy F1 mají stroje, které začínají na 20 teraflopech. Marussia má jeden z nejlepších, jenž se řadí mezi 300 nejvýkonnějších počítačů na světě.

Jak dlouho se již CFD používá?Týmy začaly využívat CFD v devadesátých letech, ale tehdy byla zcela odlišná doba. Kód, který využívaly, byl mnohem jednodušší, protože počítače neměly ten výkon. Používaly se pro optimalizaci zadních křídel a další relativně jednoduché úlohy.

Jak je CFD využíváno v F1 nyní?Většinou se využívá pro vylepšování aerodynamiky, ale může být aplikováno na jakoukoliv formu proudění tekutiny. Týmy techniky CFD využívají pro studium proudění vody skrz chladiče a průtoku oleje převodovkou, aby zajistily, že všechny oblasti budou správně mazány.

Hlavním účelem CFD je v F1 vylepšení proudění kolem různých částí vozu (zdroj: Renault F1)

CFD využívají i pro zkoumání efektu pohybu paliva v nádrži. Výrobci motorů také využívají CFD pro studium způsobu, jakým motor saje a jak je směs paliva rozmísťována ve válci, aby mohli optimalizovat efektivitu spalování.

V jaké fázi se CFD používá?Týmy pracují různě. Většina používá aerodynamické tunely pro konečné posouzení aerodynamického vývoj, ale CFD jim pomáhá k většímu pochopení. Při testování v tunelu vám může nějaký díl poskytnout vyšší přítlak, ale není zřejmé proč. CFD vizuálně znázorňuje, co se děje. Nejlepším přístupem je kombinace CFD a experimentů.

Jaké jsou výhody a omezení při využívání CFD?CFD je levnější než testování v aerodynamickém tunelu. Omezením jsou přesnost (byť se zlepšuje) a čas, který je potřebný pro výpočty. Řešení jedné konfigurace zabere na velmi silném počítači kolem 18 hodin. Pro zmapování každého nastavení světlé výšky je třeba dalších 18 hodin, zatímco v aerodynamickém tunelu všechny světlé výšky a vztahy plně naskenujete během 15 min.

Přestože týmy využívají pro CFD simulace superpočítače, které zvládají několik bilionů výpočtů za sekundu, řešení jedné konfigurace jim zabere kolem 18 hodin (foto: Mercedes GP)

Více o CFD se můžete dozvědět v našem předchozím technickém seriálu:1. díl: Co je to CFD?2. díl: CFD a jeho praktické využití v F13. díl: CFD - Přesnost, časová náročnost a věci, které nelze modelovat v aero-tunelu