Роль компьютерного моделирования в создании и доработке современных машин Формулы 1 сложно переоценить. О том, что же скрывается за словами «вычислительная гидродинамика», рассказывают инженеры Renault F1.
Каков научный базис вычислительной гидродинамики (CFD)?
CFD используется, чтобы создать компьютерную модель течения жидкости. Воздушный поток, окружающий машину Формулы 1, очень сложен, поэтому мы применяем вычислительную гидродинамику, чтобы понять, что с ним происходит. Аэродинамическая труба позволяет оценить распределение сил и нагрузок, но не дает возможности достаточно подробно визуализировать течение потока.
Потому мы дополняем данные из трубы результатами, полученными при помощи CFD. Это позволяет узнать о потоке ощутимо больше. Когда мы устанавливаем на машину новый элемент – или в трубе, или на мониторе программы CFD – то можем сразу видеть, как структура потока взаимодействует с другими деталями. Это позволяет сделать доработку машины более эффективной – мы сразу видим, приносит ли компонент ожидаемую отдачу. Если нет, можно внести небольшие изменения и попытаться достичь того, к чему мы стремимся.
Что вначале – аэродинамическая труба или вычислительная гидродинамика?
Обычно CFD. На компьютерах мы опробуем новые идеи, концепции и направления, если результат оказывается хорошим, начинаем исследования в трубе. Причем к испытаниям в ней мы приступаем с хорошим пониманием того, как ведет себя этот элемент, как использовать его с максимальной пользой.
Если говорить о точности, то у вычислительной гидродинамики есть свои пределы – порой программы выдают многообещающие результаты, но в трубе оказывается, что все не столь здорово. CFD – не настолько прецизионный инструмент, как аэродинамическая продувка, поэтому нам приходится делать допущения в тех уравнениях, которыми мы описываем течение потока вокруг машины – иначе бы вычисления заняли очень много времени.
CFD даёт гораздо больше информации, чем труба, но она не настолько точная – именно поэтому два эти метода отлично сочетаются между собой.
Как долго продолжается симуляция при помощи CFD?
Если мы просчитываем новое переднее крыло, то для начала инженеру нужно создать его компьютерную модель, используя дизайнерские программы CAD – на это требуется примерно полдня. Затем, уже на другом компьютере, новинка присоединяется к существующей модели машины – этот процесс займёт вторую половину дня.
И уже как единое целое модель поступает на полноценную симуляцию. На неё уходит в общей сложности 16 часов. Так что для получения итоговых результатов нужен цикл общей продолжительностью ровно в сутки.
Есть ли у вычислительной гидродинамики ещё какие-то преимущества?
Сегодня многие команды используют «выдувной» диффузор – получают дополнительную прижимную силу, направив поток выхлопных газов в диффузор. Но эти газы очень горячие, потому смоделировать ситуацию в аэродинамической трубе не получится. А вот CFD в этом случае является отличным инструментом, позволяя задать любую температуру, что позволяет добиться большего реализма.
Мы можем предсказать дополнительную прижимную силу и определить, какие части машины из титана или углепластика будут подвергаться самым серьезным термическим нагрузкам. В схожем ключе мы используем CFD и для доработки тормозов. 80% работы, проделанной средствами вычислительной гидродинамики, дополняется продувками в аэродинамической трубе, а еще для 20% результатов CFD это не требуется.
