Технологии вычислительной гидродинамики (CFD) – один из основных инструментов, который используют инженеры и конструкторы команд Формулы 1, создавая и модернизируя машины. Технический консультант Marussia F1 Пэт Симондс популярно объясняет суть CFD…
Пэт Симондс: «В природе все системы подчиняются определенным законам физики, и если эти процессы могут быть выражены или смоделированы математически, значит, такие уравнения можно решить, тем самым предсказав поведение объектов.
В Формуле 1, благодаря CFD, мы решаем уравнения, которые определяют режим движения воздушного потока, обтекающего машину. Т.е. это чистая математика. Чтобы получить точный результат, необходимо максимально детально описать поведение потока. Это достигается за счет создания вокруг машины виртуальной сети и решения множества уравнений в каждой ее точке. Для проведения полнопрофильного исследования нужна сеть примерно из 300 млн. точек, окружающих виртуальную модель машины, и для каждой надо решить совокупность уравнений, пока не будет найдено конечное решение.
Другими словами, вычисления производятся вновь и вновь, результаты каждой операции определяют начало следующей, – и так до тех пор, пока не будет получен итоговый результат. Когда он достигнут, считается, что решение выведено. На это требуется от 1000 до 1200 итераций, или, иначе говоря, циклов.
Такого рода задачи могут решаться только с помощью суперкомпьютеров, чья производительность измеряется терафлопами. Компьютер, быстродействие которого равно 1 терафлопсу, может производить 1 триллион операций в секунду. Команды Формулы 1 вооружены системами мощностью от 20 терафлопов. В частности, Marussia F1 располагает вычислительным комплексом, который входит в число 300 самых мощных компьютеров мира.
Команды начали использовать CFD еще в 90-х, но с тех пор все изменилось. Коды, которые применялись тогда, были намного проще, да и таких мощных компьютеров тогда еще не создали. Эта технология помогала оптимизировать работу заднего крыла и использовалась для решения других относительно несложных задач.
Сегодня CFD применяется преимущественно в аэродинамике, но она может пригодиться для описания поведения любого потока. При помощи CFD инженеры изучают поведение охлаждающей жидкости внутри радиаторов системы охлаждения или масла внутри коробки передач, чтобы удостовериться, что все ее зоны правильно смазываются.
CFD даже может использоваться для изучения того, каким образом в топливном баке плещется бензин при движении машины. Моторостроители применяют эту технологию для описания поведения воздуха, который всасывается двигателем, а также характера распределения топливной смеси внутри цилиндров, чтобы определить оптимальные режимы ее воспламенения.
Команды по-разному используют CFD. В основном все расчеты в конечном итоге проверяются в аэродинамической трубе, но при этом технологии вычислительной гидродинамики выполняют вспомогательную роль, помогая разобраться в сути тех или иных процессов. Например, в ходе испытаний в аэродинамической трубе мы видим, что какой-то элемент может способствовать увеличению прижимной силы, но не всегда понимаем, за счет чего. А CFD может показать это весьма наглядно. Наиболее правильный подход – в сочетании CFD и экспериментов в аэродинамической трубе.
При этом CFD – более дешевая технология, чем традиционная работа в аэродинамической трубе. Вопрос лишь в точности результатов, но она постепенно растет, и во времени, которое занимает работа компьютеров. Расчет одной конфигурации может длиться примерно 18 часов, даже если компьютер самый мощный. Для проверки каждого варианта дорожного просвета требуется еще 18 часов, тогда как в аэродинамической трубе полная картина всех вариантов и их вариаций может быть получена за 15 минут».
