Przewodnik Renault po CFD dla początkujących

Zespół Renault w swojej ostatniej audycji podcast przybliżył fanom wirtualny świat Obliczeniowej Mechaniki Płynów (CFD - Computational Fluid Dynamics przyp. red.) w Enstone.

Co to jest CFD od strony naukowej?

CFD jest wykorzystywane w celu wymodelowania przepływu płynu w programie komputerowym. (Należy tu nadmienić, iż z punktu widzenia fizyki powietrze jest płynem o specyficznej dla siebie gęstości i lepkości. Płynem jest każda substancja, która może płynąć, tj. dowolnie zmieniać swój kształt w zależności od naczynia, w którym się znajduje, oraz może swobodnie się przemieszczać (przepływać), np. przepompowywana przez rury.
Pojęcia płynu nie należy utożsamiać tylko z cieczą, gdyż płynami są nie tylko ciecze, ale także wszystkie gazy, a nawet takie mieszaniny różnych faz fizycznych jak piana, emulsja, zawiesina i pasta.
Podstawową, mierzalną cechą płynów jest ich lepkość czyli miara oporu wewnętrznego jaki stawia płyn poddawany naprężeniom ścinającym zmuszającym go do przepływu. Lepkości z kolei nie należy mylić z gęstością, co jest powszechne w języku potocznym. przyp. red., wikipedia)
Przepływ wokół bolidu F1 jest bardzo skomplikowany, więc korzystamy z CFD, aby pomóc nam zrozumieć, jak on wygląda. Tunel aerodynamiczny może zasymulować obciążenia i siły, ale w zasadzie nie można zbyt dobrze uwidocznić przepływu. Więc kiedy montujemy nową część w bolidzie, możemy dokładnie zobaczyć w tunelu albo w CFD, jak strugi przepływu wchodzą w interakcję z pozostałą częścią bolidu. To pozwala nam lepiej rozwijać bolid, gdyż możemy zobaczyć, czy zamontowany komponent uzyskuje pożądane rezultaty. Jeśli nie, to możemy wprowadzić pewne zmiany i spróbować osiągnąć to, co jest naszym celem.

CFD czy tunel aerodynamiczny - co jest pierwsze?

Zazwyczaj najpierw jest CFD. Sprawdzamy nowe pomysły, koncepcje i kierunki w CFD, i jeśli wyglądają tam dobrze, to sprawdzamy je w tunelu aerodynamicznym. Do tunelu aerodynamicznego idziemy z większym zrozumieniem tego, jak działają te komponenty, dzięki czemu możemy wydobyć z nich większe korzyści. Jeśli chodzi o dokładność CFD, to jest ona ograniczona i można odkryć w CFD coś, co wygląda obiecująco, a podczas testów w tunelu nie jest tak dobre. CFD nie jest tak dokładnym przyrządem, jak tunel, ponieważ musimy wprowadzić założenia dotyczące równań, które rządzą przepływem płynów wokół bolidu, co pozwala nam zająć się modelami CFD w rozsądnym czasie. Tak więc CFD może dostarczyć znacznie więcej informacji niż tunel aerodynamiczny, ale nie jest to tak dokładne i dlatego właśnie te dwa przyrządy bardzo dobrze uzupełniają się nawzajem.

Ile czasu potrzeba, aby przeprowadzić symulację CFD?

Jeśli weźmiemy pod uwagę nowe przednie skrzydło, aerodynamik CFD przygotowuje schemat nowego kształtu skrzydła, co prawdopodobnie zabiera pół dnia przy wykorzystaniu metody CAD (komputerowe wspomaganie projektowania). Następnie używa się kolejnego pakietu komputerowego do stworzenia siatki geometrii, co zabiera kolejne pół dnia. Później dołącza to do zbioru, a następnie zazwyczaj sprawdzamy to podczas symulacji pełnego modelu, na co potrzeba kolejnych 16 godzin. Naszym celem jest zakończenie prac w ciągu 24 godzin, zanim uzyskamy wyniki.

Jakie są niektóre inne korzyści CFD?

Dzisiaj wiele zespołów wykorzystuje dmuchane podłogi, które kierują spaliny bolidu na dyfuzor, aby wygenerować docisk aerodynamiczny. Ale przez to, że spaliny są tak gorące, tak naprawdę nie można tego dokładnie sprawdzić w tunelu aerodynamicznym. Niemniej jednak, CFD jest idealnym narzędziem do tego celu, ponieważ można przeprowadzić symulację z dowolnymi temperaturami, więc jest to bardziej realistyczne. Możemy przewidzieć dodatkowy docisk aerodynamiczny i określić, które części bolidu będą narażone na wysokie temperatury i będą musiały być wykonane z odpornego na wysoką temperaturę karbonu lub tytanu. W podobny sposób wykorzystujemy CFD do rozwoju naszych układów hamulcowych. 80% pracy CFD uzupełnia tunel aerodynamiczny i zostaje 20%, gdzie CFD działa samodzielnie.

Źródło: RenaultF1.com