【技术专栏】什么是CFD？它能做什么？
空气动力学被广泛认为是现代 F1 设计的最关键特征。工程师们经常竭尽全力让赛车的车身更紧凑，或者制造一个能产生更多下压力的尾翼。为了评估设计的可行性，工程师需要一个在一系列操作条件下直接测量和/或模拟其空气动力学性能的方法。我们倾向于将F1空气动力学家的“三位一体”的方法描述为赛道测试、风洞测试和CFD。虽然这些技术中的每一种都很重要，但本文会着重讲述CFD，旨在为一般读者描述这个强大的工具。
CFD（Computational Fluid Dynamics 的缩写）允许空气动力学家在各种操作条件下详细模拟任意几何形状周围的气流。CFD通常被描述为“虚拟风洞”，实际上它是一个独立的实体，与风洞和轨道测试相比具有独特的相对优势和劣势。顺便说一下，用于求解流体流动的控制方程（称为Navier-Stokes方程）已为数学家所熟知近200年了。
困难在于这些耦合的、非线性的、偏微分方程的解是极难求得的，除了最简单的几何形状以外。这就是可以利用应用计算科学的力量来解决工程问题的地方。CFD的核心是旨在通过在整个流体域的特定点处使用大量离散值来表示方程的解，从而以数值方式求解流体流动的控制方程。
为了计算F1车体周围气流的流动，我们首先需要一个定义流体域的体积。也许与直觉相反，这不是赛车所占的体积，而是它周围更广阔区域的“负体积”。为此，我们通常从一个简单的外部形状（例如矩形）开始，将赛车的正几何体放入其中，然后减去两者的交集。
例如，与制造模型相比，适用于赛车的计算机辅助设计 (CAD) 模型通常要简单得多。表面通常会被连接起来，缝隙会被磨平，螺栓、电线和电缆等详细的几何特征可能会被移除，以促进模拟效果。
定义流体域后，将连续体积分解为有限数量的点（或体积）的过程称为“离散化”。这是 F1 CFD 过程中的关键步骤，通常需要花比计算解决方案本身更多的时间和精力。一旦定义了合适的流体体积，离散化的结果就称为“网格”或“方格”。组成网格的简单形状可以变化，但通常是六面体、四面体和一般多面体的某种组合。网格不仅会定位计算解决方案的空间中的特定位置，而且还提供有关要在流体求解器中使用的点之间的连线的必要信息。网格不仅充满了整个流体体积，而且向下延伸到体积中的每个暴露表面，并且可以在“表面网格”中快速可视化，其示例如下所示。
重要的是，网格必须有足够数量的点分布到需要解析关键流特征的区域中。示例包括前轮胎尾流、Y250涡流、后轮胎喷射流和底板前缘的前缘分离气泡。用于数值求解 Navier-Stokes 方程的方案的精确细节超出了本文的范围，但CFD分析的结果是一个完整的求解过程，其中流体的压力、速度、温度和密度可以在流体域中的任何一点确定。
将流量解决方案表示为大量离散值（通常为数亿个点）使我们能够通过分析相关的压力和速度从而非常准确地估计赛车的下压力、阻力和空气动力学平衡等物理量。
模拟真实世界气流流动的一个关键特征是湍流建模。湍流的定义是空间和时间上的混沌速度波动，它会随着壁面摩擦和热传递而增加和混合。尽管湍流乍一看似乎是随机的，但实际上它们具有稳定且定义明确的统计特性。 F1 赛车周围的气流流动以这种湍流为主，从轮胎的尾流到沿着车身表面生长的边界层。任何成功的 CFD 软件包的关键必要条件是能够准确模拟这些湍流及其对下游组件的影响。
湍流是一种固有的不稳定过程，它发生在非常大的长度尺度范围内。为了计算湍流场，需要决定如何模拟不稳定波动的问题。当应用于Navier-Stokes方程时，被称为雷诺平均的过程会向解释这些湍流应力的稳态控制方程添加项。这些Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) 模拟很有吸引力，因为它们相当准确且计算成本非常低。
通过计算完整的非稳态模拟，然后再进行时间平均，可以找到更准确的解决方案。这通常需要对湍流波动进行空间过滤，以直接解析最大尺寸。但使用子网格模型来处理小于网格尺寸的波动影响更好，这称为“大涡模拟”(LES)，比RANS模拟更准确，但成本更高。车队使用这些模拟中的每一个来解决不同类型的空气动力学问题。
CFD 如此强大的原因之一是，与使用风洞或赛道测试相比，它可以测试大量几何形状，以更快、更便宜地评估空气动力学性能。如果并行执行，则可以在几天内模拟出数十个（如果不是数百个）几何体的完整模拟结果，并比较它们的空气动力学性能以找到最佳解决方案。
然而，根据红牛空气动力学工具和方法主管的说法，随着F1成本上限的生效，车队被限制在8周内模拟大约1800个新几何形状（每个工作日大约50个几何形状）。另请注意，此上下文中的“几何”可以表示相同的物理形状，但方向不同。例如，车队可能想了解改变汽车倾角对阻力和下压力的影响，就像2022年底板发生重大变化后的情况一样。CFD 使这个过程相对轻松，相当于简单地修改赛车的俯仰角CAD 模型。
最后，值得注意的是，CFD 可以提供一些有关F1赛车周围空气流动的信息，这些信息无法（甚至在理论上）无法通过风洞测试获得。回想一下，增加下压力的目的是在转弯时提供额外的抓地力。然而，当我们在风洞中测试赛车的比例模型时，我们是在直线上进行测试的，或者充其量我们通过相对于自由流旋转车辆来为汽车提供均匀的偏航（即侧滑）角度。然而，实际转弯的F1赛车在其整个车身长度上并不会经历统一的偏航角。
精确的分布取决于转向几何和前后轴之间的相对滑移，但这绝对不是均匀变化的。考虑该问题的另一种方法是，在风洞中倾斜的F1赛车的尾流直接向后流动，而在实际应用中它沿着赛车的弯曲路径流动。
此外，简单地调整风洞壁的角度以努力复制这种效果会在整个风洞中引入不切实际的压力变化，这在实际行驶中是不存在的。如果整体尾流的轨迹不正确，则可以合理地假设赛车周围流动结构的精细细节也不具有应有的代表性。
CFD在这里可能特别有效，因为赛车转弯的影响实际上可以通过将源项添加到考虑车辆加速度的方程中来正确模拟。在工程术语中，CFD可以比风洞更好地直接解释非惯性对车辆空气动力学设计的影响。这不仅有利于提高稳态转弯机动的模拟精度，而且还可以准确模拟传统困难弯道的空气动力学特征。
那么，什么是CFD？它是一种极其强大的计算工具，可以在广泛的动态操作条件下对复杂几何形状进行快速空气动力学评估。CFD与风洞和赛道测试结合使用，使空气动力学专家能够精确了解这些变化将对下游设计产生的影响，对他们自己的赛车和对周围的其他赛车产生什么影响，从而改进他们的设计。CFD并不是一个可以将所有问题都扔进去的魔盒，但如果使用得当，它可以成为F1空气动力学家最有影响力的工具之一。