Tech

Elköszön a NASCAR a szélcsatornától?

Ez a kis iromány nem a saját tollamból ered, hanem a RaceTech Magazine 2020. decemberi számából, én mindössze a nyelvi konvertálásért felelek, leszámítva a bevezetőt és a záró gondolatokat.

Ez egy kimondottan színvonalas újság, remélem, tetszeni fog a szellemi munkájuk.

Tudom, sokaknak nehéz elhinni, de van élet az autósportban az F1-en kívül is. Persze, az amerikaiak hülyék, 8 lietrből 200 ló, 2000-ben merevhíd, satöbbi. Részben igazat is adok, de azért ne becsüljünk alá senkit sztereotípiákba burkolózva.

A legtöbben például biztosan nem tudják, hogy egy olyan szériában, mint a legtöbb erópai szemében lesajnált NASCAR-ban milyen színvonalú aero munka folyik. Ebbe nyerünk most egy kis betekintést.

A cikk eredeti szerzője, Chris Pickering nyomozott utána a CFD (Computational Fluid Dynamics) sikerének, amely megalapozott néhány óriásölő bravúrt a NASCAR csúcskategóriájában.

52 ezredmásodperc. Ennyi volt a különbség, amivel a JTG Daugherty Racing pilótája, Ricky Stenhouse legyőzte Alex Bowmant a pole-ért vívott harcban az idei Daytona 500-on. Csak hogy képben legyünk, ez egy átlagos pislogás 1/5-öde, mégis örökkévalóságnak tűnik a NASCAR-ban.

A siker a versenyzés ezen szintjén monumentális erőfeszítést követel meg a mérnököktől és a pilótáktól is – ez nagyjából nyilvánvaló mindenki számára. Viszont az valószínűleg nem, hogy mennyire kritikus az aerodinamikai fejlesztés ebben a sorozatban.

 „Egy apró előny hatalmas különbséget jelent a NASCAR-ban. Egy tizedesjeggyel tovább megyünk a lehetőségek és a veszteségek keresésében, mint az IndyCar vagy a Formula-1 mérnökei” – mondja Noah McKay, a D2H Advanced Technologies műszaki igazgatója.

Az angol-amerikai CFD cég a JTG csapattal dolgozik együtt az aerodinamikai részlegen. A Darren Davies által alapított cég Nagy-Britanniában és Észak-Karolinában is üzemeltet irodákat, így munkásságuk nemzetközinek tekinthető, Darren pedig, aki karrierje jelentős részét az F1-ben töltötte, csak ismételni tudja McKay szavait:

„A NASCAR az aero-fejlesztéseket gyorsabban és keményebben presszionálja, mint bármilyen más versenysorozat, amit ismerünk. Kíméletlen ez a terület. A top WEC csapatok talán hoznak egy-két új csomagot szezononként – a NASCAR-ban ez havi kettő, a holtszezonban még gyakoribb. Ennek eredményeként az évad kezdetétől a végéig a top csapatok általánosságban véve nagyjából századnyi előnyt tudnak kiharcolni.”

A D2H egyik CFD szimulációja

Ám a költségvetés közel sem végtelen a NASCAR csapatoknál – legalábbis nem az olyan kisebb alakulatoknál, mint a JTG. Dave Charpentier, a csapat mérnökség vezetője rámutatott, hogy egy olyan szintű CFD-támogatás, mint amit ők a D2H-tól kapnak, nem lenne megoldható egy ilyen kis csapaton belül.

„Ez lehetőséget teremt számunkra, hogy a sokkal nagyobb csapatokéval egyenértékű autókat vigyünk a pályára, noha nekik jóval mélyebb a zsebük.”

Majd hozzátette a D2H gondolataival párhuzamosan, hogy a nagyokat megszégyenítő teljesítmény gyökere a CFD folyamatok alapvető újragondolásában rejlik.

„A CFD hagyományosan egy kicsit második számú fegyver volt” – folytatja Chris Hebert, a D2H aerodinamikai mérnök-igazgatója. „Az F1 és más sorozatok mentalitása, ahol hasonló mennyiségű pénz van, megköveteli a CFD-be invesztált időt és erőfeszítést. Mások viszont egy gyors és megbízhatatlan dolognak látják. Mi elhatároztuk, hogy elhozunk egy Formula-1 szintű folyamatot a kereskedelmi színtérre.”

A munka a CAD adatokkal kezdődik. A háromdimenziós modellek gyakorlatilag a CFD tanulmány alapját adják, sok pici hibával tarkítva. Ezek azok a felületek, melyek nem egészen passzolnak, vagy nemkívánatos rések a geometriában. Egyszerűen hangzik, de még a legjobb CAD tervezők által összeállított modellekben is akadhat folytonossági hiány – főleg, ha a modell bizonyos részeibe utólagos vágások, bővítések kerülnek a dizájn változtatásai során.

A hagyományos magas szintű megközelítés az volt, hogy az erre a feladatra ráállított CFD mérnök, aki végigpásztázza a modellt, kézzel javítja ki ezeket a hibákat. Ez egy időrabló és drága opció.

Alternatív megoldásként egy háromdimenziós „burkot” is rá lehet helyezni a modell felületére, amely segít átlépni a javítási folyamatot, és egyúttal segít felfedni néhány olyan részletet, amik látványosan csökkenthetik a szimuláció pontosságát.

A JTG egyik autója

A D2H saját szoftvert kívánt fejleszteni a CAD ellenőrzési folyamatok automatizálására. Ez persze nem új ötlet, a cég szerint magas szintű CFD tapasztalatok évtizedeit kellett szkriptté alakítani, amely az ellenőrzések több mint 50 különböző típusát képes végrehajtani. Mindemellett igen gyakran frissíteni kell, hogy minden újabb alkalommal lépést tartson az aktuális fejlesztésesekkel.

„A pontos CAD geometria nagyon fontos a CFD számára. Ahogy bármilyen szimulációnál, itt is igaz, hogy ha szemetet dobsz be, akkor az is jön ki a végén” – folytatta Hebert.

„Egy jobb CAD folyamat jobb hálózási lehetőségeket ad, amelynek közvetlen hatása van a szimuláció sebességére és pontosságára egyaránt.”

Ennek okán az egész a CFD matematikai alapjaihoz nyúlik vissza. Ez egyenletek halmaza, melyek egy közös megoldás felé konvergálnak. Egy CFD kód a háló felszínére ad megoldást. Ha ezek jól vannak elhelyezve, akkor a kód megbízható módon képes interpolálni a cellák között – de ha a felosztás torz, akkor az interpoláció összeomlik.

„Amikor deformált hálóelemekkel kell dolgoznod, lassan kell kezd, és győződj meg arról, hogy egyetlen iterációban sem változtatsz túl sokat – ellenben egy tökéletes hálózásnál sokkal agresszívebben haladhatsz előre. Ez az ok, amiért a jó hálózás gyors és jó megoldást képes adni” – jegyzi meg Davies.

Szembetűnő, ahogy a jó minőségű hálózás helyettesítőből általánosan elfogadottá válik gyorsasága és pontossága révén. McKay szerint a cég által használt, 520 millió elemet tartalmazó NASCAR modellt mindössze négy óra alatt megoldotta a szoftver.

Számos erőforrásuk belső termék, beleértve a cég CAD ellenőrző programjukat, de a hálózáshoz a Beta CAE nevű vállalkozás ANSA-ját használják, a megoldószoftver pedig az Ansys Fluent.

A legtöbb projekt esetén a RANS (Reynolds-átlagosított Navier-Stokes) modellt használják, de validációs eljárásokhoz a DES (Örvényleválás-szimuláció) is előkerül alkalomadtán.

„A DES még a mi automatizált rendszerünkkel is 20-szor tovább tart a RANS-nál, szóval rendkívül számításigényes” – folytatja Davies.

A DES-t többnyire arra használjuk, hogy ellenőrizzük, hogy minden működik-e, de a RANS sokkal hatékonyabb.”

Apró előnyszerzés

Ez a módszeres kiállás a CFD mellett segített a cégnek abban, hogy kulcsszerepet játsszanak a JTG NASCAR programjában. A mai, hatodik generációs szabályok szerint a gyártók szabadon homologizáltathatják a saját karosszériájukat, amennyiben a megfelel az előírásoknak. A dizájnt aztán a szélcsatornában a sorozat felügyelői előtt tesztelik, hogy megbizonyosodjanak az aerodinamikai mutatóiról, melyeknek szintén a szabályzat által előírt határértékeken belül kell lennie. Amint jóváhagyták, a homológ verziók elérhetőkké válnak a csapatok számára, akik ezt követően végrehajthatják rajtuk a saját módosításaikat.

A szabály ±150 hülvelyk ezred (±3.8 mm) toleranciát engedélyez a fém felületeken, ±200 hüvelyk ezredet (±5.1 mm) üvegen. Ezeken a határokon belül a csapatok szabadon fejleszthetik az autójukat. Hogy meggyőződhessenek a szabályok tényleges betartásáról, egy, a Hawk-Eye által biztosított 17 kamerás rendszer optikai szkennelést hajt végre minden egyes autón a verseny előtti technikai átvétel során.

A csapatok jellemzően rendelkeznek saját szkenner rendszerrel is, hogy garantálhassák az autó szabályosságát. Noha nem engedélyezett a sík padlólemez, optimalizálhatják az autó aljának, valamint a hajtásnak az aerodinamikai tulajdonságait, mely igen sok potenciált rejt magában.

Ezen folyamatok végeredménye  látványos, főleg, amikor ilyen sok autó ilyen közel száguld egymás mellett 200 mérföld/órás tempóval.

„A pole pozíció megszerzése egy olyan pályán, mint Daytona vagy Talladega, monumentális erőfeszítést kíván az aerodinamikai részlegtől. Kis változtatásokkal óriási különbségeket lehet előidézni, amikor ezredmásodpercnyi különbségek vannak az első és a tizedik helyezett között” – mondja McKay.

„Ilyen tűrések között mozogva az autó számos részének optimalizálásával az évad folyamán legkevesebb 10%-nyi plusz leszorító erőt tudunk találni.”

A sík padlólemez hiányában különösen nagy jelentőségű azon felületek felhasználása, amelyeket módosíthatnak a csapatok annak érdekében, hogy „tisztává” tegyék az autó alatti áramlást. Ez az, amiért a NASCAR autók hálózása olyan sok elemet számlál.

A fej-fej melletti versenyzés szintén új kihívásokat tartogat, kiváltképp a magas leszorító erejű csomagokkal, amelyeket az utóbbi években használtak.

Egy többjárműves CFD szimulációt elég trükkös kiszámítani, de a D2H mérnökei hiszik, hogy képesek voltak az egyetemi példafeladatból gyakorlatban is alkalmazható eszközt készíteni.

„Nagyon elégedettek vagyumk a többautós szimulációinkkal. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy némi visszajelzést adjunk a pilótának arról, hogy hogyan kezelje a különböző versenyhelyzeteket. Példának okáért felvehet egy jobb pozíciót egy előzéshez” – teszi hozzá McKay.

Egy másik szokatlan  kihívás a NASCAR-ban a pályák kialakítása. A hosszan elnyújtott kanyarok miatt az autók szinte állandó értékű dőlésszögben  haladnak (relatív értelemben) a kör túlnyomó részén, gyakran a falhoz hajmeresztően közel. Ennélfogva a járművek alapból erősen aszimmetrikusak. Ez mind olyan paraméter, mely teljesen mássá teszi az areodinamikai teljesítmény meghatározását, mintha egy normál úton haladó, szimmetrikus autót vizsgálnánk.

Szabályváltozások

Az utóbbi 4-5 évben szabályváltozások garmadája söpört végig a NASCAR-on, elsődlegesen a sorozat szórakoztató értékét szem előtt tartva. Ezek a módosítások folytonos aktivitásra késztették az aero-mérnököket, mégpedig olyan elhanyagolható változtatásokkal, mint a hátsó szárny és a splitter magasság, amivel az autó minden egyes elemére hatással voltak.

„A karosszéria és a padlólemez több száz különböző jellemzőt foglal magában, amelyek csak azért felelősek, hogy javítsák az aerodinamikai teljesítményt” – mondja McKay.

„Nem ismeretlen számunkra a jelenség, amikor mindent le kell szerelnünk az autóról egy új szabály miatt. Például az idei szezon közepén a NASCAR szabályalkotói úgy döntöttek, hogy kell egy nyílás a jobb első ablakba, azért, hogy a pilótát jobban hűtse a légáram. Ez egy masszív aerodinamikai változtatás, főleg nagy dőlésszög esetén.”

Mostanság van egy logisztikai jellegű változtatás is, mely nagymértékben lecsökkenti a megengedett szélcsatornás tesztek mennyiségét. Ez sokkal nagyobb nyomást helyez a CFD mérnökökre, de egyúttal azt is demonstrálja, hogy meddig juthat ez a technológia.

„Pont akkor gondoltuk újra a CFD megoldásainkat, amikor szó szerint a szélcsatorna helyettesítésének váltópontjánál vagyunk” – folytatja McKay.

„Ez várható volt ebben az évben, hiszen a COVID-19 krízis miatt rengeteg szélcsatorna eleve zárva tart. Jelenleg csak a pályán nézheted meg, hogy hogyan működik az autód. Ez sokakat arra ösztönöz, hogy feltegye a kérdést: vajon vissza kellene-e menni, amikor újra kinyitnak?”

Nem felejtette el megemlíteni, hogy a JTG csapat idei pole-ja Daytonában karrierje egyik legszebb pillanata volt. És hogy mennyire nem csak a szerencsén múlt ez az eredmény, mi sem bizonyítja jobban, mint a júniusban, célfotóval elért második hely Talladegában.

Ebből is látszik, hogy egy olyan bajnokságban, ahol század- vagy ezredmásodpercek döntenek, kis változtatások is hatalmas különbségekhez vezetnek.

Mindig élmény számomra ezt a folyóiratot böngészni, amikor hozzájutok.

Ugyanakkor aki még nem találkozott alkalmazott áramlástannal, annak néhol kínai lehetett ez az olvasnivaló.

Azoknak, akik ezek közül nem zárták be azonnal a cikket, és eljutottak eddig, ajánlom figyelmébe Dr. Feszty Dániel tanár úr munkásságát, akit innen is üdvözlök.

Gyorstalpalónak pedig itt egy videó a CFD-ről, de ehhez indokolt némi angol tudás is.

Ha tetszett a írás, és szeretnél gyakrabban ilyeneket látni, akkor támogass a Patreonon, hogy előfizethessek a magazinra. Ja, és like, megosztás, ajánld az ismerősöknek, vízipipa, kerti slag.

Facebook

Patreon 

Forrás:

RaceTech Magazine, December 2020 Issue 241, page 24-28.

Kapcsolódó cikkek

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.

'Fel a tetejéhez' gomb