Superdatorn kör om vindtunneln

2008-04-01 23:00  
Renaults Formel 1-bil R28

Efter en usel säsong 2007 satsar Renault på Formel 1-världens kraftfullaste datacenter för aerodynamiska beräkningar. Det ligger i tiden. Ändå dröjer det minst 50 år innan datorn helt kan ersätta vindtunneln.

Bara en enda pallplats på hela säsongen, efter att ha blivit världsmästare två år i rad. 2007 innebar ett rejält misslyckande för Renault i Formel 1.

Och som ett slags erkännande över att året redan var förlorat, avslöjade Renault i slutet av juli, mitt under pågående säsong, den satsning som ska rädda årets insatser – ett datacenter för strömningsmekaniska beräkningar, för 300 miljoner kronor.

CFD, eller Computational Fluid Dynamics som det heter, kräver rejäla datorer. Renaults nya superdator landar ungefär på plats 27 bland världens kraftfullaste, och blir den vassaste i F1-världen.

För Renault var alternativet att investera belopp i samma storleksordning i en andra vindtunnel, för att få ordning på bilarnas aerodynamiska egenskaper. Så har många andra F1-stall gjort.

Och Renault anser alltså att en riktigt kraftfull satsning på beräkningar är mer produktiv.

– Traditionellt har 90 procent av vår utveckling inom aerodynamik gjorts genom tester i vindtunnel. Vi femfaldigar kapaciteten inom CFD och det kommer nu att öka beräkningarnas bidrag från nuvarande tio till åtminstone 50 procent, säger Bob Bell, teknikchef för Renaults F1-stall, till tidningen HPC Wire.

Dessutom kommer superdatorn att användas för CFD-beräkningar inom alliansen mellan Renault och Nissan.

Satsningen får godkänt av experter.

– Det här ligger i tiden tycker jag. CFD har fått en renässans de senaste fem åren, säger Dan Henningson, professor i strömningsmekanik vid KTH i Stockholm.

Att göra databeräkningar inom strömningsmekanik är i och för sig inte nytt. Flygindustrin och universiteten började redan på 70-talet, och bilindustrin har hållit på sedan omkring femton år.

– Beräkningsmetoderna har länge behövt kalibreras mot experiment, och därför har det varit svårt att få ut precisa tal, men nu börjar man få det, säger Dan Henningson

Trots dagens enorma beräkningskapacitet är det mycket man ännu inte kan räkna ut.

– Det aerodynamiska motståndet hos en bil eller ett flygplan är till exempel fortfarande en för känslig kvantitet som kräver för hög noggrannhet. Jag skulle gissa att det blir minst tio till femton procent fel.

Problemet är de minsta virvlarna i turbulent strömning. Och det är ingenting som datorerna rår på inom kort.

– Man behöver många, många storleksordningar kraftfullare datorer. Det finns uppskattningar om att det med Moores lag – fördubblad datakraft var 18:e månad – säkert dröjer 50 år innan man kan räkna ut det hela och slippa göra experiment, säger Dan Henningson.

Vissa detaljer kan man ändå räkna alldeles tillräckligt noggrant på redan i dag, exempelvis trycket på vingarna som ger den stabiliserande nedåt kraften på bilen, och på det sättet kan man förfina modeller som sedan testas i vindtunneln.

Men det finns en annan fördel som kanske är direkt avgörande.

– Man kan se strömningen överallt, medan man med experiment bara kan mäta på några få ställen. Man får då en förståelse och känsla för hur det egentligen ser ut – vart tar den här luften vägen som vi ville skulle kyla? Är den på väg ner mot bromsarna eller sticker den största delen i väg någon annanstans under bilen? säger Dan Henningson.

En enkel ekvation med snåriga lösningar

Navier-Stokes ekvation, som beskriver all strömning i gaser och vätskor, är känd sedan 1820-talet. Förenklat är det Newtons andra lag - kraften är massan gånger accelerationen - tillämpad på små, små utsnitt av vätskor eller gaser.

Knepet man tar till, med hjälp av datorns råa kraft, är att dela upp vätskan eller gasen i små pyramider eller fyrkantiga block, och lösa ekvationen inuti varje block, med hänsyn till alla de andra blocken.

När man gör blocken små rusar behovet av datakraft snart i höjden. Ett speciellt fenomen inom strömning - gränsskikt - kräver mycket små block. Millimetrarna närmast en F1-bil, till exempel. På ytan är strömningen noll, medan den är omkring 300 km/h bara några millimeter ut. Här finns det massor med små, små virvlar som har stor betydelse för det sammanlagda motståndet.

Sedan slutet av 1980-talet kan man räkna ut strömningen korrekt in i minsta detalj för enkla geomterier.

I mer verkliga fall tar man till knep som Les, Large Eddy Simulation. Man räknar ut de största virvlarna exakt, medan man approximerar de minsta med en typmodell.

Ju mindre virvlarna som man räknar ut är, desto större blir noggrannheten.

Fortfarande dröjer det årtionden innan man kan räkna ut det totala aerodynamiska motståndet för en bil eller ett flygplan.

För att nå dit krävs både ökad datakraft, bättre matematiska metoder och bättre fysikaliska modeller för de små virvlarna.

Mats Lewan

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt