Hoe wordt CFD gebruikt in F1?

Computational Fluid Dynamics (CFD) wordt in de Formule 1 gebruikt om te simuleren hoe lucht om een auto stroomt. Dit helpt teams om de aerodynamische prestaties te optimaliseren voordat er ook maar één onderdeel fysiek is gebouwd. Door luchtstroming digitaal te modelleren, kunnen ingenieurs neerwaartse kracht, luchtweerstand, koeling en turbulentie analyseren over elk oppervlak van de auto. Zo kunnen ze componenten verfijnen, concepten vergelijken en sneller en efficiënter besluitvorming op basis van data nemen dan met alleen fysieke tests.

In de praktijk vervangt CFD veel vroege windtunneltests door aerodynamici in staat te stellen virtuele experimenten uit te voeren. Ingenieurs verdelen de ruimte rond de auto in miljoenen cellen, en passen vervolgens vergelijkingen toe die het gedrag van vloeistoffen beschrijven, specifiek de Navier-Stokes-vergelijkingen. Deze berekeningen onthullen hoe lucht zich gedraagt over vleugels, de vloer, ophangingselementen en zelfs binnenin remkanalen of radiatoren.

Door te begrijpen hoe deze druk- en snelheidsveranderingen de prestaties van de auto beïnvloeden, kunnen teams componenten vormgeven om meer grip te creëren, luchtweerstand te verminderen en efficiëntie te maximaliseren—alles binnen de strikte ontwerp- en testbeperkingen van de FIA. Kortom, CFD vormt de basis van moderne aerodynamische ontwikkeling in de F1.

Met analyse van Melbet, waar strategie, precisie en prestaties ook de ervaring definiëren, duiken we nu in hoe CFD elk element van Formule 1-autodesign beïnvloedt…

De wetenschap achter CFD

De kern van CFD is de Navier-Stokes-vergelijking, een wiskundig model dat beschrijft hoe vloeistoffen—zoals lucht—bewegen. De vergelijking werd ontwikkeld in de 19e eeuw en houdt rekening met behoudswetten van momentum, energie en massa. Pas in de tweede helft van de 20e eeuw werd het praktisch bruikbaar dankzij vooruitgang in computertechnologie, die ingenieurs in staat stelde om de vergelijking numeriek op te lossen.

CFD werkt door de lucht rond een auto te verdelen in een driedimensionaal rooster, bestaande uit miljoenen cellen—ook wel meshing genoemd. Elke cel krijgt waarden toegewezen voor druk, temperatuur en snelheid. De CFD-software gebruikt vervolgens numerieke methoden om te berekenen hoe deze waarden zich over tijd en ruimte ontwikkelen. Deze simulatie genereert een gedetailleerd model van hoe lucht stroomt over en door de oppervlakken en interne componenten van de auto.

Deze modellen worden niet analytisch opgelost, wat betekent dat er geen eenvoudige vergelijking voor de volledige auto bestaat. In plaats daarvan wordt elk deel van het vloeistofdomein berekend via iteratieve processen die geleidelijk naar een stabiel, bruikbaar resultaat toewerken. Zelfs met moderne HPC-technologie vereisen grootschalige simulaties van racescenario’s vereenvoudigingen zoals turbulentie- of stationair aannames om binnen een praktisch tijdsbestek afgerond te worden.

Het begrijpen van dit stromingsgedrag is essentieel in de F1, waar zelfs kleine aerodynamische verbeteringen meetbare tijdswinst kunnen opleveren. CFD helpt ingenieurs te voorspellen wat er gaat gebeuren—niet alleen welke krachten op de auto inwerken, maar ook waarom. Dit is iets dat fysieke windtunneltests niet altijd kunnen aantonen.

De geschiedenis van CFD in de Formule 1

Computational Fluid Dynamics (CFD) begon in het begin van de jaren 90 invloed te krijgen op het ontwerp in de Formule 1. Het werd in eerste instantie gebruikt als aanvullend hulpmiddel voor traditionele windtunneltests. Een van de eerste bekende toepassingen van commerciële CFD-software in F1 was door het Benetton-team in 1993, in samenwerking met Fluent Europe. Early Fluent-versies werden gebruikt om luchtstroming over onderdelen zoals achtervleugels te simuleren. In die tijd was CFD nog grotendeels een aerospace-tool, maar Benetton toonde de potentie in motorsport aan door het toe te passen in de raceauto-ontwikkeling onder realistische beperkingen.

Naarmate de rekenkracht toenam, gingen teams CFD gebruiken voor meer complexe driedimensionale simulaties. In het midden van de jaren 2000 werden volledige autosimulaties gebruikelijker, waarmee ingenieurs luchtstroming over ingewikkelde geometrieën konden analyseren, waaronder bargeboards, diffusers en ophangingsonderdelen. Deze evolutie stelde teams in staat om ontwerpsconcepten onder dynamische omstandigheden te evalueren zonder direct fysieke prototypes nodig te hebben.

Een belangrijk moment kwam in 2010, toen Virgin Racing de VR-01 introduceerde: de eerste F1-auto die volledig met CFD werd ontworpen, zonder traditionele windtunneltests. Deze aanpak, geleid door technisch directeur Nick Wirth en zijn bedrijf Wirth Research, was baanbrekend en bedoeld om de mogelijkheden van CFD onder de aandacht te brengen. Hoewel innovatief, had het team wel te kampen met uitdagingen zoals brandstoftankcapaciteit en prestaties, wat leidde tot een herbeoordeling van hun ontwikkelingsmethode in latere seizoenen.

In 2009 voerde de Fédération Internationale de l’Automobile (FIA) Aerodynamic Testing Restrictions (ATR) in. Hiermee werden windtunnelgebruik en CFD-verwerkingstijd beperkt om kosten te verlagen en de competitie tussen teams in balans te brengen. Door deze regelgeving steeg het belang van CFD als vast onderdeel van het ontwerpproces in de hele grid.

Vandaag de dag is CFD een essentieel hulpmiddel in de Formule 1, dat door alle teams intensief wordt gebruikt om aerodynamische prestaties te optimaliseren binnen de grenzen van FIA-regelgeving. Wat ooit een aanvullend hulpmiddel was, is nu een cruciaal onderdeel van het autodesignproces geworden—en weerspiegelt zijn belangrijke rol in de voortdurende zoektocht naar efficiëntie en snelheid.

Vertaling uit het Engelse artikel “Hoe wordt CFD gebruikt in F1?“