Wie wird CFD in der Formel 1 verwendet?

Computational Fluid Dynamics (CFD) wird in der Formel 1 eingesetzt, um zu simulieren, wie Luft um ein Auto strömt. So können Teams die aerodynamische Leistung optimieren, bevor ein einziges Teil physisch gebaut wurde. Durch die digitale Modellierung des Luftstroms können Ingenieure Abtrieb, Luftwiderstand, Kühlung und Turbulenzen an jeder Oberfläche des Autos analysieren. Dies ermöglicht es ihnen, Komponenten zu verfeinern, Konzepte zu vergleichen und datenbasierte Entscheidungen schneller und effizienter zu treffen als allein durch physische Tests.

In der Praxis ersetzt CFD viele Windkanaltests in der Anfangsphase, indem es Aerodynamikern erlaubt, virtuelle Experimente durchzuführen. Ingenieure teilen den Raum um das Auto in Millionen Zellen auf und wenden dann Gleichungen an, die das Verhalten von Flüssigkeiten beschreiben, insbesondere die Navier-Stokes-Gleichungen. Diese Berechnungen zeigen, wie sich Luft über Flügel, den Unterboden, Aufhängungselemente und selbst innerhalb von Bremskanälen oder Kühlern verhält.

Indem Teams verstehen, wie diese Druck- und Geschwindigkeitsänderungen die Fahrzeugleistung beeinflussen, können sie Komponenten formen, um den Grip zu erhöhen, den Luftwiderstand zu senken und die Effizienz zu maximieren – und das alles innerhalb der strengen Entwurfs- und Testvorgaben der FIA. Kurz gesagt, CFD ist die Grundlage der modernen aerodynamischen Entwicklung in der Formel 1.

Mit einer Analyse von Melbet, bei dem Strategie, Präzision und Leistung ebenfalls eine wichtige Rolle spielen, schauen wir uns an, wie CFD jedes Element des Formel-1-Autodesigns beeinflusst…

Die Wissenschaft hinter CFD

Im Kern basiert CFD auf der Navier-Stokes-Gleichung, einem mathematischen Modell, das beschreibt, wie sich Flüssigkeiten – wie Luft – bewegen. Die Gleichung wurde im 19. Jahrhundert entwickelt und berücksichtigt Impuls-, Energie- und Massenerhaltung. Praktisch nutzbar wurde sie erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts, als Fortschritte in der Rechentechnik es ingenieuren ermöglichten, sie numerisch zu lösen.

CFD funktioniert, indem die Luft um ein Auto in ein dreidimensionales Gitter, bestehend aus Millionen von Zellen, unterteilt wird – ein Prozess namens Meshing. Jede Zelle erhält Werte für Druck, Temperatur und Geschwindigkeit. Die CFD-Software verwendet dann numerische Methoden, um zu berechnen, wie sich diese Werte mit der Zeit und im Raum verändern. Diese Simulation produziert ein detailliertes Modell, wie die Luft um und durch die Oberflächen und internen Komponenten des Autos strömt.

Diese Modelle werden nicht analytisch gelöst – das heißt, es gibt keine einfache Gleichung für das gesamte Auto. Stattdessen wird jeder Teil des Strömungsbereichs durch iterative Prozesse berechnet, die sich schrittweise einem stabilen, brauchbaren Ergebnis nähern. Selbst mit modernen Hochleistungsrechnern erfordern vollständige Simulationen von Rennszenarien Vereinfachungen wie Turbulenzmodelle oder stationäre Annahmen, damit sie in einem praktikablen Zeitrahmen abgeschlossen werden können.

Das Verständnis dieses Strömungsverhaltens ist in der Formel 1 entscheidend, wo selbst kleine aerodynamische Verbesserungen messbare Zeiteinsparungen auf der Runde bringen können. CFD hilft Ingenieuren vorherzusagen, was passieren wird – nicht nur, welche Kräfte auf das Auto wirken, sondern auch warum sie auftreten. Etwas, das physische Windkanaltests nicht immer zeigen können.

Die Geschichte von CFD in der Formel 1

Computational Fluid Dynamics (CFD) begann Anfang der 1990er Jahre, die Designprozesse der Formel 1 zu beeinflussen, anfangs als ergänzendes Werkzeug zu herkömmlichen Windkanaltests. Eine der frühesten dokumentierten Anwendungen kommerzieller CFD-Software im F1 war durch das Benetton-Team 1993 in Zusammenarbeit mit Fluent Europe, wobei frühe Versionen der Fluent-Software verwendet wurden, um den Luftstrom über Komponenten wie Heckflügel zu simulieren. Zu einer Zeit, in der CFD noch hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt verwendet wurde, trug Benetton dazu bei, das Potenzial im Motorsport zu demonstrieren, indem das Team es unter realen Entwicklungsbedingungen einsetzte.

Mit dem Fortschritt der Rechenleistung weiteten die Teams die Nutzung von CFD über einfache zweidimensionale Analysen auf komplexere dreidimensionale Simulationen aus. Bis Mitte der 2000er Jahre wurden Vollwagensimulationen zunehmend üblich, wodurch Ingenieure den Luftstrom über komplexe Geometrien wie Bargeboards, Diffusoren und Aufhängungskomponenten untersuchen konnten. Diese Entwicklung ermöglichte es Teams, Designkonzepte unter dynamischen Bedingungen zu testen, ohne sofort physische Prototypen benötigen zu müssen.

Ein bedeutender Meilenstein wurde 2010 erreicht, als Virgin Racing das VR-01 vorstellte – das erste Formel-1-Auto, das ausschließlich mit CFD entwickelt wurde, ohne traditionelle Windkanaltests. Dieser Ansatz unter der Leitung von Technikdirektor Nick Wirth und seiner Firma Wirth Research war ein mutiger Schritt, um das Potenzial von CFD in der Fahrzeugentwicklung zu demonstrieren. Trotz dieser innovativen Strategie hatte das Team mit Herausforderungen zu kämpfen, darunter Probleme mit der Tankkapazität und der Gesamtleistung, was in späteren Saisons zu einer Neubewertung des Entwicklungsansatzes führte.

2009 führte die Fédération Internationale de l’Automobile (FIA) die Aerodynamischen Testbeschränkungen (ATR) ein, die die Nutzung von Windkanälen und CFD-Verarbeitungsstunden einschränkten, um Kosten zu senken und das Wettbewerbsniveau zwischen den Teams auszubalancieren. Diese Vorschriften führten zu einer verstärkten Abhängigkeit von CFD für die aerodynamische Entwicklung und machten es zu einem festen Bestandteil des Designprozesses aller Teams.

Heute ist CFD ein fundamentales Werkzeug in der Formel 1 und wird von allen Teams umfassend eingesetzt, um die aerodynamische Leistung im Rahmen der FIA-Vorgaben zu optimieren. Die Technologie hat sich von einem ergänzenden Tool zu einem zentralen Bestandteil der Fahrzeugentwicklung entwickelt und spiegelt ihre entscheidende Rolle in der fortlaufenden Suche der Formel 1 nach Effizienz und Geschwindigkeit wider.

Warum CFD im modernen F1-Autodesign entscheidend ist

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Übersetzung aus dem englischen Artikel “How Is CFD Used In F1?“