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CFD 是什麼?1999/4/13

大家講到“虛擬F1”時通常不是代表在說PC-game的 Grand Prix 2,不然就是在講接近真實狀態的模擬訓練裝置。但是說實在,最棒最先進的“虛擬F1”其實是出現在GP車隊設計辦公室裡面,由超強電腦所工作站運轉下的所謂的CFD(computational Fluid Dynamics,數值流力)。

空氣動力在一級方程式上的設計通常是最令設計師頭痛的事,特別是那些小車隊。因為為了製作新底盤用來測試的元件不只極其昂貴,也耗時宕日。有了一套CFD,零件可以不必真的把它做出來就能依步調繼續測試。

這些用來測試的元件由CFD一連串階段所精確構築 - 第一件事就是----設計,然後是問題切中的精準度模擬結果的分析。真正系統的天才是睡在電腦深處,那是一種只可供超強電腦運算複雜的數值型式,雖然此處稍嫌複雜與無趣,不過越真實的程序是越有意思。

真正的CFD會以設計來開始它的流程(前面講過),有了概念,就可以在螢幕上展開傳統電腦輔助設計,或先畫出幾何模型 - 例如襟翼或輪胎。同時,處理器會計算複雜的格點和流動情形,相當於風洞中氣流的流動。程序的下一個階段是微分格點,意思就是把襟翼分割成極小元素,讓物件看起來就像由點和點組成(註:有限元素法)。在這個階段,問題(計劃)的邊界條件必須控制,這樣流動分析的結果才能正確。接下來,流體的性質會先被叫進來,也就是說會有一大堆數值運算交給電腦處理以期得到最終模型。這是整個程序最重要的部分,因為它顯示了氣流是怎樣流經物件。這樣代表了目的已經達到模擬可以執行,和在風洞中進行測試是一樣的,只是在此處不需要碳纖來構築物體,也沒有昂貴的風洞操作計費。

要看物體是有沒有效果,就是用速度向量(另一個講法就是氣流)來測試,可以由空氣力學專家來回操作已獲得想要的結果,這包括了重新改變外形(在規則下),或像是尾翼可以改變主阻力面角度。

完成的結果可以立刻加以應用,並用在構築賽車身上。完成後,空氣力學專家會帶著它給製造團隊,然後他們會開始經由工程圖學構築這個元件。

已知目前應用範圍不僅是做和風洞實驗一樣的過程,也可以透過它做撞擊測試和嚴格的強度分析,全部都不用離開電腦。