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[F1专栏]超级电脑将成F1赛事要角



    空气动力学对F1比赛车辆的重要性早已不亚于引擎和传动系统,但先进的风洞设备不但建构成本高昂、使用成本也让中小型队伍吃不销,在FIA积极推动F1赛事降低比赛费用的大方向下,预料未来实体风洞在F1赛坛的发挥空间将越来越小。刚成立的几支F1新军看準了这个发展潮流,决定大力发展计算流体力学技术,随着超级电脑的成本继续降低,电脑取代实体风洞的那一天不会太远!

    [F1专栏]超级电脑将成F1赛事要角风洞模型的尺寸大小与否与最终测试结果的可信度有很大关连。
    在1960年代以前的F1比赛中,车辆科技水準的高低对比赛结果的影响并不大:只要拥有 (买到) 一颗马力不算小而且性能稳定的引擎,搭配上通常是车手亲自设计的车身、一台F1的参赛车辆就这幺诞生了!在那个年代比赛胜利与否的关键在车手本身、各名次之间的差距也很小!以1969年Jackie Stewart拿下世界冠军的Monza站GP大赛为例:第一到第四名的差距分别为0.08、0.09、0.02秒 (总和只有0.19秒、真难为了裁判)。风洞 (Wind Tunnel)??那是设计战斗机用的玩意、当时的赛车人听都没听过。

    但随着1978年的Lotus车队与1979年的Ferrari车队就率先应用了地面效应 (Ground Effect) 原理后,空气动力学对于F1赛车性能的影响日渐加大。上个世纪80年代后期至90年代初期是各式各样高科技进入F1比赛的高峰期,当时新上任的FIA主席Mosley似乎也鼓励各车队使用这些装置。以1993年车手Alain Prost那辆替他拿下第四座世界冠军的FW15赛车 (Williams车队) 来作为範例,7年前 (80年代中期) 利用风洞进行车身的初期设计已经是所有车队的基本程序、再加上利用电脑进行的Computational Fluid Dynamic运算,如此可以精确地预测出流经车身附近任何一处的空气性质。

    车身内则装置了ABS (防锁死煞车系统,使煞车锁死轮胎的机会降到最低)、TCS (寻迹控制系统,防止后轮发生Spin的现象、使车辆能在弯道中展现100%的加速性能) 与Active Ride System (主动悬吊系统,让车辆在任何时刻都可以保持与地面相同的高度、这可以发挥最佳的空力性能) 这三大系统,更不要提全自动的变速箱与可程式化的辅助煞车系统!此时一位车手与一位电脑操作员已经没有太大的差别。1990年代开始,F1车队开始投入大量金钱于全比例风洞设备,顶级劲旅更拥有不只一座风洞进行24小时全天候运转,希望能比竞争对手更快推出效率更佳的空力套件,当时的F1赛事实质上已成为各队科技团队的竞技场。

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    然而大量使用风洞设备的代价亦不低,顶级风洞的造价都超过一亿英镑,收购二手设备或兴建小型风洞的成本也在3,000~4,000万英镑左右。这还没有算上24小时不停机的营运及员工成本。许多人开始研究是否有风洞实验的替代品?1970年代崛起的半导体科技大幅改变了我们的生活,模拟 (Simulation、指建立数学模型、透过数学运算仿效真实情况) 技术的应用因此更加广泛,在F1世界也不例外。CFD科技就是一例:工程师尝试利用数值方法解出流体力学Navier-Stoke方程式 (流体力学的最高指导原则) 已经有将近100年的历史,这被称之为「虚拟风洞」或是「携带式风洞」的技术在理论上可以提供和真实风洞一样的效果 (甚至更精确),却不必进行打造模型或是养一大堆技师这些複杂手续,假设最近吵的轰轰烈烈的奈米技术可以继续前进、电脑晶片界的「摩尔定律」速度不会减慢,20年后所有的风洞都可以退休。

    [F1专栏]超级电脑将成F1赛事要角对于特殊区域的空气动力效率测试,CFD较传统风洞拥有不少优势。
    CFD技术还有许多发展潜力:风洞技术在近几年虽然取得了稳定的进步,但真实赛车必须在几个不同的维度上转动,车队仍然不能在风洞内模拟赛车在转弯时所受到的真实状况。这就意味着完全理解空力套件和轮胎在过弯的过程,以及对车辆的空力效率的影响是很难达到的目标,加上还要考虑气候和风力的影响以及赛车转弯时滑动的现象会影响车身周围气流的变化。而CFD可用来计算出车辆上某一部分对另一部分所产生的影响,例如前翼的改变会如何影响?车碟盘冷却装置,或者车手的头盔会如何阻挡流入引擎的气流。电脑能够有效预测空气和流体运动的温度,而这对于冷却装置的位置与性能和设要求来说非常重要。

    过去超级电脑因为成本太高只能应用于国防用途,例如军方用超级电脑模拟核武试爆的效能,或者推算战斗机在各种气流中所遭受的压力,但随着硬体成本降低,软体整合数万颗处理器的能力提高,相关应用开始走入民间。以搜索引擎龙头Google为例,该公司拥有的超级电脑平均每秒要处理一万笔搜寻 (一天要处理超过8亿6000万笔搜寻),这台电脑还免费供应Google用户使用2.5G的电子信箱空间 (目前已有超过5000万户申请)。为了放置这台世界上最强大的「超级电脑」 (High Performance Technical Computer) 及解决相关的散热问题,Google另盖了一座四层楼高的冷却塔。根据国际数据资讯 (IDC) 估计,2009年超级电脑的出货量是三年前的2.2倍;而随着出货量的成长,超级电脑平均单价也持续下滑,今年超级电脑的平均单价约为4万2000美元,仅为三年前售价的66%。

    [F1专栏]超级电脑将成F1赛事要角2007年BMW-Sauber车队启用的「Albert 2」超级电脑由512个Intel双核处理器提供动力。
    随着超级电脑的运算能力不断提升,成本却快速降低,过去被视为不可能即时完成的运算任务现在都已成为现实。CFD技术进入F1赛坛的起始可源自1990年代,但受限于当时电脑运算速度、仅能简单分析车身各部为的空气压力,1992年首次出现可处理达到6万个网格 (mesh cell) 的系统,3年后可处理的网格数进步至1百万个。2003年Sauber车队推出的「Albert 1」超级电脑可处理超过3000万个网格。2007年BMW-Sauber车队启用的「Albert 2」超级电脑由512个Intel双核处理器提供动力。它从理论成为现实是由于在过去几年裏电脑性能的飞快进步。它的计算能力是Albert 1的五倍,计算速度也快三倍,它每秒能够进行12,288,000,000,000次运算,单一模拟任务可处理达到1亿个网格 (mesh cell)。Albert 2被认为是当时欧洲工业用途的计算能力最强的电脑,世界排名则是第三名。如果包括全球军事和特殊研究的电脑进行排位,Albert 2仍然可以排到第60位。这对于一款「仅」10米长的超级电脑来说已经非常优秀。

    [F1专栏]超级电脑将成F1赛事要角BMW Sauber车队空气动力总监Willem Toet却认为第二座风洞绝对是时间和金钱的浪费。
    最近刚易主的BMW-Sauber车队是第一支将CFD列为发展重点的F1比赛队伍,当对手们将所有资源投入兴建最先进风洞设备时,BMW Sauber车队空气动力总监Willem Toet却认为第二座风洞绝对是时间和金钱的浪费。明年即将参加F1赛事的Virgin车队科技总监Nick Wirth也抱着相同看法,过去他在设计ALMS系列赛比赛车辆时已证明了CFD技术的潜力:「Acura赛车的奇迹的背后正是电脑模拟和CFD技术,我们选择CFD是因为它便宜而高效。在资金有限的情况下,这项技术相比其他技术而言是最佳的空气动力学解决方案」。长期来看,投入资源在CFD电脑模拟技术可谓明智之举,FIA极力希望减少F1车队预算,实现减少预算的一个方法就是限制F1车队的风洞使用时间,随着超级电脑搭配云端技术,未来整支F1车队的空气动力学实验设备装在一只手提袋内也绝非痴人说梦。