Nebudu již zmiňovat technická pravidla - to, co se smí a co ne. Veškeré změny, které se týkají testování v aerodynamických tunelech v roce 2014, jsem podrobně rozebíral v jednom z dřívějších článků, který naleznete zde.
Pryč jsou již doby, kdy se týmy snažili zvýšit Reynoldsovo číslo pomocí zvyšování hustoty tekutin (resp. proudícího vzduchu natlakováním tunelu), foukání rychlostí 70 m/s na vůz skutečné velikosti, testování ve dvou či třech tunelech najednou a práce ve dne v noci po celý týden. Neustále restrikce se aerodynamikům nelíbí, na druhou stranu musíme připustit, že bez přijetí nějakých omezení by týmy spáchaly finanční sebevraždu.
Konstantní rychlost, Reynoldsovo číslo
Testování v tunelu probíhá za pevné rychlosti větru (dle pravidel max. 50 m/s), což má za následek to, že jakákoliv změna aerodynamických mechanismů, která je spojena s variací Reynoldsova čísla, není správně zaznamenána.
Jenom krátce k Reynoldsovu (Re) číslu, kterým se oháním a které je pro aerodynamiky tak důležité: jde o bezrozměrnou veličinu charakterizující chování proudící tekutiny. Číslo je přímo úměrné rychlostí vynásobenou hustotou tekutiny a délkou (resp. poloměrem trubice) a nepřímo úměrné viskozitě. V podstatě tedy vyjadřuje poměr mezi setrvačnými silami a vlivem viskozity působícími na obtékaném povrchu. Z jeho hodnoty lze například usoudit, zda bude proudění laminární či turbulentní.
Při dané geometrii jsou si dvě prostředí fyzicky podobná (ale ne pouze) tehdy, pokud jsou stejná jejich Reynoldsova čísla - ta navíc musí být vyšší než určitá kritická hodnota, aby některé základní mechanismy byly podobné.
Závodní vozy zažívají velkou škálu Reynoldsových čísel v důsledku promělivé rychlosti, co se zkrátka nedá napodobit v tunelu, kde maximální Reyonldsovo číslo tak akorát odpovídá stavu pro vyzkoušení většiny strategických podmínek.
To znamená, že několik efektů závislých na Reynoldsově číslo - např. tloušťka mezní vrstvy, změna proudění a jeho separace - nemohou být perfektně napodobeny, pokud se snažíte přesně simulovat všechny závodní podmínky (existují sice některé triky, jde však jen o částečná řešení, jejichž řízení není nejjednodušší).
V aerodynamickém tunelu Mercedesu (foto: Mercedes AMG F1 Team)
Když jsme ještě u rychlosti, je třeba pečlivě zvážit setrvačnost tekutiny, která ovlivňuje vůz při prudkých změnách rychlosti - například při tvrdých brzdných manévrech, kdy rychlost během několika sekund klesne o více než 200 km/hod. Při zpomalování proudící struktury v podstatě kolidují s vozem, a proto mění chování choulostivých prvků - např. zadního křídla a difuzoru - ve srovnání s jejich chováním při neměnné rychlosti v tunelu.
Rychlé pohyby vozu se v něm také těžko napodobují. Když si pro znázornění vezmeme opět prudké brzdění, těžko se napodobuje přenos sil a progresivní ztráta přítlaku, když se vůz nakloní dopředu a jeho světlá výška klesá. Setrvačnost tekutiny stojí za velmi složitými mechanismy, které dokáží dramaticky změnit například chování přísavného efektu, což se v tunelu moc předvádět nedá. Podobné to je i s prudkými změnami směru, které způsobují rychlé klopení šasi, nebo rychlé změny kinematiky zavěšení či deformace pneumatik.
Vibrace a ohebnost dílů
Jednotlivé části vozu se v průběhu kola neustále prohýbají, což je pěkně vidět z krásných zpomalených záběrů, které režie v poslední době nabízí. Je na nich dobře vidět, jak odpružené a neodpružené součásti vozu vzájemně oscilují podle v určité frekvenci. Každá struktura reaguje na jakýkoliv externí podnět - hrboly, obrubníky, přenosy hmotnosti atd.
Aerodynamika vozů F1 je pohyby těchto částí pochopitelně ovlivňována - periodicky se mění úhel náběhu a množství vzduchu, které je k dispozici. Přitom také "podmáčejí" auto - mění se vrstva vzduchu mezi podlahou a vozovkou.
Prohýbání komponent vozu je pro inženýry další výzvou. Porozumět aerodynamickému chování strategických dílů závislých na zatížení je důležité. Komponenty jsou dle pravidel tuhé, ale nemohou být tuhé nekonečně, proto se přední a zadní křídlo, deflektory ve spodní části, tenká zařízení či bočnicové panely při zatížení deformují.
Průhyby jsou funkcí aerodynamických sil, proto ve své podstatě závisí na rychlosti vozu a/nebo světlé výšce. Aby tomu testování v tunelu odpovídalo, museli by týmy navrhnout každou část modelu se stejnou flexibilitou a modulovat rychlost vzduchu. Kvůli náročnosti a obtížím popsaným výše u Reynoldsova čísla s tím proto moc času neztrácejí.
Největší obtíže jim přitom působí pneumatik, jejichž testováním v aerodynamickém tunelu jsem se podrobně zabýval v článku "Pneumatiky pro aerodynamický tunel - odlišné vlastnostmi i strukturou, přesto reprezentativní."
Toro Rosso sídlící v italské Faenze testuje v aerodynamickém tunelu v Bicesteru ve Velké Británii (foto: Scuderia Toro Rosso)
Povětrnostní podmínky a svit slunce v tunelu nenapodobíš
V aerodynamickém tunelu týmy samozřejmě mohou zapomenout na to, že by napodobili déšť nebo proměnlivé povětrnostní podmínky - vítr fouká stále jedním směrem. Model se sice dá natočit pro testování bočních dílů - ale co podlaha? Chování přízemní vrstvy není realistické. S rostoucím úhlem směru větru roste i riziko vytvoření proudění, které se od reality liší dost podstatně. Natolik, že se aerodynamický vývoj vozu může vydat špatným směrem.
Když jsme ještě u počasí, málo známou skutečností je, že pro simulaci je důležitá i teplota povrchu. Slunce v reálu ohřívá povrchu vozů a hlavně asfalt, jehož teplota bývá i o 20 °C vyšší než teplota vzduchu. Srovnejte si to se studeným tunelem s řízeným prostředím, které se spíše blíží zimnímu testovacímu dni v Jerezu.
V létě na závodní dráze vznikají lokální proudící struktury, které mohou docela dost pozměnit aerodynamiku. Prvky, které pracují s přísavným (ground) efektem - např. přední křídlo či podlaha - jsou na tento termální efekt náchylné. "Dle mé zkušenosti má jakýkoliv pokus o napodobení tohoto efektu v prostředí tunelu omezenou šanci na úspěch," uvedl bývalý aerodynamik Ferrari Marco de Luca.
Ohřívá se i samotné auto - pneumatiky na svém povrchu nad 100 °C, stejně tak karosérie kolem motoru a převodovky. Týmy se ale ohřevem aerodynamických povrchů zmenšeného modelu vozu v tunelu nezabývají.
Interní aerodynamika
Dalším náročným úkolem je interní aerodynamika. Začněme u chlazení pohonného ústrojí: ve skutečném voze se vzduch procházející výměníky tepla hodně ohřívá, aby bylo teplo rozptýleno - hodně výkonu se přenáší na kola, hodně je změřeno ve vzduchu. Tento horký hmotnostní průtok, jehož teplota se pohybuje kolem 100 °C, po opuštění prostoru s chladiči vychází z vozu vzadu, kde jeho dopad na aerodynamiku zadní části vozu není nevýznamný ve srovnání s chladnými podmínkami.
Testování u Sauberu ve švýcarském Hinwilu (foto: Sauber Motorsport AG)
Týmy musí zvážit i sekundární efekt - proměnu výměny horka v průběhu kola. Teoreticky by měl být každý manévr vozu simulován se správnou úrovní přenosu horka do chladicího vzduchu. Možná vás napadne, že by nebyl takový problém umístit do modelu auta radiátory pro dosahování lepších výsledků v tunelu. Zkuste si ale zvážit, kolik energie by bylo zapotřebí pro realistický ohřev výměníků tepla, a také k jakým problémům by tato metodologie mohla v praxi vést.
Totéž se týká brzd - kotoučů a destiček, jejichž teplota během jízdy může velmi rychle dosáhnout několik set °C. Na takovou simulaci v tunelu není naděje, což je trochu škoda, protože jak si můžete všimnout, aerodynamický vývoj je v oblasti všech čtyř kol vozů F1 celkem detailní a sofistikovaný, protože významně přispívají k vytváření aerodynamických sil.
Nedostatečný realismus při zvyšování teploty vzduchu není nikterak bezvýznamný. Jde také o úplav vznikající za koly - ten se také mění v důsledku horkého vzduchu, jenž je do něj vstřikován při brzdění. Týmy přicházejí i o tento efekt.
V tunelech se snažili simulovat efekt foukání z výfuků pomocí potrubí umístěného v modelu vozu, naráželi však na omezení v podobě teploty plynů (jiný rozptyl a hustota) a "pulzního" efektuv důsledku cyklického točení u skutečného motoru. Zatímco v reálu tyto dva efekty spojují, v aerodynamickém tunelu scházejí.
Inženýři se snažili vyhradit důležité zdroje na zlepšení v této oblasti, dosáhl však pouze částečných výsledků. Letošní změny v pravidlech předepisující přesně pozici koncovky výfuků pomohly odklonit úsilí jiným směrem.
Simulace zatáčení - největší a nejžádanější oblast pro zlepšení
Na vrcholu zájmu všech aerodynamiků, kteří vědí, kde by se daly dosahovat věrohodnější výsledky pro zlepšení konkurenceschopnosti, jsou podmínky vznikající při zatáčení. To je však velmi náročné.
Model se samozřejmě dá natočit, aby na něj foukal mírně zboku, nedá se však simulovat proměnlivé proudění při boční zrychlení, kdy skutečný monopost projíždí zatáčkou. Směr proudění není nulový a jeho dopad se navíc zvyšuje od nosu po záď. Tato modulace směru náběhu je hlavně funkci poloměru zatáčky a rychlosti.
Počítačová simulace proudění vzduchu při zatáčení (foto: Sauber Motorsport AG)
V rychlých zatáčkách (vysoký poloměr, nízký úhel natočení kol) vítr na vůz působí vždy ze stejného směru - z vnější strany zatáčky. Ale pod určitou rychlostí působí na přední a zadní stranu opačný směr proudění: na tu přední dopadá vítr zvnitřku.
Z toho by vám nyní mělo být zřejmé, že neexistuje řešení, které by pomohlo v klasickém prostředí aerodynamického tunelu tyto podmínky perfektně napodobit - tam se testuje pouze to, co na vozy působí na rovinkách. Týmy sice zkoušejí různé triky s co nejlepšími kompromisy pro vývoj aerodynamiky v zatáčkách, shodně však uznávají, že "dokonalé" řešení neexistuje ani existovat nikdy nebude.
Má testování v aerodynamickém tunelu vůbec nějaké výhody?
Mohl bych zmínit ještě mnoho dalších věcí, které snižují kvalitu výsledků v aerodynamických tunelech, jako dobře známý "blokovací efekt" zdí tunelu, narušující vliv nosníku modelu, zmenšené rozměry pohyblivého pásu podlahy společně s jeho nereálným povrchem (často je mnohem hladší než asfalt) a nedostatečně kvalitním profilem proudění na jeho povrchu, úroveň turbulencí ve vzduchu, nedostatek jakékoliv blízkosti dalšího vozu, neschopnost perfektně zachytit aerodynamické síly na kolech atd. - článek by však už nabobtnal do rozměrů, které by tady byl již ochoten málokdo strávit.
Po přečtení někoho možná napadne, proč vůbec týmy investují tolik zdrojů do výstavby a modernizace zařízení, které nemohou poskytovat perfektně reprezentativní výsledky, a proto se pak potýkají s problémy s korelací dat?
Je třeba přiznat, že tohle nebyl úplně férový článek, který by vyzdvihl krom rozsáhlého výčtu nevýhod i jejich výhody - počínaje poměrem přínosu k nákladům ve srovnání s ostatními vývojovými nástroji. Umožňují designérům rychle vyzkoušet platnost jejich myšlenek se spoustou kombinací mezi různými konfiguracemi a rozhodně jsou velkou pomocí.
Williams má aerodynamické tunelu dva - jeden pronajímá Caterhamu, který v něm testuje s 50% modely, zatímco drtivá většina soupeřů už přešla na 60% (foto: BMW Motorsport)
Jde v nich však o zjednodušení reality a nástroj, u nějž je vždy nutné pamatovat na jeho povahu a omezení. Aerodynamický tunel není v podstatě nic víc, než analogový počítač pokoušející se o simulování reality.
CFD simulace a testování na dráze dokážou odhalit to, co tunel nedokáže. Klíčem k úspěšnému aerodynamickému vývoji v moderní F1 je synergie mezi těmito třemi různými prostředími. Samotný aerodynamický tunel, byť by byl sebedokonalejší, by k dnešní době k vývoji konkurenceschopného vozu rozhodně nestačil.
Tip: Technický ředitel Williamsu Pat Symonds o aerodynamických tunelech (zde) a o modelech (zde), které se v nich používají.
