当2022年一级方程式赛车赛季在三月份拉开帷幕时，各车队将携全新设计的赛车登场，这些赛车的工程设计旨在为车迷和车手带来更多他们所渴望的轮对轮较量。
“任何关注这项运动的人都听过车手在无线电中抱怨无法足够接近前车，”F1首席空气动力学家西蒙·多德曼解释道。“他们在那些情况下报告的基本上是缺乏抓地力，也就是下压力。”
F1赛车是世界上速度最快的场地赛法规赛车。虽然这些开轮式汽车仅比顶级的运动型汽车每小时快20到30公里，但由于其产生的强大空气动力学下压力，它们过弯的速度可高达后者的五倍。类似于飞机通过机翼产生升力的方式，F1赛车使用类似的机制，但方向相反，以产生所需的下压力。
当赛车紧跟在另一辆车后面行驶时，由于机翼和车身产生的湍流尾流，赛车会损失高达50%的下压力。前车产生的湍流会导致后车打滑，失去赛道抓地力。后面的车手比前面的车手更早感觉到抓地力丧失，最终不得不松开油门踏板。
“下压力的损失意味着即使是世界上最好的车手也无法超越他们前面的那辆车，”前F1工程师、现任某机构首席计算流体动力学专家尼尔·阿什顿表示。
“这就像一个物体在流体（无论是空气还是水）中移动，并在其身后产生扰动一样简单，”多德曼补充道。“想象一艘快艇在完全平静的湖面上飞驰而过。基本上，赛车在空气中也是如此。赛车速度越快，产生的下压力就越大，其身后的尾流也就越大。而尾流对其后方的东西是有害的。想象一下试图在另一艘快艇后面驾驶一艘快艇，在水中颠簸摇晃——赛车也是同样的道理。”
“没有人设计赛车是为了拿第二名”
在过去三年中，F1工程团队与某机构合作，探索了赛车在近距离比赛时相互作用的科学原理，并最终制定了新的设计规范，旨在为车迷带来更具竞争力的比赛盛况，同时保障车手的安全。
“对F1的一个常见批评是，有时它看起来像是一场队列行进，而且由于这项运动的竞争格局具有周期性，在某个比赛周末很容易预测谁会赢，”多德曼说。“车迷们希望观看激动人心的、充满超车的比赛，但坦率地说，这项运动并未做到这一点。我们认识到必须做出改变，以创造公平的竞争环境，并提供更引人入胜的观赛体验。”
F1工程团队的任务是设计一款能产生更小尾流，同时保持一定程度下压力和最高速度的赛车，并且不会因为驶入其他赛车的尾流而受到不利影响。
“没有人设计赛车是为了拿第二名，”F1首席技术官帕特·西蒙兹评论道。“但对于这个项目，我们关注的是赛车在另一辆赛车的尾流中的表现，而不是在洁净空气中行驶。”
F1没有采用耗时且昂贵的物理测试，而是使用了计算流体动力学，它提供了一个虚拟环境来研究流体的流动，而无需制造任何一个零件。通过数值求解一种形式的纳维-斯托克斯方程，像F1这样的公司可以在笔记本电脑上研究湍流的复杂特性。
“大量复杂的物理过程”
“F1赛车过弯的方式涉及到大量复杂的物理过程，这带来了巨大的计算挑战，需要处理庞大的情景矩阵，”阿什顿说。“这意味着F1需要访问非常大的高性能计算资源。”
该项目启动时，F1在第三方设施中使用计算流体动力学，这意味着与其他客户共享计算能力，从而限制了模拟的数量和质量。多德曼的团队最终迁移到了某机构的高性能计算平台上，使用某机构的并行集群软件以及多种弹性计算云实例（包括基于某机构Graviton2的C6gn实例）来运行复杂模拟，以建模赛车的湍流尾流以及对后车的影响。
“迁移到某机构使我们能够摆脱那种串行模式，同时运行大量案例，而无需在其他客户后面排队等待，”多德曼说。“这意味着从接收和分析结果到进入下一步的时间大大缩短了。我们能够简化很多流程。”
客户使用某机构的计算流体动力学项目来设计从飞机到医疗设备的各种产品。虽然最强大的台式机拥有大约64个处理核心，但F1工程师每次运行都能访问超过2500个某机构核心——通常同时运行许多任务。
“我们很快意识到，取得进展的唯一方法就是尽可能多地使用计算流体动力学进行模拟，”多德曼说。“通过使用某机构提供的极具可扩展性的计算资源，我们能够进行更多的模拟，并更快地得出结论和找到解决方案。”
使用某机构平台运行该项目消除了所有与时间和计算能力相关的障碍，将平均模拟运行时间从60小时减少到12小时。它还将运行工作负载的成本降低了30%，以极低的预算提供了超级计算机级别的性能。
F1最初计划每周进行20到30次模拟，但借助某机构，这一数字增加到了80到90次。“而且，由于能够获得比F1车队还要多得多的计算资源，我们能够运行双车模拟，并以一种前所未有的方式审视问题，”多德曼补充道。
海量数据
某机构使F1在六个月内运行了超过5000次单车和多车模拟，产生了5.5亿个数据点。这些洞察促成了国际汽车联合会（FIA，赛车运动管理机构）为新一代赛车制定的设计规范，使赛车在一个车身长度的距离内下压力损失仅为15%。F1车队目前正依据这些规则为2022赛季设计赛车。
“我们相信车手将能够进行更近距离的比赛，并有可能实现更多的超车，”多德曼说。
新的、更强大的空气动力学特性包括：车轮尾流控制装置；一个将气流从前轮引开的简化前翼；一个更具雕塑感的后翼，可以有效地从侧面吸入空气并将其抬升到后方赛车的上方；简化的悬挂系统；以及底板隧道。所有F1赛车将首次使用18英寸车轮（从13英寸升级）搭配低扁平比轮胎。
这将减少来自前车的湍流气流，增加后车的下压力，使其能够缩小差距并有可能超越领先者。
“新设计将赛车的尾流抬得更高，这样后面的赛车可以从其下方驶过，而不是穿过它，”多德曼说。“我们相信车手将能够进行更近距离的比赛，并有可能实现更多的超车。随着赛道上最快和最慢赛车之间的距离缩小，我们看到了不同车队每周都有机会获胜的可能性。”
F1在风洞中测试并验证了新设计。“他们发现模拟数据与测试之间的相关性非常好，这证明了你可以在计算流体动力学中完成一个复杂、高保真度的工程设计项目，”阿什顿说。
F1现在正开始研究使用某机构的机器学习服务，例如Amazon SageMaker，利用模拟数据构建具有更多洞察力的模型，从而帮助优化赛车的设计和性能。
“现在还处于早期阶段，”阿什顿总结道，“但机器学习正被证明是与某机构合作的另一个令人信服的理由，我很高兴看到我们能共同取得什么成就。”FINISHED
