Süperbilgisayarlar, Yeni Formula 1 Araçlarının Tasarımına Güç Katıyor!

Mart'ta gerçekleşen 2022 Formula 1 yarış döneminde takımlar, hayranlara ve F1 pilotlarına uzun zamandır aradıkları rekabet ortamını yaratmak amacıyla yeni tasarlanmış arabalarıyla yarış pistinde boy gösterdiler. Formula 1'de baş aerodinamik uzmanı olan Simon Dodman şöyle açıklıyor:

Bu sporu takip eden herkes, pilotların telsiz konuşmalarında önlerindeki arabaya yeterince yaklaşamadıkları yönündeki şikayetleri dinlemiştir. Genellikle pilotlar, araçların yol tutuşunun ve yere basma kuvvetinin (İng: "downforce") azaldığından şikayet ederler.

Wikimedia Commons

F1 arabaları, yeryüzünde tasarımı kurallara tabi olan en hızlı pist araçlarıdır. Tekerleri açıkta olan bu arabalar, en üst seviye spor arabalardan yalnızca 20-30 km/s daha hızlı olmalarına karşın, yarattıkları güçlü aerodinamik bastırma kuvvetleri dolayısıyla kıvrımları spor arabalardan 5 kat hızlı alabilirler. Bu bastırma kuvvetleri, tıpkı uçakların kanatlarında oluşan ve onların havalanmasını sağlayan kaldırma kuvvetleri gibidir; ancak uçakların aksine, F1 araçlarında bu kuvvetler ters yönde, yere doğru kuvvet uygular.

Arabalar, yarış sırasında bir başka arabanın arkasına yaklaştıklarında, öndeki aracın kanatları ve gövdesi tarafından oluşturulan türbülans girdaplarından dolayı söz konusu yere basma kuvvetinin %50'si kadarını kaybederler. Öndeki araba tarafından oluşturulan türbülans, takipte olan arabanın kaymasına ve yol tutuşunu kaybetmesine neden olur. Takipteki arabanın pilotu yol tutuşunu kaybettiğini öndeki arabanın pilotundan daha önce fark eder, nihayetinde ayağını gaz pedalından çekmesi gerekir.

Chris Peeters

Amazon Web Hizmetleri'nde (AWS) hesaplamalı akışkanlar dinamiği (İng: "computational fluid dynamics" veya kısaca "CFD") baş uzmanı olan eski Formula 1 mühendisi Neil Ashton bu durumu şöyle özetliyor:

Dünyanın en iyi pilotları bile, bastırma kuvvetini kaybettiklerinde, önlerindeki arabayı sollayamayacak duruma gelirler.

Dodman ise şu açıklamada bulunuyor:

Bu, hava ya da su gibi bir akışkanın içinde hareket eden bir cismin arkasında bir bozulma yaratması kadar basittir. Arabalar ne kadar hızlı giderse, o kadar fazla bastırma kuvveti yaratırlar, böylece arkalarında yarattıkları girdap etkisi daha da büyür. Bu girdap etkisi, arkadaki arabaların performansını düşürür. Bir sürat teknesinin hemen arkasında başka bir sürat teknesi sürmeye çalıştığınızı ve suyun üzerinde hoplayıp durduğunuzu düşünün. Arabalarda yaşanan durum da bunun aynısıdır.

Hiç Kimse "İkinci En İyi" Arabayı Tasarlamak İstemez!

2019 yılından beri F1 mühendis ekibi ve AWS, yakın takip sırasında araçlar arası etkileşimin ardındaki bilimi keşfetmek ve nihayetinde pilotları güvende tutarken aynı zamanda hayranlara görülmeye değer bir rekabet sunmaya fırsat verecek yeni tasarım özellikleri geliştirmek amacıyla beraber çalışmaya başladılar. Dodler yarışların durumu hakkında şunları söylüyor:

Formula 1 yarışları, geçit törenine benzemesi ve rekabet açısından döngüsel bir spor olmasından dolayı kimin kazanacağını kestirmenin kolay olduğu yönünde sık sık eleştiriler alıyor. Hayranlar bol sollamanın olduğu, heyecan seviyesi yüksek yarışlar görmek istemekte; ancak yarışlarda bunu göremiyorlar. Onlara daha ilgi çekici bir deneyim sunmak ve yarışlarda eşit şartlar sağlamak adına bir şeyleri değiştirmemiz gerektiğini fark ettik.

F1 mühendis ekibinin görevi, aracın ulaşabildiği en yüksek hızı ve yere basma kuvveti derecesini korurken arkasında daha küçük girdaplar oluşturabilecek ve bunun yanında önündeki arabanın oluşturdu girdaptan olumsuz bir şekilde etkilenmeyecek bir araba tasarlamaktı. Formula 1'de baş teknoloji sorumlusu olan Pat Symonds, gözlemlerini şu şekilde aktarıyor:

Kimse bir arabayı ikinci olması amacıyla tasarlamaz. Bu proje için arabaların temiz havada gitmesinden öte başka bir arabanın arkasında nasıl performans gösterdiklerini inceledik.

F1 ekibi, zaman ve para bakımından verimsiz fiziksel testlere bel bağlamak yerine, F1 arabalarının etrafındaki hava gibi akışkanları sanal bir ortamda çalışabilecekleri hesaplamalı akışkanlar dinamiğinden yararlanmaktadır. Böylelikle arabanın herhangi bir parçasını üretmeye gerek kalmamaktadır. Formula 1 gibi şirketler, Navier-Stokes denklemlerinin (akışkanların hareketini tanımlamaya yarayan bir dizi denklem) bir çeşidini sayısal olarak çözerek, laptopları üzerinden türbülans akışlarının karmaşık doğası üzerinde çalışabilmektedir.^[1]

Karmaşık Fizik ve Süperbilgisayarlar

Ashton, gerekli hesaplamalarla ilgili şunu söylüyor:

Bir F1 aracının viraj performansını ölçmek ancak devasa bir senaryo matrisini hesaplamakla mümkün oluyor. Bu sebeple F1'in çok sayıda yüksek performanslı bilgisayara (İng: "high performance computer" veya kısaca "HPC") erişimi gerekiyor.

Böylesi büyük bir hesaplamanın sürekli olarak yapılabilmesi için, sadece bu işe ayrılmış süperbilgisayarlar kullanıldı. Dodman şunları söylüyor:

Bu sayede sonuç alma, değerlendirme ve bir sonraki adıma geçme süremiz çok kısaldı. Sürecin büyük bir kısmını kısa yoldan halledebiliyorduk.

Kullanılan işlemci gücünü şöyle düşünebilirsiniz: En güçlü masaüstü bilgisayarlarda 64 işlemci çekirdeği bulunurken, F1 mühendislerinin yürüttükleri her simülasyon için 2.500'den fazla işlemci çekirdeğine erişimi bulunmaktaydı. Bu yüksek hızlı bilgisayarlar sayesinde ortalama simülasyon süresi 60 saatten 12 saate indi. Aynı zamanda ayrılan bütçenin küçük bir kısmı karşılığında satın alınan üstün bilgisayar performansı, işletme masraflarını da %30'a kadar azalttı.

Başlangıçta F1 haftada 20 ya da 30 simülasyon yürütmeyi planlamıştı; ancak yüksek hızlı bilgisayarlar sayesinde sayesinde bu sayı 80 ile 90 arasına çıkabildi. Dodman'a göre, F1 yarış takımlarının bile sahip olduğundan daha güçlü bilgi işlem gücüne olan erişimleriyle iki araba içeren simülasyonlar yürütmeleri mümkün oldu ve bu probleme daha önce kimsenin bakmadığı şekilde bakabildiler.

Wikimedia Commons

Simülasyonlar ve Devasa Veri

F1 ekibi, sadece altı ay içinde bir ve birden fazla arabanın bulunduğu 5000'den fazla simülasyon yürüttü. Elde edilen bu veriler, FIA (Fr: "Fédération Internationale de l'Automobile", Tür: "Uluslararası Otomobil Federasyonu", motor sporlarının uluslararası yönetim kurulu) tarafından yeni nesil arabalar için bir araba boyu mesafede yalnızca %15 bastırma kuvveti kaybı yaşayan araçların tasarımına önayak oldu. F1 takımları, 2022 yarış sezonu için tasarladıkları arabalarında bu veriler ışığında hazırlanan düzenlemeleri takip ettiler.

Arabalara eklenen yeni aerodinamik özellikler arasında tekerleklerin oluşturduğu girdabı kontrol eden cihazlar, hava akışını ön tekerlekten saptıran basitleştirilmiş bir ön kanat, kenarlardan havayı çekip takip eden aracın üzerine nakletmek amacıyla tasarlanmış bir arka kanat, basitleştirilmiş süspansiyon, ve taban altı hava kanalları yer almakta. Bu düzenlemeler ışığında bütün F1 araçları ilk defa 13 inç yerine 18 inç jantlar ve düşük profilli tekerlerle yarıştılar.

Bu özelliklerin eklenmesiyle öndeki aracın neden olduğu türbülanslı hava akımının azalması, takip eden aracın yere basma kuvvetinin ise artması sağlandı. Böylece arkadaki aracın aradaki farkı kapatmasına, belki de öne geçmesine imkan tanındı. Bu yeniliklerle ilgili Dodman şunları söylüyor:

Bu yeni tasarım, arabanın oluşturduğu girdabı daha yukarı taşıyarak takip eden aracın bu girdabın içinden geçmek yerine altından geçmesine olanak sağlıyor. Bu sayede pilotlar birbirlerine daha yakın bir şekilde yarışarak çok daha fazla sollama olanağına sahip olacaklar. Bunun yanında en hızlı ve en yavaş araçların arasında daha az mesafe olmasıyla haftadan haftaya farklı takımların kazanma olasılığı da doğmakta.

Wikimedia Commons

F1 ekibinin bu yeni tasarımlarını bir rüzgar tünelinde test etmeleri üzerine Ashton şöyle diyor:

Yapılan test ve simülasyonların sonuçlarının birbiriyle örtüşmesi oldukça olumlu karşılandı. Bu proje ile hesaplamalı akışkanlar dinamiği kullanarak karmaşık ve yüksek kaliteli mühendislik tasarım projelerinin yapılabileceği kanıtlandı.