Simulación CFD: adelantamientos, aleta de tiburón y frenos delanteros
Éste segundo artículo forma parte de una serie de trabajos realizados mediante técnicas CFD principalmente con el objetivo de comparar los coches de Fórmula 1 de la temporada 2018 frente a los nuevos monoplazas de la temporada 2019.
En el primer artículo, se hizo referencia a los cambios reglamentarios en la zona del alerón delantero, encaminados a mejorar el espectáculo y los adelantamientos. Ello implicaba cambios normativos en el diseño del alerón delantero, el alerón trasero, tomas de refrigeración, y otros elementos como barge-boards.
Como segundo artículo de la serie, se estudia los diseños de los coches de 2018 y 2019, pero eliminando únicamente los aletines y pequeñas piezas colocadas en el alerón frontal, cumpliendo los cambios en su normativa de diseño.
Los diseños y cambios, son los siguientes:
Figura 1. 2018 (superior) y 2018 (inferior)
Figura 2. 2018 (superior) y 2019 (inferior)
Las condiciones de la simulación CFD son las siguientes:
- Velocidad: 225 kilómetros/hora.
- Neumáticos y suelo móvil.
- Los radiadores principales están en el interior de los pontones.
- Escape del motor: combinación de gases, temperatura y velocidad.
- Admisión del motor y bloque.
- Refrigeración de los frenos, motor y escapes.
- Turbulencias del 5%.
- Reglajes básicos para el Circuit de Barcelona-Catalunya.
El ordenador utilizado para la simulación está construido sobre la base de un PC con un procesador de 56 núcleos y una memoria RAM de 256 GB. Cada tanda ha consistido en una simulación de 48 horas, aproximadamente.
En un primer lugar, vamos a analizar la distribución de presiones sobre el alerón trasero:
Figura 3. Presiones por la parte inferior: 2018 (superior) y 2019 (inferior)
Escala de colores: azul (presión baja), rojo (presión alta)
En ambas temporadas, podemos apreciar que la distribución de presiones es prácticamente la misma. Pero en ambas temporadas, podemos apreciar claramente, una curva de variación de presión correspondiente a una diferencia de presión en el centro del alerón, y sus extremos (menos presión negativa o carga aerodinámica en la parte central del alerón):
Figura 4
Esta diferencia de presión o carga aerodinámica a lo largo de la envergadura del alerón es debida a las turbulencias generadas por la parte trasera de la toma de admisión del motor. Para corregir o eliminar estas turbulencias, es posible instalar la famosa aleta de tiburón. Ello conllevaría un aumento de la eficiencia del alerón trasero.
Analizando ahora la refrigeración de los frenos frontales, veamos de dónde proviene el flujo de aire que entra por las tomas de refrigeración:
Figura 5. Presiones: 2018 (superior) y 2019 (inferior)
Escala de colores: azul (presión baja), rojo (presión alta)
Veamos y analicemos más en detalle la entrada del flujo mencionado:
Figura 6. Presiones: 2018 (superior) y 2019 (inferior)
Escala de colores: azul (presión baja), rojo (presión alta)
En estas imágenes apreciamos de dónde proviene el flujo refrigerador. Es posible observar que, en el coche de 2018, el flujo se introduce con mucha más turbulencia, chocando incluso con las ruedas delanteras. En el modelo de 2019, el flujo es mucho más uniforme y limpio, sin grandes turbulencias, con la consecuente reducción de drag.
A continuación, vemos el mismo flujo de aire desde una toma inferior.
Figura 7. Presiones: 2018 (superior) y 2019 (inferior)
Escala de colores: azul (presión baja), rojo (presión alta)
En cuanto a la mejora de los adelantamientos, y para analizar la distribución de presiones, practicamos tres planos por detrás del coche, el primero a 0,5 metros de la parte posterior, y cada plano a 0,5 m del anterior:
Figura 8
Distribución de planos de corte:
Figura 9. Presiones, Plano 1: 2018 (superior) y 2019 (inferior)
Escala de colores: azul (presión baja), rojo (presión alta)
En este primer plano más cercano al coche, parece que los vórtices laterales creados por el alerón trasero son algo más grandes en la temporada 2018.
Figura 10. Presiones, Plano 2: 2018 (superior) y 2019 (inferior)
Escala de colores: azul (presión baja), rojo (presión alta)
Figura 11. Presiones, Plano 2: 2018 (superior) y 2019 (inferior)
Escala de colores: azul (presión baja), rojo (presión alta)
La representación de la distribución de presiones propicia que sea bastante complicado pronunciarse sobre la mejora de adelantamientos de forma categórica. Esto es muy habitual al utilizar técnicas CFD. En este caso, veamos la representación de velocidades en el tercer plano.
Figura 12. Velocidades, Plano 2: 2018 (superior) y 2019 (inferior)
Escala de colores: azul (presión baja), rojo (presión alta)
En esta representación o visualización de la distribución de velocidades en el Plano 3, es justo donde podemos afirmar que se cumple el objetivo marcado a raíz de las modificaciones técnicas en la temporada 2019. Como se aprecia perfectamente, la zona de variación de velocidades (turbulencias en definitiva), es mucho más ancha en la temporada 2018. Ello supone que la zona donde los adelantamientos se realizan, es mucho menor. En cambio en la temporada 2019, la zona es pequeña en comparación con 2018. Es decir: hay mucha más zona o flujo de aire limpio en la temporada 2019.
Por último, y como consecuencia del primer artículo, queremos mencionar el alerón de Alfa Romeo, y alguna razón de su peculiar diseño:
Figura 13
¿A qué puede ser debido este 'corte' en el alerón frontal, tan pronunciado?
Si recordamos el anterior artículo, los aletines colocados en el alerón delantero en la temporada 2018 originaban un vórtice lateral que sellaba el suelo (flecha negra), aumentando el efecto suelo y por tanto, la carga aerodinámica en el suelo:
Figura 14
En 2019 se han prohibido los aletines frontales. Con este corte tan abrupto, Alfa Romeo genera vórtices parecidos a los de la temporada 2018 en prácticamente la misma zona, lo que contribuye como en 2018 a la carga aerodinámica del suelo.
El alerón delantero de Ferrari, por ejemplo, intenta desviar el flujo frontal hacia los laterales, para que circule por allí. El objetivo, que convendría estudiar, podría ser reducir el drag que originan las ruedas delanteras y generar un vórtice lateral para sellar y optimizar el efecto suelo.
Próximos Artículos:
Disponemos del modelo del alerón delantero del Ferrari de 2018 y 2019, así que intentaremos compararlos en uno de nuestros próximos trabajos. Otro de indudable necesidad es la comparación entre los alerones frontales de varios equipos, como Ferrari, Alfa Romeo y Mercedes, por ejemplo. Incluiremos en los diseños de 2019, el alerón trasero previsto en la normativa técnica de 2019. Estamos abiertos a sugerencias al respecto.
SOBRE LOS AUTORES
Timoteo Briet Blanes:
Licenciado en Matemáticas y profesor en Ingeniería Industrial. Especialista en Aerodinámica, Simulación CFD, análisis Aero Post Rig. Ha dado clases en Másters de Ingeniería de Competición (Ismans, Le Mans, Mastac, Sun Red Team (Star CCM+), MIC, Campos Racing, Universidad de Nebrija (Star CCM+) y ha trabajado en el diseño de múltiples vehículos de competición y más (Tata Motors, bus Xerus, Aprilia, 125 cc, Pikes Peak Enviate Team USA, STC2000, Peugeot Argentina, Beta Epsilon (Vans con CFD - Fluent), Formula SAE en muchas universidades (Open Foam y más), Johnson Matthey (ESP y TDYN). También organiza conferencias y cursos presenciales y Online sobre aerodinámica, CFD y análisis Aero Post Rig ( https://lnkd.in/e3NpXEk ). Ha escrito más de 25 libros (Amazon) sobre estas temáticas y generado aplicaciones de software. Ahora está abierto a nuevos retos profesionales en cualquier parte del mundo.
- Mail: racecarsengineering@gmail.com
- LinkedIn: https://www.linkedin.com/in/timoteobriet
- Twitter: @TimoteoBriet
Ignacio Suarez Marcelo:
Recibió su Máster en Ingeniería y Doctorado en Ingeniería Electrónica en la Universidad de Extremadura en 2002 y 2011 respectivamente. Forma parte del equipo de investigación en Ingeniería Electrónica, Electrónica y Departamento de Automoción de la Universidad de Extremadura. Tiene una amplia experiencia en vehículos autónomos y sistemas incorporados, desarrollando sistemas para recabar datos en test aerodinámicos, módulos de control y paneles de instrumento para coches deportivos. En base a su colaboración con equipos de competición e ingenieros, ha desarrollado una plataforma de simulación virtual de siete puntos para el análisis del vehículo y del rendimiento de su manejo. Sus principales puntos de investigación son la optimización de la suspensión pasiva de los vehículos para mejorar la adherencia, manejo, análisis de aerodinámica inestable en coches de carreras de alto rendimiento y su efecto en las dinámicas verticales del vehículo, vehículos autónomos, sensores inteligentes y sistemas incrustados.
