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Análisis CFD del T-Wing de la Fórmula 1: qué es y para qué sirve

AmpliarT-Wing en el Mercedes W08, febrero de 2017 - SoyMotor - SoyMotorT-Wing en el Mercedes W08, febrero de 2017

El nuevo Reglamento Técnico que la Fórmula 1 introdujo en el año 2017 incluía una laguna en la parte trasera del coche, una zona que no quedaba bien definida. Ello propicio que, entre el capó motor y el alerón trasero, existiera un volumen en el que los equipos podían introducir componentes aerodinámicos. Así es cómo nació la T-Wing, la ‘ala T’, que recibe su nombre por la forma que tiene.

Como explicamos en este artículo, cada equipo trabaja en su propia T-Wing para darle la forma que considere y con el número de planos que quiera, siempre que cumpla con el Reglamento en cuanto a medidas. La estructura y el número de planos depende de muchos factores, factores objetivos que se verán más adelante.

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1 plano

 

analisis-cfd-2019-d-2-planos.jpg 2 planos

 

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3 planos

 

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5 planos

 

T-WING: CARGA AERODINÁMICA Y EFICIENCIA

El ala T-Wing produce carga aerodinámica. No es mucha si consideramos las dimensiones que tiene, pero sigue siendo una contribución apreciable y muy apreciada por los ingenieros, porque les ayuda a regular el comportamiento del coche. En función del número de planos y su disposición, el ala T-Wing puede generar hasta 50 kilos o más de 'downforce'. Una cifra nada despreciable. De todos modos, se dice que el 'downforce' de este apéndice es gratuito porque apenas cuesta drag o resistencia aerodinámica. Eso se debe a que posee un gran alargamiento. El alargamiento de un ala es la envergadura o la longitud, dividida por la cuerda o anchura. En este caso, el alargamiento es tan grande que el drag es muy reducido. Como reduce la resistencia aerodinámica, es una premisa que también se aplica a otros vehículos, como los aviones planeadores, que tienen unas alas muy finas para ejercer la mínima resistencia al viento.

Para que nos hagamos una idea, el alerón normal de un Fórmula 1 –o incluso el Fórmula 1 en su conjunto– posee una eficiencia de entre 2 y 3 puntos. La eficiencia del ala T-Wing es de 13 puntos o incluso superior. Eso significa que la carga aerodinámica que produce equivale a 13 veces la resistencia que genera.

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GEOMETRÍA USADA EN ESTE ARTÍCULO

La geometría usada en este artículo se corresponde a un coche adaptado al Reglamento Técnico de la temporada 2019. Se muestra el modelo con y sin el elemento T-Wing. El modelo elegido tiene dos planos.

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SIMULACIONES CFD

Las condiciones de la simulación CFD son las que siguen:

  • 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.

Éstos son los periodos de la simulación:

  • - Elaboración y ajuste de los regljaes en el CAD a ensayar: 24 horas.
  • - Programación de la simulación, mallado y demás: 24 horas.
  • - Ejecución de la simulación: 48 horas.
  • - Tratamiento y análisis de los datos obtenidos en la simulación: 24 horas.

 

DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES SOBRE EL VEHÍCULO

Si queremos apreciar las diferencias entre cada modelo, tenemos que afinar mucho. Eso es porque las diferencias en la distribución de la presión son mínimas, sobre todo en la zona del alerón trasero.

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analisis-cfd-2019-5-f1-soymotor_0.jpgSin T-Wing

 
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Con T-Wing

 

FUNCIONAMIENTO

Es conveniente resaltar que se trata de uno de los apéndices aerodinámicos más complejos de entender perfectamente. Es el elemento más difícil de simular o ensayar, junto con los barge-boards.

Como el ala T-Wing se encuentra justo delante del alerón trasero, es frecuente encontrar en Internet afirmaciones como la siguiente:

'El ala T-Wing es un sistema que acondiciona el flujo de aire hacia el alerón trasero, haciendo que éste funcione mejor'. Es una tesis habitual cuando se busca la explicación a la función de la T-Wing. Tiene parte de verdad, pero no toda. Lo vemos a continuación.

Pero también es verdad que la influencia sobre el alerón trasero puede parecer difusa o poco importante, ya que el ala T-Wing se halla en una posición 'elevada'.

En resumen, lo que hace el ala T-Wing es producir carga aerodinámica. Genera hasta 50 kilos de carga, incluso más.

En sus extremos, se producen los llamados vórtices extremales o marginales. Dada su posición, interactúan con los vórtices extramales que genera el alerón trasero. Consiguen que bajen y reducen el drag del alerón. Esto último es así, pues en la Aerodinámica se dice que 'divide y vencerás' en relación a las turbulencias: una turbulencia tiene más energía que la suma de turbulencias, resultado de dividir la original.

En las siguientes imágenes podemos apreciar este hecho, aunque la diferencia es muy sutil.

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Sin T-Wing

 

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Con T-Wing

 

Veamos ahora unas imágenes que se corresponden con la interacción de los vórtices creados por el T-Wing con los vórtices del alerón trasero. Para ello, representamos los vórtices del T-Wing con los colores de velocidad.

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Es muy complicado conseguir reducir el drag del alerón trasero, mitigando sus vórtices a partir de los vórtices del ala T-Wing. Por eso mismo, la posición, tamaño y geometría de la T-Wing han de ser muy precisas.

También es posible eliminar o mitigar estos vórtices marginales por parte del ala T-Wing, si el equipo lo considera oportuno y conveniente. Para ello, se pueden unir ambos extremos de distintas formas, lo que contribuye a eliminar o reducir los vórtices.

analisis-cfd-2019-95-f1-soymotor.jpg

 

Estos vórtices extremales del ala T-Wing producen una bajada de presión en la parte inferior del alerón trasero, lo cual consigue que ese elemento funcione mejor y genere más carga aerodinámica. Se puede apreciar –no sin dificultad– una mayor zona azul que se corresponde a una presión menor, que conlleva una carga aerodinámica mayor.

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Sin T-Wing

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Con T-Wing

 

Al producirse más carga por parte de la sección inferior del alerón trasero, también se produce más resistencia aerodinámica. Como antes, la localización y geometría del T-Wing han de ser muy precisas para conseguir este efecto. Eso significa que es complicada de situar.

La generación de carga aerodinámica por parte del ala T-Wing hace que exista una distribución de presión característica entre el ala T-Wing y el alerón trasero. Ello hace que la parte superior del alerón trasero reciba aire de menor densidad y, por tanto, produzca menos 'downforce'. Con el ala T-Wing, observamos una zona mayor de color roja que indica una zona de más presión.

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Sin T-Wing

 

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Con T-Wing

 

El comportamiento del ala T-Wing en curva es curioso: mantiene la carga aerodinámica del alerón trasero –como si no existiera la T-Wing– y contribuye a reducir el drag del alerón trasero. En sucesivos artículos, analizaremos el comportamiento de un Fórmula 1 en curva y analizaremos el efecto de la T-Wing en ese escenario, entre otros detalles.

 

CONCLUSIONES

El equipo puede perseguir tres objetivos al introducir el ala T-Wing:

  • Reducir el drag de la parte superior del alerón trasero, a costa de tener menos carga.
  • Incrementar la carga aerodinámica de la parte inferior del alerón trasero, a costa de más drag.
  • Combinar los vórtices marginales del ala T-Wing con los del alerón trasero para así reducir el drag.

El mayor de los inconvenientes en el diseño de una T-Wing es conseguir una que cumpla satisfactoriamente con los tres objetivos, como ya hemos explicado en este artículo. Por ende, la mayoría de equipos básicamente utilizan la T-Wing como un elemento que genera apoyo aerodinámica por sí mismo.

Existe un elemento muy importante que también se parece a la T-Wing. Se trata de un ala que se coloca en la parte inferior.

Este elemento sí que tiene mucha trascendencia aerodinámica como mejorador y optimizador del apoyo del alerón trasero. Lo analizaremos en sucesivos artículos.

 

SOBRE LOS AUTORES

Timoteo Briet Blanes:

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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.

 

Ignacio Suarez Marcelo:

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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.

 

ACTIVIDADES DE LOS AUTORES

Curso 'Aerodinámica, simulación CFD y Aero Post Rig Análisis'. Presencial en agosto 2019 y online: https://lnkd.in/e3NpXEk

Colección de más de 20 libros sobre 'Race Car Engineering & Design' y también 'Vehicle Dynamic Book'. Dispnibles en Amazon, además de: https://lnkd.in/e3NpXEk  

Pack Software + Colección de libros: http://www.linkedin.com/pulse/pack-software-books-collection-improving-race-car-setup-timoteo-briet   

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Optimización de set-up de competición: aerodinámica y suspensión. Curso práctico con ejemplos, de 3 a 4 horas de duración.

Diseño y optimización de race-cars: fases y protocolo de actuación. Curso teórico, de 2 a 3 horas de duración.

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15 comentarios
Imagen de DavidMontecino
#14 el difusor es el principal generador de downforce (~40%) y además de forma muy eficiente. Además sigo diciendo, 50 kilos (que no los produce) no son causa para añadir un dispositivo de esas características. Hablamos de que el conjunto del coche genera en torno a 2500-2800 kilos. Sería como decir que los bargeboards, o los flaps laterales generan downforce (lo hacen) pero no están para eso. El t-wing está para que "arreglar" el aire que le llega al alerón trasero, y si ese efecto no se ve en el CFD, revisa la malla, la convergencia y sobre todo el modelo de turbulencia (un kepsilon probablemente descarte este efecto). El caso es que en el artículo analizas ya este efecto con los vórtices que mencionas, lo que no entiendo es que importan 50 kilos de downforce en un dispositivo... En fin, quedo a la espera del artículo del difusor. Un saludo
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Imagen de timoteo
#13 Las cosas son asi. De cualquier forma, dise;a un Twing con 4 planos, y veras como se generan esos kilos nombrados, sin demasiado esfuerzo. Por otro lado, el difusor, apenas produce downforce. Esta ahi, para otra fucion que ya hablaremos en otro articulo. Un abrazo enorme.
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Imagen de DavidMontecino
#11 25 kilos es la mitad de 50, que es una diferencia extrema con lo que se afirma en el artículo. Aún así, para que dos perfiles a 225 kph produzcan 25 kilos (y máxima densidad, que tampoco...) habría que asumir un cl de 0.65 conjunto. Cl= 0.65 es una suposición aceptable para un perfil similar al que se ve en las imágenes a un ángulo de 8-9 grados (que no puedo entrar a valorar si es realista o no porque en foto no puedo opinar). Pero, es un valor aceptable ignorando efectos de tridimensionalidad, que reducen considerablemente la performance del perfil. En la vida real no podemos ignorar estos efectos por mucho endplate, sharklet o winglet que pongamos. Además habría que considerar que los perfiles interactúan entre ellos perjudicandose (poner dos no duplica el downforce) y que el flujo que les llega está en condiciones pésimas. Así que no es aceptable afirmar que un t-wing doble produzca 25 kg y mucho menos 50. Algo producirán por supuesto, pero no sé diseñan para eso sino para preparar el aire para el alerón trasero. Como bien citas en el artículo, no tienen asociado apenas drag y el downforce qué ayudan a generar al alerón trasero seguramente sea bastante, pero no por ellos mismos. En F1 el drag es salvaje y la eficiencia aerodinámica pésima, porque se prima la aceleración (normal y tangencial) y eso la da el downforce. Si el t-wing fuese para generar downforce tendría una geometría muy similar al alerón trasero. Todo esto añadido a que la mayoría del downforce viene del difusor por la poca eficiencia del alerón trasero y por tanto tiene mucho más sentido desde el punto de vista del diseño mejorar esta eficiencia y no llenar la zona de parches que funcionen con las mismas malas condiciones Un saludo
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Imagen de timoteo
#10 mil gracias. Un abrazo enorme de verdad. Estamos aqui todos, para aprender. Gracias de nuevo.
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Imagen de timoteo
#9 Son hasta 4 y 5 planos en ocasiones. No 1 solo. Con 2 planos, se alcanzan hasta los 25 KILOS facilmente. Un abrazo.
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Imagen de Toyotin
GRACIAS por el artículo....vaya trabajazo. Enhorabuena.
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Imagen de DavidMontecino
Vamos a ver... No se que resultados se manejan porque no hay números por ningún sitio, pero el T-wing no está para producir downforce por sí mismo. No puede producir 50 kilos. Eso son 500 N. Tirando de fórmula, a 300 km/h (por encima de vuestra simulación) y con una superficie de 0.1 m2 (que será unas 10 veces más de la real), para conseguir los 500N tendría que tener un Cl de 1.4 (que para un perfil tan delgado sin apenas ángulo de ataque me extraña...) No he hecho ninguna simulación del T-wing, pero ese número tiene pinta de estar mal, otra cosa serían 50N y no 50 kg, en cuyo caso sí me encaja más, pero dejaría claro que no está ahí para producir downforce. Un saludo
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Imagen de Monika
Gran trabajo otra vez Gracias.
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Imagen de Oldriver
Necesitamos mas analisis como este.
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Imagen de timoteo
#3 Esta temporada ya no estan por Normativa. Saludos cordiales. A aprender entre todos. Saludos.
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