Análisis CFD: comparativa del alerón delantero de 2018 y de 2019

La FIA ha modificado de cara a la temporada 2019 de Fórmula 1 algunas medidas y elementos de los coches de Fórmula 1, a fin de permitir que haya más adelantamientos. A grandes rasgos, estas modificaciones son las que siguen:

• Un alerón delantero más ancho y más simple, sin los flaps superiores.
• Un alerón trasero más ancho y más profundo, sin rejillas en el endplate y un mayor margen para la apertura del DRS.
• Una toma de refrigeración simplificada para los frenos delanteros, sin aletines
• Una nueva zona de bargeboards.

En este artículo, analizaremos el impacto que estos cambios en el alerón delantero tendrán en las características aerodinámicas de los coches de 2019. Los principales cambios en el alerón delantero son:

La eliminación de los flaps superiores y de cualquier pequeño dispositivo en la parte superior del alerón. Sólo se permiten dos planos en la parte inferior de cada lateral del alerón delantero. Incremento de 20 milímetros en la anchura del alerón, que se sitúa 25 milímetros más al frente.

2018: Williams y Ferrari

2019: Williams y Ferrari

Estos cambios tienen por objetivo reducir la carga aerodinámica generada por el alerón delantero y hacer que el resto del coche tenga menos carga aerodinámica. Por esa razón, el alerón delantero está ahora en una posición más adelantada, en un esfuerzo por intentar que el centro de presión permanezca más o menos en el mismo lugar.

A modo de primera aproximación, analizaremos la simulación CFD del coche de la temporada 2018 y luego la simulación de la versión actualizada de ese monoplaza con algunos de los cambios de la normativa de 2019 en el alerón delantero y los frenos delanteros (Imagen 1). Esos cambios consisten en:

• Alerón delantero con la anchura de 2019.
• Eliminación de los flaps superiores del alerón delantero.
• Utilización de tan sólo dos planos debajo del alerón delantero.
• Utilización de conductos de refrigeración simplificados para los frenos delanteros.

En futuros artículos, crearemos un coche completo de la temporada 2019 de Fórmula 1 incluyendo el resto de cambios normativos de esta temporada, a fin de analizar el flujo del aire, las mejoras en los adelantamientos y la fuerza que soporta cada pieza.

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. Este artículo, en el que analizamos el alerón delantero, es el primero de una serie de artículos en el que usamos el software Open Foam y las aplicaciones derivados para el mismo.

Figura 1: Modelo CFD de un Fórmula 1: 2018 (izquierda) y 2019 (derecha)

RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN, ANÁLISIS Y COMENTARIOS

La distribución de la presión en la sección inferior del alerón delantero es bastante similar en ambos casos (Figura 2). Sin embargo, el uso de un mayor número de planos en el alerón de 2018 propicia que se cree una zona de baja presión más ancha a su alrededor. También se puede percibir cómo en ambos casos se genera una zona de presión positiva en la sección inferior del último flap (ver flecha, zona blanca), donde, debido al pronunciado ángulo de incidencia, se produce una separación de las capas límite.

Figura 2: Presión negativa en el alerón delantero; vista inferior: 2018 (arriba) vs 2019 (abajo)

Escala de colores: bajo (presión baja), rojo (presión alta)

La Figura 3 representa la distribución de presión positiva en una visión en 3D del alerón delantero. En el alerón de 2018, algunos detalles de los flaps inferiores quedan ocultos por los flaps superiores. Sin embargo, son más evidentes en la Figura 4. La turbulencia creada por los flaps superiores genera una zona de presión positiva baja que no se reproduce en el alerón de 2018 (ver flecha). En este caso, el flujo de aire genera una zona de presión positiva más ancha, que implica más carga aerodinámica pero también drag.

Figura 3: Presión positiva en el alerón delantero; visión 3D: 2018 (superior) y 2019 (inferior)

Escala de colores: bajo (presión baja), rojo (presión alta)

Figura 4: Presión positiva en el alerón delantero por encima: 2018 (superior) vs 2019 (inferior)

Escala de colores: bajo (presión baja), rojo (presión alta)

El alerón delantero de 2019 es más ancho que el de 2018, y presenta unos endplates simplificados y ningún flap superior. Eso provoca que el aire se desvíe de varias formas, cambiando la dirección del flujo de aire al impactar con los neumáticos delanteros. Eso se ve reflejado en distribuciones de presión distintivas, como se muestra en la Figura 5. El fenómeno también se puede ver en la Figura 6 (flecha negra).

Figura 5: Diferencias en la presión de los neumáticos delanteros: 2018 (superior) vs 2019 (inferior)

Escala de colores: bajo (presión baja), rojo (presión alta)

Debido a las diferencias que se han mencionado anteriormente, nuevos detalles aparecen en sentido inferior, tales como la línea oscura de alta presión que recorre el lateral del coche (Figura 6, flechas rojas). Esas líneas se corresponden al límite de los vórtices laterales que sellan el suelo y ayudan a mantener el efecto suelo. La ausencia de flaps superiores hace que el coche de 2019 sea menos proclive a generar vórtices fuertes de sellado y, en consecuencia, aparecen zonas de presión más baja en los laterales del coche.

Figura 6: Presión positiva en el alerón delantero por encima de los flaps inferiores: 2018 (superior) vs 2019 (inferior)

Escala de colores: bajo (presión baja), rojo (presión alta)

A continuación, el modelo del monoplaza se corta en sentido longitudinal en cuatro planos diferentes (Figura 7) a fin de analizar tanto la creación de vórtices como los tubos de baja presión y la localización y evolución de los vórtices. El Plano 1 reside en medio del alerón delantero, el Plano 2 se localiza entre el alerón delantero y los neumáticos, el Plano 3 entre las ruedas delanteras (al principio de los bargeboards) y el Plano 4 pasa más allá de la barra antivuelco.

Figura 7: Localización de las secciones en el modelo: 2018 (superior) y 2019 (inferior)

La generación de los famosos vórtices Y250 se visualiza claramente en los vectores de velocidad y las imágenes de presión que se representan en las Figuras 8 y 9 (flechas) en ambos modelos. En el coche de 2018, la generación de esos vórtices se ve influenciada por los elementos superiores. Se puede apreciar la presencia de vórtices secundarios y menos fuertes en la punta de dichos elementos superiores, que evidentemente no están presentes en el modelo de 2019.

Figura 8: Plano 1 - Vectores de velocidad: 2018 (superior), 2019 (inferior)

Escala de colores: bajo (presión baja), rojo (presión alta)

Figura 9: Plano 1 - Presión: 2018 (superior), 2019 (inferior)

Escala de colores: bajo (presión baja), rojo (presión alta)

Se puede apreciar que un vórtice de gran importancia aparece en ambos modelos, aunque en mayor intensidad en el coche de 2018 (Figura 10, flecha negra). La diferencia también se puede apreciar en la visión de la presión (Figura 11).

Figura 10: Plano 2 - Vectores de velocidad: 2018 (superior) y 2019 (inferior)

Escala de colores: bajo (presión baja), rojo (presión alta)

Figura 11: Plano 2 - presión: 2018 (superior) y 2019 (inferior)

Escala de colores: bajo (presión baja), rojo (presión alta)

Como se detalla en las Figuras 12 y 13, los vórtices siguen un patrón de evolución diferente. En la sección exterior del modelo de 2018, aparece un vórtice fuerte. En el modelo de 2019 existen dos, y el inferior gira en la dirección opuesta al de 2018. Además, en el coche de 2018, se muestra un segundo vórtice (flecha negra) más cerca del suelo. Ese vórtice no se muestra en el coche de 2019.

Figura 12: Plano 3, vectores de velocidad: 2018 (superior) y 2019 (inferior)

Escala de colores: bajo (presión baja), rojo (presión alta)

Figura 13: Plano 3, presión: 2018 (superior) y 2019 (inferior)

Escala de colores: bajo (presión baja), rojo (presión alta)

Esos vórtices, generados con la ayuda de pequeños aletines y piezas montadas en la sección superior del alerón delantero, recorren el lateral del coche cerca del suelo, como se ve en las Figuras 14 y 15 (flechas negras). Eso ayuda a sellar los laterales del coche, evitando que el aire a alta presión entre en la zona de baja presión que existe debajo del suelo. Así se maximiza el efecto suelo. En el modelo de 2019, no hay rastro de esos vórtices.

Figura 14: Plano 4, presión: 2018 (superior) y 2019 (inferior)

Escala de colores: bajo (presión baja), rojo (presión alta)

Figura 15: Plano 4, visión 3D, presión: 2018 (superior) y 2019 (inferior)

Escala de colores: bajo (presión baja), rojo (presión alta)

La consecuencia de tener esos vórtices en los laterales del coche es simple: el modelo de 2018 tiene un efecto suelo mejor que el de 2018. Eso se ve claramente en la Figura 16, que representa la presión negativa en el suelo del coche. Se puede apreciar que el modelo de 2019 presenta una zona de presión negativa más ancha y baja, y también una zona de presión positiva más grande cerca de los neumáticos traseros.

Figura 16: Presión negativa: 2018 (superior) y 2019 (inferior)

Escala de colores: bajo (presión baja), rojo (presión alta)

RESULTADOS NUMÉRICOS

El análisis de los resultados numéricos muestra un incremento tanto en carga aerodinámica como en drag con el alerón delantero de 2019, con prácticamente la misma eficiencia que en el alerón delantero de 2018 (Tabla 1).

Lo que es más remarcable es una reducción de la carga aerodinámica total, y también en eficiencia del conjunto del coche (más del 26%), que básicamente se debe a la reducción en la carga aerodinámica del chasis. Esa pérdida de apoyo aerodinámico proviene de una reducción en la fuerza de los vórtices que sellan el suelo del monoplaza, lo que a su vez empeora el efecto suelo.

CONCLUSIONES

La eliminación de los pequeños dispositivos aerodinámicos en la sección superior de los alerones delanteros de Fórmula 1 produce una simplificación del flujo del aire y de los vórtices en la sección inferior, lo que deriva en una reducción de la carga aerodinámica total. Se espera que la introducción del nuevo alerón trasero en futuras simulaciones demuestre que la mayoría de carga aerodinámica perdida se puede recuperar. Eso se analizará en artículos futuros. El análisis original se halla disponible en este enlace en lengua inglesa.

SOBRE LOS AUTORES

Timoteo Briet Blanes

Grado 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 vehícles de competición y más (Tata Motors, bus erus, Aprilia, 125 cc, Pikes Peak Enviate Team USA, STC2000, Peugeot Agentina, Beta Epsilon (Vans with Fluent), Formula SAE en muchas universidades (Open Foam y más), Johnson Mathey (ESP y TDYN). También organiza conferencias y cursos presenciales y a distancia sobre aerodinámica, CFD y análisis Aero Post Rig (https://lnkd.in/e3NpXEk). Ha escrito más de 25 libros sobre estas temáticas y sobre software. Ahora está abierto a nuevos retos profesionales en cualquier parte del mundo.

• Mail: [email protected]
• 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 invstigación 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.