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grandprix| EN DETALLE
Así se diseña
un F1 Texto: FELIPE J. BLAS y david plaza
En las dos últimas décadas la aerodinámica se ha convertido en la clave del éxito en la Fórmula 1, muy por encima de los motores o la estrategia. Y, para conseguir un monoplaza ganador, los ingenieros aerodinámicos cuentan con dos herramientas imprescindibles. Vamos a conocerlas.
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Un túnel aerodinámico de nivel F1 puede costar alrededor de 27 millones de euros. A mayor escala, mayor precisión en los resultados. Uno de los problemas habituales es su calibración, extremadamente sensible y que influye directamente en los resultados. Las maquetas ralentizan y encarecen mucho el ritmo de trabajo.
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e trata del túnel de viento y la Dinámica Computacional de Fluidos (DCF), también conocida por CFD por sus siglas en inglés. Ambas herramientas, a juicio de la gran mayoría de los ingenieros, forman un binomio que no se debe romper si se quiere conseguir un monoplaza competitivo. Sin ir más lejos, Virgin se convirtió esta temporada en el primer equipo de de la historia de la Fórmula 1 que diseñó su monoplaza integramente con DCF, es decir, sin recurrir a la simulación en el túnel aerodinámico, comunmente llamado túnel de viento. ¿Sus razones? Establecer una reducción de costes que les permitiera estar presentes en la parrilla de salida.
QUÉ ES
Un túnel de viento es un complejo dispositivo diseñado para determinar el efecto que produce un flujo de aire controlado (a determinadas condiciones de temperatura, presión, etc.) alrededor de un vehículo en movimiento. Dada la relatividad del movimiento y ciertas condiciones relacionadas con el suelo sobre el que se apoya el monoplaza, un vehículo en movimiento a través de aire
en reposo es equivalente a un vehículo en reposo frente a un flujo de aire que se mueve en la misma dirección pero sentido opuesto. La DCF es un conjunto de técnicas matemáticas y numéricas que permiten resolver las ecuaciones que gobiernan la dinámica de un flujo de un fluido (en nuestro caso, aire) alrededor de un cuerpo sólido (monoplaza). Técnicamente, estas ecuaciones -denominadas de Navier-Stokes- son dos (o tres si se incluye la ecuación de la energía) ecuaciones diferenciales de segundo orden en derivadas parciales altamente no lineales. Esto significa que si se varían las condiciones iniciales mínimamente, el comportamiento de la solución puede llegar a ser completamente diferente, dando lugar a un comportamiento caótico asociado a la turbulencia. De de ahí la enorme dificultad que entraña resolver de forma precisa estas ecuaciones.
CÓMO ES
Los túneles de viento de los equipos punteros de Fórmula 1 cumplen un mínimo de requisitos necesarios para obtener resultados que les permiten
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evolucionar adecuadamente un monoplaza de competición. La infraestructura básica consta de una turbina -capaz de generar un flujo de aire homogéneo en la sección de test- que puede ser abierta o cerrada. Una estructura, que puede ser de retorno abierto (el flujo de aire sale al exterior) o de retorno cerrado (que permite hacer recircular el aire a las turbinas, ahorrando de este modo energía), así como intercambiadores de calor para mantener la temperatura del flujo constante, y una zona con difusor y deflectores laterales para hacer el flujo lo más laminar y homogéneo posible a su llegada a la sección de test. Esta sección, en la que se dispone un modelo de monoplaza, es la zona más sensible, ya que debe incluir necesariamente un suelo rodante para que la hipótesis de equivalencia mencionada anteriormente se cumpla, además de un complejo sistema de sujeción y medida de las cargas a las que está sometido el monoplaza. Para poder utilizar la DCF son precisos los siguientes ingredientes: ordenadores, modelo de ecuaciones, malla de simulación y un código eficaz que permita resolver numéricamente las ecuaciones.
Un superordenador para F1 tiene un coste de cerca de 13 millones de euros. Mayor velocidad de cálculo permite mayor precisión. El ordenador recrea cada pieza a la perfección, frenos, alerones, incluso tornillos. el cálculo con diferentes variaciones de un alerón delantero puede llevar toda la noche. Dada la dificultad de las ecuaciones, se precisan superordenadores que sean capaces de realizar una gran cantidad de operaciones por segundo (en el argot del cálculo numérico se utiliza el término FLOPS, del inglés FLoating OPerations per Second, es decir, operaciones de coma flotante por segundo). Para hacernos una idea del orden de magnitud, los equipos actuales usan ordenadores que son capaces de realizar del orden de teraflops (el Albert 3 de BMW cuenta con una potencia de 57,7 teraflops, es decir, 57,7 billones de operaciones por segundo). Sin embargo, están muy lejos del ordenador más rápido del mundo, Tianhe-1, dotado de 7168 GPU Nvideia Tesla y 14336 procesadores Intel Xeon, que le permite llegar a los 2.5 petaflops o 2500 billones de operaciones por segundo, pudiendo resolver problemas tan complejos como los asociados a la climatología planetaria. Finalmente, es preciso disponer de un código de ordenador, lo más optimizado posible, para resolver el modelo o modelos de los que dispone. Existen códigos comerciales muy sofisticados, como Fluent de la empresa ANSYS, en los que
se dispone de herramientas para generar mallas, diferentes modelos de ecuaciones de Navier-Stokes y posibilidad de correr el código en paralelo, lo que permite obtener resultados más rápidamente. Obviamente, el uso de este tipo de códigos requiere una elevada formación e ingenieros y aerodinamistas con amplia experiencia en dinámica de fluidos.
LIMITACIONES
Las de un túnel de viento son varias. La normativa FIA únicamente permite utilizar modelos a un 60% de la escala real y velocidades asintóticas del flujo de aire de 50 m/s (150 km/h), lo que impide usar modelos a escala real, muy necesarios para el estudio de la aerodinámica precisa del aire que circula por el interior del monoplaza (radiadores de pontones laterales, toma de aire del motor, etc.), así como estudiar condiciones en las que las fuerzas aerodinámicas son más importantes. Es esencial que el modelo sea idéntico al real, algo que, en algunos casos, incluye los materiales de los que está construido. Aunque matemáticamente el comportamiento del aire sobre el modelo del monoplaza a escala se puede extrapolar al caso real, la presen-
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cia de efectos no lineales (turbulencias) produce discrepancias entre los resultados del túnel y de la pista. Un túnel de viento presenta dos puntos críticos: el suelo rodante y las paredes de la sección de test. Es muy difícil predecir con precisión las condiciones reales de un monoplaza en el exterior mediante un suelo rodante, debido a la especial interacción del flujo que circula por la parte baja del monoplaza con el suelo. La presencia de paredes en la zona de test produce un aumento de la velocidad local respecto a la que existiría en ausencia de ellas, sobreestimando los coeficientes aerodinámicos (de sustentación, por ejemplo), por lo que es preciso introducir correcciones (aproximadas). Además de todo ello, existen condiciones imposibles de simular: variaciones de temperatura, presión, vientos laterales, irregularidades del asfalto, etc., que también limitan las predicciones que se pueden obtener. En lo que respecta a la DCF, y teniendo en cuenta que las ecuaciones de NavierStokes son sumamente complicadas, es necesario realizar simplificaciones en las mismas para resolverlas en un tiempo razonable. Las aproximaciones
grandprix| AL DETALLE posible obtener información del flujo de aire alrededor del modelo haciendo uso de humo, líquidos fosforescentes, etc., que en conjunción con cámaras de video de alta velocidad y el adecuado software de análisis de imágenes, hace posible visualizar y analizar el complejo flujo alrededor de los diferentes elementos aerodinámicos del modelo.
La conjunción de túnel de viento y DCF puede dar como resultado un nivel de desarrollo enorme. Renault resolvió los problemas de calibración del túnel y estrenó un superordenador. El alerón de la izquierda es de la pretemporada 2009. El de la derecha, del Gran Premio de Italia de 2010. van desde su linealización, pasando por resolver las ecuaciones para el caso de flujos laminares, hasta versiones que se han comenzado a resolver en los últimos años, como ecuaciones promediadas de Reynolds o RANS (del inglés, ReynoldsAverages Navier-Stokes). Estas simulaciones permiten estudiar cualitativamente el comportamiento turbulento de fluidos alrededor de cuerpos complejos. Sin embargo, el estudio detallado de la turbulencia desde el punto de vista cuantitativo sólo se puede llevar a cabo con simulaciones de remolinos grandes o LES (Large Eddy Simulations) o simulaciones numéricas directas o DNS (Direct Numerical Simulations), en las que se resuelven por completo las propias ecuaciones
de Navier-Stokes. En estos últimos casos, las simulaciones distan mucho de ser completamente satisfactorias ya que el mallado necesario y el tiempo de simulación excede con creces las posibilidades actuales de los equipos de F1. Dicho de otro modo, la velocidad de desarrollo que la competición exige, impide el uso de estas simulaciones, puesto que los ordenadores que los equipos pueden permitirse no completarían los cálculos en un tiempo asumible. Otro punto esencial de la DCF es la elección de la malla para resolver las ecuaciones, es decir, las ecuaciones se discretizan y se resuelven únicamente en ciertos puntos del espacio, ya que es del
La malla está formada por millones de bloques, en los que el ordenador calcula el comportamiento del aire según las directrices marcadas. A mayor número de bloques, mayor precisión, pero también mayor ralentización. 60
todo imposible hacerlo en todos ellos. Es obvio que la precisión de las soluciones será tanto mayor cuanto más pequeña sea la malla o conjuntos de puntos en los que se resuelven las ecuaciones. La malla que se usa y su generación, para el caso de cuerpos complejos como un monoplaza, es un punto extremadamente complejo y delicado, ya que determina la idoneidad de la solución encontrada. Las mallas estructuradas y estructuradas por bloques (o mallas Chimera) se muestran insuficientes en este campo y es preciso usar mallas no estructuradas, formadas por triángulos y/o cuadriláteros (simulaciones 2D) y tetraedros y/o hexaedros (simulaciones 3D), más difíciles de generar y tratar.
QUÉ PROPORCIONA
¿Qué información se puede extraer de un túnel de viento? En primer lugar, información precisa de las cargas a las que se ve sometido todo el monoplaza, como carga aerodinámica (downforce), resistencia (drag), fuerza lateral, así como los momentos debido al cabeceo, alabeo y viraje del monoplaza, que se miden mediante balanzas precisas localizadas bajo los neumáticos y en los diferentes soportes que sujetan al modelo. Además, es posible obtener la distribución de presiones sobre el modelo colocando sensores de presión (transductores en realidad) bajo el casco del modelo. También es
A partir de una simulación de DCF se puede extraer una gran cantidad de información, tanto cualitativa como cuantitativa. En principio, se puede conocer la distribución de presiones y temperaturas alrededor del monoplaza o en cualquier parte de él, las cargas a las que se ven sometidas las diferentes partes, incluyendo la carga aerodinámica, la resistencia, fuerzas laterales, etc. Además, permite disponer de la visualización del flujo de aire alrededor de una parte del monoplaza o sobre todo él de un modo inmediato y directo a partir de los resultados. Una de las grandes ventajas de la DCF es que se pueden evaluar diferentes soluciones (por ejemplo, diferentes derivas laterales en un mismo alerón) casi al unísono y en un corto periodo de tiempo, para seguidamente elegir el camino a seguir en el desarrollo de distintas partes del monoplaza.
CONCLUSIONES
Son múltiples los casos de monoplazas ganadores a tenor de los datos de simulación que, una vez puestos en pista, resultaron ser un sonoro fracaso. Y es que la realidad del desarrollo aerodinámico nos ofrece una radiografía imperfecta en la que sólo un elemento proporciona datos fiables e inequívocos: el circuito. En él se reflejan todas las condiciones posibles, ofreciendo a los ingenieros la verdad. Algo que, en la actualidad, ni el túnel de viento, ni la DCF, pueden aportar. Esa es la razón por la que los tests privados y los entrenamientos libres de los Grandes Premios se han convertido en la herramienta más preciada para equipos y pilotos. Una herramienta que, precisamente por ello, se limitó drasticamente al ser utilizada indiscriminadamente por los más acaudalados. Así pues, la simulación más completa es la que consta de túnel de viento y Dínámica Computacional de Fluidos
La escala de las maquetas de túnel de viento permitida por reglamento en la Fórmula 1 es, como máximo, del 60%. El tapiz rodante no puede superar los 150 km/h de velocidad.
como complemento la una de la otra. Con DCF se obtiene una aproximación, una especie de filtro a la hora de probar piezas en el túnel de viento, que sí ofrece información real, pero bajo unas condiciones limitadas por las condiciones y las características del túnel.
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Por el contrario, la DCF te proporciona velocidad de desarrollo y un coste muy inferior, ya que para realizar simulaciones en el túnel de viento es necesario construir piezas a escala. Algo que la DCF hace de modo virtual. Un binomio que no merece la pena romper. GP