Abstract:

Evidentemente, los métodos de construcción, han evolucionado enormemente a lo largo de los años, desde el remache de planchas de aluminio hasta su pegado, desde la madera hasta la fibra de carbono, desde las formas con ángulos rectos hasta las formas aerodinámicas que permite realizar la fibra. 

Todas estas mejoras, en cuanto a materiales y formas, han supuesto un avance extraordinario en lo referente a la construcción y estética, pero no en lo referente al proceso de diseño.

Los métodos computacionales, disminuyen el tiempo de cálculo y el tiempo de construcción del prototipo final o definitivo, por cuanto el ordenador puede marcar, si se usa correctamente, las pautas a seguir o los límites que no debemos sobrepasar para que el modelo tenga unas determinadas características de carrera y de comportamiento.

Por otra parte, los túneles de experimentación, permiten probar el modelo, antes de pasar a su construcción a escala incluso 1:1; ello, lógicamente, abarata enormemente todo el proyecto.

Introducción:

Lógicamente, cuando un fabricante o simple aficionado emprende la tarea (dura por cierto) de diseñar un coche de competición, ha de saber qué tipo de coche quiere o necesita, bien sea para alta competición o para disfrute propio, o para satisfacer cierta pretensión del mercado; el primer paso es justamente este: saber y decidirse por un tipo de coche en particular, tanto desde el punto de vista de la estética, como desde el punto de vista de prestaciones.

Para ello, una de las mejores maneras es buscar coches ya construidos y que sean parecidos en todos los sentidos a lo que queremos diseñar; con ello tendremos gran parte del camino ya realizado. Se nos ocurre la siguiente reflexión, muy útil por cierto, en Ingeniería: ¿porqué no existen ingenieros que investiguen en por ejemplo diseñar nuevos métodos o estructuras de presas? Las presas, hace mucho tiempo que están inventadas, y desde su origen, han funcionado más que bien; los Romanos son antiguos, pero no tontos... porqué entonces este empeño de hacer presas con diseños novedosos que quizás sean más costosas, y cuyas características y prestaciones alcancen como máximo, a las presas ya existentes? 

Lo mejor de intentar mejorar algo que funciona bien desde hace muchos años, es “imitarlo”; a nadie se le ocurre inventar otro diseño de cuchara... Lo mismo ocurre con los métodos y sistema aerodinámicos.

En la actualidad, y dada la demanda y exigencias en el mundo de la competición, las marcas se han visto obligadas a invertir ingentes cantidades de dinero, en gente especializada en diseño y en infraestructura para realizar esta actividad; los deseos de cualquier marca o equipo de competición, que “pueda” mejorar u optimizar un coche de competición, así como aquellos equipos o marcas que diseñen u coche de competición, son varios; una de ellos es la rapidez del diseño y la rapidez en obtener resultados fiables sobre aquello de pretenden al final construir y probar. 

Hasta hace unos pocos años, el método por el cual se diseñaban y optimizaban los coches de competición, era el método de acierto-fallo; consistía básicamente en probar algo que si funcionaba bien o mejor, se implementaba, y en caso que no lo hiziera, se descartaba o se intentaba mejorar; este método es lento y sobre todo caro; en un mundo actual en que el abaratamiento de los costos de diseño y competición, está a la orden del día y es uno de los objetivos básicos de la FIA, este método, está obsoleto.

La simulación CFD y los Túneles de viento, abaratan y acortan enormemente los tiempos requeridos, y necesarios por otra parte, para diseñar un coche de competición en general. Veamos estas 2 herramientas.

Simulación CFD:

Una simulación CFD (Codes Fluids Dynamics) no es más que simular, visualizar, calcular y determinar a priori, cuál será la dinámica del fluido y del coche, antes de tenerlo construido.

Para ello, es necesario e imprescindible, disponer del modelo, pieza o coche en su totalidad, en formato CAD, o al menos, en aquel formato que requiera y necesite el software CFD que usemos.
La estructura básica de un CFD, es la siguiente:

a) Preprocesador: la parte del programa que dibuja adecuadamente el diseño y lo adecua al CFD; se encarga de preparar el problema a resolver.
b) Procesador: la parte del programa que resuelve el problema.
c) Post-procesador: la parte del programa que visualiza y analiza los resultados obtenidos.

Problemas:

Los problemas son diversos; en un primer lugar la definición o planteamiento del problema a resolver es complicada y difícil; es necesario disponer de una amplia base de datos de ensayos reales sobre el problema, para que de esta forma, la simulación por ordenador sea todo lo fiable que se quiera (no se trata de generar un abanico de colores, que queda bien, no lo niego, pero es inútil....); dichos datos iniciales se denominan condiciones iniciales y condiciones de contorno; por otro lado, cuanta más exactitud se requiera o necesite, más complejo tendrá que ser el software usado y la plataforma hardware que utilizaremos para correr el programa, así como más tiempo necesitaremos invertir (tiempo de cálculo) para obtener las soluciones.

Otro de los problemas fundamentales es el mallado de la geometría; en definitiva, cuando intentamos resolver cierto problema, tenemos una geometría, la cual, en términos puramente matemáticos, está compuesta por infinitos puntos; obviamente, ningún ordenador ni software que exista en la actualidad y en ningún futuro, es capaz de procesar “infinitos” puntos; para ello, lo que se hace es discretizar el espacio, de tal forma que en lugar de infinitos puntos o nodos, usamos sólo unos cuantos (en ocasiones varios millones); para generar estos nodos, se realiza el mallado del espacio o problema. En la mayoría de ocasiones, si se pretende obtener unos resultados fiables, con mucha exactitud y precisión, el mallado no es una tarea nada fácil, y sólo al alcance de especialistas en el tema.

Ventajas:

Las ventajas son obvias: el tiempo necesario a invertir para desarrollar cierto diseño, es extremadamente corto, comparado al usado hace unos pocos años. Por otro lado, el cambio de geometría de un diseño, implica una pequeño cambio en el formato de dibujo correspondiente, pudiendo repetir la simulación en breve espacio de tiempo.

Proceso de simulación:

El proceso de toda simulación, es el siguiente:
1. Obtención del diseño en CAD (o formato de dibujo que sea capaz de leer y tratar el software CFD que tengamos y vayamos a usar).
2. Elaboración, descripción, cálculo preliminar con métodos CFD potenciales (sin tener en cuenta la viscosidad o la turbulencia), conocimiento de las condiciones iniciales y de contorno, del problema a resolver.
3. Mallado de la geometría.
4. Resolución del problema.
5. Análisis de las soluciones.
6. Vuelta (o no), al paso 1.

Aplicaciones y Prestaciones:

Las aplicaciones son múltiples y muy diversas; en resumen y para no extendernos, se refieren a todos los campos, en los que la dinámica de cualquier fluido, es esencial y es parte del problema o solución; parte de ellos, también son los problemas termodinámicos (refrigeración, por ejemplo, tan importante en el mundo de la competición, y que analizaremos en posteriores artículos, de manera exclusiva):

Por otra parte y como complemento a un buen diseño o análisis CFD, se encuentra el análisis estructural; toda dinámica de cualquier fluido, provoca esfuerzos, torsiones, deflexiones, momentos y fuerzas en general, sobre los materiales y estructuras de los que se compone el problema o coche a resolver; podemos, a partir de los resultados CFD y mediante un software especial, analizar y conocer todas esas fuerzas para de esta forma, añadir refuerzos donde convenga, a conocer a priori los límites de rotura, o las deflexiones, etc....

Túneles de viento:

Para saber si un modelo “teórico” cumple lo especificado o no y en qué proporción, no hay más remedio que intentar probar el modelo en cuestión bajo condiciones reales de funcionamiento. Lógicamente, el hecho de probarlo en condiciones reales, implica quizás el construirlo a escala 1:1 (tamaño real) y probarlo con un piloto de pruebas; ello, además de peligroso, es extremadamente caro y costoso, y alarga el tiempo de desarrollo. Por ello, se aplica lo que ya dijo, en su momento, Leonardo Da Vinci: “Tanto se mueve el aire contra la cosa, como la cosa contra el aire”. He aquí el principio de todo túnel de ensayos. Un túnel de experimentación, no es más que un recinto donde se crean las condiciones en que un coche (en este caso) va a competir, con lo que se pueden prever las actuaciones y reacciones de dicho modelo, antes de construirlo a tamaño real. En la inmensa mayoría de túneles de viento, los modelos se ensayan a escalas reducidas, aunque existen otros en que la escala es real!!!; el tamaño de éstos últimos, es enorme; pero la verdad es que existe una premisa básica, que todos los diseñadores deben tener en cuenta: cuanto más grande sea un túnel de ensayos, tanto mejor y más fiables serán los resultados. 

Evidentemente, el límite del tamaño a usar, lo pone el presupuesto que se tenga para tal efecto y la fiabilidad de la extrapolación.

Existen muy pocas Empresas que dispongan de Túneles de Viento; de todas formas, disponer de un Túnel de Viento al menos con una cámara de ensayos de 1.2x1.2x3 m, no es una idea descabellada en absoluto (coches a escala 1:4 (incluso con suelo rodante) y motos incluso a escala 1:2). El problema “acaba de ser sugerido” ...

Modelos:

Si el modelo a construir para ser ensayado en el túnel, no es a escala real, ha de ser a escala reducida; ello implica un alto grado de dificultad en su construcción fiel al original, pero posible. Cuanto más buena sea dicha reproducción, más fiables serán los resultados obtenidos con el ensayo, y más correlación tendrán dichos resultados, con los ya obtenidos en carrera real.

Hasta la actualidad, la forma más habitual de construir los modelos para ensayos o incluso para maquetas de exposición de los mismos, era el modelaje; la figura del modelista, era aquella persona que con habilidad y maestría, era capaz de reproducir lo que el ingeniero le transmitía en sus papeles y planos; ello, además de ser un trabajo complicado, es un trabajo en el cual se invierte gran cantidad de tiempo; si a ello le unimos el hecho que si dicho modelo ya reproducido, no posee las características deseadas y hay que retocarlo y por tanto, fabricar uno nuevo, el procedimiento de ensayos se convierte en algo extremadamente caro e inasumible para muchas Empresas.

Existe una tecnología: CAD-CAM (fabricación por control numérico) que en esencia, corresponde a la siguiente definición o proceso: a partir de un diseño computerizado del modelo, se lo introducimos a una máquina, la cual, a través de un proceso de fresado, mecaniza un bloque de cualquier material. Dicho bloque por tanto, se convierte en nuestro modelo a experimentar en el túnel de ensayos.

Por otro lado, en multitud de ocasiones, necesitaremos construir un modelo no a partir de un modelo CAD, sino a partir de un modelo ya construido; es decir, hacer una copia de un modelo o pieza ya existente. Para ello, se coloca dicha pieza a copiar, en un dispositivo scanner láser, mediante un palpador o incluso a través de una serie de fotos desde diversos ángulos y un software especial; los 3 sistemas producen una nube de puntos, que conforman el diseño en CAD. El citado palpador, también puede ser colocado en una máquina de CNC o ser autónomo y portátil. Este proceso se denomina “ingeniería inversa”.

Número de Reynolds:

Supongamos que necesitamos realizar 2 ensayos aerodinámicos en días sucesivos; resulta por ejemplo, que la temperatura del aire, no es la misma esos citados días; con ello, los resultados que obtenemos, son diferentes, por cuanto el día de más temperatura, las fuerzas son mayores pues, como vimos, la densidad es mayor; para evitar este tipo de problemas de escalaridad, necesitamos mantener, lo que se denomina, el Número de Reynolds fijo; no sólo depende de la temperatura, sino también depende del tamaño del objeto a ensayar, así como de la velocidad del flujo; el Número de Reynolds se define como, siendo “V” la velocidad, sea “m” la viscosidad, sea “A” el área o superficie” y sea “r” la densidad:

Por lo dicho, si queremos hacer un ensayo con una maqueta a escala 1:2, hemos de aumentar la velocidad el doble; si la densidad es la mitad, la velocidad también debemos de aumentarla el doble. Notar que si la escala es muy pequeña, por ejemplo en el caso de coches 1:10, necesitamos, para que los ensayos sean análogos y los resultados extrapolables, que la velocidad sea 10 veces mayor ¡¡¡¡¡; ello no es posible, puesto que a partir de 330 km/h más o menos, se hacen patentes otra serie de fenómenos, no relacionados directamente con los coches de competición; para evitar este problema, es posible disponer de un túnel de agua, con lo que le densidad es 1000 veces mayor que la del aire, pudiendo realizar ensayos que equivalen a grandes velocidades. Por otro lado, es posible incluso, presurizar el túnel de ensayos, de tal forma, que podemos variar la densidad del aire a nuestro antojo, con el mismo objetivo; el problema de estos túneles es que son extremadamente caros y costosos.

Por tanto y como resumen, hay que tener en cuenta, que podemos jugar con la velocidad, la densidad y la viscosidad, para mantener el Número de Reynolds constante, que en definitiva, es el objetivo de un túnel de viento.

Tipos de Túneles:

Tipo abiertos: o tipo Eiffel; recogen aire y lo lanzan directamente a la atmósfera. No son presurizables, con lo que la densidad no se puede variar; están a expensas de los cambios de temperatura del aire; de todas formas, pueden variar la velocidad del flujo para mantener el número de Reynolds:

Tipo cerrados o cíclicos; son del mismo tipo que los anteriores, pero uniendo el principio y el final; se pueden presurizar y el mantenimiento de una temperatura constante del aire, es más fácil:

Luego existen otro tipo de bancos de ensayos, que son simplemente “sopladores de aire”; es necesario laminar convenientemente el aire “enroscado y turbulento” que expulsan:

En tercer lugar, se encuentran los túneles de agua, normalmente usados para ensayar modelos de alta velocidad; las cámaras de ensayos, suelen ser pequeñas:

Evidentemente los últimos, son aquellos capaces de alcanzar velocidades supersónicas, pero las cámara s de ensayos, son extremadamente pequeñas:

Medidas:

Un túnel de viento, sin medición, no sirve para nada. Las medidas que podemos realizar, son muy variadas y se extienden a diversos campos de aplicación: fuerzas, momentos, temperatura, presión, vibraciones, humedad, etc... Existen 2 tipos de sensores: los fijos y los móviles; los fijos se usan principalmente para determinar parámetros del flujo, y los móviles para determinar los valores correspondiente allí donde se requiera o necesite (mediante lanzas o parrillas de sensores). Las balanzas de fuerzas y momentos, son esenciales en todo túnel de viento:

Accesorios:

Los accesorios son diversos; podemos encontrar cámara de alta velocidad, cámaras de infrarrojos (para determinar campos de temperatura), anemómetros láser-doppler, etc.... Pero sin ninguna duda, uno de los elementos más importantes de todo túnel de viento, enfocado a automoción, es el suelo rodante.

Suelo rodante:

Como aplicación directa de lo que ya en su día dijo Leonardo Da Vinci y que ya hemos relatado, para ensayar un modelos correctamente, es necesario hacer que el suelo se mueva con respecto el coche; de hecho, en la realidad, esto también ocurre.

Podemos encontrar 2 tipos: cuya banda rodante alcanze las ruedas, y la que no:

El perfil de velocidades, pues, cambie drásticamente, con la existencia del suelo rodante:

Cualquier estudio serio y de calidad, ha de tener en cuenta la existencia y el hecho de que el suelo, cuando el coche está en movimiento, se mueve por debajo de él; esto, es algo obvio, pero no se tiene demasiado en cuenta.

A título de curiosidad, los equipos que disponen de túnel de viento, y en función de las características del asfalto de la próxima carrera a disputar, fabrican la banda rodante del suelo rodante, con las mismas características (rugosidad, etc) del asfalto donde vayan a competir...

Visualización del Flujo:

Otra de las cosas o aplicaciones muy importantes, aunque no sean relativas a la cuantificación pero sí a la tendencia o comparación, es la visualización del flujo; para ello, en el caso de túneles de agua, se utiliza tinta de diverso color, que el propio modelo expulsa a través de orificios estratégicamente colocados y dispuestos:

En el caso de túnel de viento, se utilizan generadores de humo:

Hay que tener en cuenta, por ejemplo, que no se trata de introducir humo en el flujo de aire; es necesario introducirlo a la misma velocidad del flujo.... con ello, no insertamos perturbación alguna, o el menos, la menor posible y deseada; ello complica la infraestructura y el sistema inyector.

Conclusiones:

Hemos visto, aunque sea por encima, los distintos métodos y sistemas, que los equipos de competición poseen para diseñar, ensayar y construir sus modelos. Hay que tener en cuenta que toda esta infraestructura es cara y costosa, y no sólo de adquirir, sino de mantener y poseer la capacidad de usarla correctamente. De todas formas, el disponer de un túnel de por ejemplo, 1.25x1.25 m de cámara de ensayos y de un buen software CFD, no es algo demasiado caro, y cualquier equipo de competición, puede tener; obviamente, los equipos de fórmula 1, disponen de suficiente dinero para permitirse este lujo, que más que un lujo, es una necesidad. Recientemente, Renault anunció que construía otro túnel de viento, pues con el que tenían, con 3 turnos de operarios e ingenieros, no disponían de suficientes horas al año, para realizar todos los ensayos e investigaciones...

En el próximo artículo, analizaremos el efecto suelo en general; veremos ejemplos reales, la telemetría que se puede usar para analizarlo y optimizarlo, así como en el campo del diseño inicial.

Reseña sobre el autor: Timoteo Briet Blanes, Licenciado en Matemáticas y Doctor Ingeniero Industrial; Profesor Universitario de Mecánica de Fluidos y Aerodinámica; Especialidad en Simulación CFD y Aerodinámica; Gerente de "Turbulencia Engineering"; ha trabajado con diversos Equipos de Competición: Campeonato del Mundo de Motos de 125 y 250 cc, Fórmula 3, Fórmula GT, Renault Mégane Trophy, Diseño de Camiones y Autocares, Diseño de Cascos de Veleros para la Copa América de vela, Elementos Aerodinámicos de Automóviles, Cascos de Competición, Diseño de Aeronaves, Energías Eólica, Térmica y Mareomotriz, Aerodinámica Industrial, Diseño, Fabricación, Instalación y Puesta en Marcha de Túneles de Viento, etc. Posee diversas Patentes relativas al mundo de la Aerodinámica, así como numerosas Investigaciones al respecto.

 Timoteo Briet Blanes
Turbulencia Engineering