Timoteo Briet, Enrique Scalabroni e Ignacio Suárez
Introducción
Este es el primer artículo en Graining de una larga serie de artículos que vamos a ir incorporando a esta magnífica web. Nos dedicamos a la formación en motorsport, hace muchos años; en el año 2004 iniciamos nuestra actividad docente con cursos de fin de semana y no hemos parado hasta la fecha de hoy. No dejamos de hacer cursos online y presenciales en empresas y equipos de competición, lo que nos permite hablar con experiencia de ciertos asuntos sobre los que hay mucho secretismo. Es como si a los ingenieros les diera «miedo» divulgar sus “secretos”, nosotros somos partidarios (siempre lo hemos sido) del conocimiento libre en su extensa acepción. Somos tres los integrantes de este fantástico proyecto: Timoteo Briet, Enrique Scalabroni e Ignacio Suárez (breve descripción de sus trayectorias al final del artículo). Esperamos compartir con Graining todo este magnífico proyecto de divulgación de la técnica en motorsport.
Objetivos
Son dos principalmente los objetivos de este primer artículo.
- Analizar qué es un estudio de malla.
- Qué significa y cómo se programa la llamada intensidad de turbulencia.
CAD utilizado
El CAD sobre el que vamos a trabajar, como pieza imprescindible para mostrar lo que se explica, corresponde a uno (que forma parte del conjunto de CADs que el estudiante de nuestro curso online de CFD recibe) de un Fórmula; este CAD, como se puede ver a continuación, es extremadamente simple. Ello es necesario siempre cuando alguien empieza a aprender simulación CFD; es necesario contar con un CAD sencillo y por lo tanto:
- Fácil de mallar.
- Corto tiempo de realización de la malla y de la propia simulación (pre-proceso y proceso CFD).
Disponer de un CAD en estas condiciones de simplicidad ayuda enormemente a un buen aprendizaje de las técnicas necesarias para la elaboración de una correcta simulación CFD. Cuando se habla de «correcta simulación», siempre nos referimos a la concordancia entre valores simulados y valores reales: en CFD, es muy «sencillo». Es «sacar colores y valores», pero que sean «válidos» y «reales», es otro cantar muy diferente: el objetivo del ingeniero aerodinámico es crear una buena simulación CFD que refleje la realidad.
Estudio de malla
No vamos a profundizar en la elección del tipo de mallado, de los tamaños de malla, de los tamaños de capa límite o de los modelos de turbulencia. LO haremos en próximos artículos, pero suponiendo que ya hemos elegido lo que acabamos de comentar, nos encontramos en el inicio del llamado estudio de malla.
Cuando hayamos elegido los tamaños de malla para cada elemento de nuestro vehículo, normalmente se hará en función (porcentaje) de un valor base. Pero hemos de colocar los tamaños de malla exactos para cada elemento; para conocerlos con detalle, se empieza haciendo una primera simulación calculando por ejemplo, la downforce (total o de una pieza determinada). Vamos variando los tamaños de malla haciéndolos menores y vamos haciendo simulación tras simulación; no es necesario hacer, de momento, las ruedas rodantes, o el suelo rodante o incluir la refrigeración de los radiadores, puesto que se tratan de simulaciones simples y rápidas. Basta con hacer cinco simulaciones. Si representamos los datos obtenidos de esta forma:
¿Cuál será el tamaño final de malla que elegiremos para nuestra simulación? Será aquel para el que la downforce se haya estabilizado; es decir: a pesar de hacer más y más pequeña la malla, los resultados permanecen inalterables. En este caso, prácticamente con la tercera ya sería suficiente.
Intensidad de turbulencia
¿Por qué nos hemos inclinado en esta primer artículo a explicar el denominado coeficiente de intensidad de turbulencia? La verdad es que existe muchísimos índices, valores y demás muy útiles para conocer el comportamiento aerodinámico de un vehículo utilizando técnicas CFD, pero quizás este índice de intensidad de turbulencia sea uno de los más importantes, a la vez que ocultos. Es un valor oculto puesto que la inmensa mayoría de códigos CFD necesitan programar canales matemáticos para generarlo. He aquí la razón fundamental de nuestra elección.
La intensidad de turbulencia es un valor que refleja el porcentaje de turbulencia que existe en una determinada zona: punto, sección o volumen. Dicho porcentaje varía entre 0% y 100%:
- Entre 2% y 3,5 %, se considera el régimen laminar.
- Ente 3,5% y 100% se considera el régimen turbulento; de hecho, valores entre 5% y 10% ya son valores muy turbulentos.
Es un índice extremadamente importante, por ejemplo, en el diseño de túneles de viento; un túnel de viento necesita que el flujo en su interior sea laminar. Se requieren valores no mayores del 2% para asegurar dicha laminaridad.
Se define la intensidad de turbulencia, I, como el cociente entre la llamada energía cinética turbulenta, TKE, y la velocidad media, u. TKE sí es un valor que los códigos CFD calculan de manera automática (siendo (x,y,z) las componentes del vector velocidad u):
I = sqrt(2*TKE/3)/sqrt(x^2 + y^2 + z^2)
En nuestro caso, por ejemplo, hagamos una sección longitudinal a mitad del coche y representemos este valor de I:
Es más: podemos variar los límites del rango de colores para localizar las zonas laminares y las zonas turbulentas que necesitan mejorar o mantener. Se observa en las siguientes imágenes que las zonas laminares prácticamente no existen, mientras que prácticamente todo es turbulento:
Este índice I es esencial para un correcto diseño de:
- Front wing: generando mucha downforce pero con poca turbulencia hacia atrás.
- Correctores en las ruedas, para eliminar o mitigar las turbulencias ocasionadas por las ruedas en su conjunto.
- Correctores para aumentar la turbulencia del aire de refrigeración; para refrigerar es mejor aire turbulento, por ejemplo.
- Etc., un sinfín de aplicaciones que ya iremos desarrollando y estudiando con detalle en otros artículos.
Resumen y conclusiones
Hemos analizado dos de los pasos a seguir más importantes en cualquier simulación CFD; en próximos artículos, hablaremos de muchas más cosas. Podéis plantearnos asuntos diversos a tratar a partir de Graining. Esperamos que os haya gustado el comienzo de esta serie, nos despedimos.
Autores
Timoteo Briet Blanes: Aerodynamic and CFD engineer, Mathematicien, Cosmologist, Economist; racecarsengineering@gmail.com ; https://www.linkedin.com/in/timoteobriet ; Online Courses CFD and much more; Aero and CFD professor; Twitter: @TimoteoBriet :
Enrique Scalabroni: Dallara Automobile, Williams F1, Ferrari F1 Chief Designer y Lotus F1, Peugeot Group C, entre otros muchos.
Nacho Suárez – PhD Electronics Engineer Vehicle Dynamics, Virtual 7-post rig, Simulation, Autonomous Vehicles, Embedded Systems, Control:
nachosuamar@gmail.com – https://www.linkedin.com/in/nachosuarezphd/
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