Túnel de Viento vs CFD
En el mundo de la competición, las simulaciones aerodinámicas son muy importantes dado que no hay tiempo material para realizar ensayos de prueba y error. Una vez que un coche llega al circuito debe haber una serie de parámetros medianamente ajustados y las probaturas deben ser mínimas. Por otra parte, a la hora de diseñar y fabricar, bien sea un coche completo, una determinada pieza o dispositivo aerodinámico, el poder evitar la fabricación completa de la pieza para probarla nos ahorrará mucho tiempo y dinero. Por todo esto en el mundo de la competición de usan básicamente dos grandes técnicas de simulación aerodinámica: el túnel de viento y los programas CFD.
El túnel de viento, resumiendo mucho, no es otra cosa que un gran ventilador encerrado en un circuito de atmosfera controlada que nos permite controlar diversos parámetros del aire como pueden ser su temperatura y humedad así como mantener un régimen laminar en el aire que incide sobre la pieza a ensayar.
Si vemos un esquema algo más completo de un túnel de viento, nos podremos hacer una idea más aproximada de la infraestructura necesaria.
EL CFD, siglas en ingles de Computer Fluid Dynamics, no es otra cosa más que la simulación por ordenador de un túnel de viento (en lo que a ingeniería de competición automovilística se refiere claro está, ya que con estos programas se pueden simular multitud de cosas).
Imagen obtenida con un programa de CFD
Últimamente, se ha podido asistir a una especie de discusión entre cual de las dos técnicas debe ser la empleada para el diseño de un coche de carreras, todo esto surgió a raíz de las declaraciones de Nick Wirth, Jefe de Diseño de Virgin Racing, que afirmaba que su coche se había diseñado sin uso del túnel de viento.
Estoy seguro que se nos medirá según como de rápido vaya el coche en Jerez la semana que viene, pero espero que, vaya como vaya, ello no desmerezca el gran logro que es construir un equipo desde cero, con el valor y convencimiento que ello requiere.
En muchos sentidos esto es una exploración pero dada la confianza que tenemos en nosotros mismos, no puedo evitar sentirme tremendamente entusiasmado, con lo que podremos llegar a hacer dentro de unos años.
De momento tengo ganas de ver al VR-01 en pista durante las próximas semanas, mientras nos preparamos para el primer gran premio de Virgin Racing.
Por otra parte el Diseñador Jefe de Red Bull, Adrian Newey, afirma que sin túnel de viento es imposible diseñar un coche competitivo de competición.
El CFD es una simulación electrónica de un entorno real, pero tiene limitaciones: todas las pruebas en el CFD son discretas, mientras que en el túnel del viento una prueba normal dará veinte o más puntos de datos. En otras palabras: equivale a veinte pruebas en el CFD.
Es un camino alternativo. Mi opinión es que todavía se necesita combinar ambas opciones. Pero quizá sus coches funcionen muy bien y yo tenga que revisar mi opinión.
Pues bien, mi opinión personal, y recalco lo de personal porque cualquiera de los dos anteriores me darían mil vueltas (y creo que me quedo corto) a la hora de diseñar un coche de carreras, es que la forma idónea es una combinación de ambos métodos, que por otra parte es lo que hace la mayoría de equipos de competición.
¿Qué nos aporta el túnel de viento?
El uso del túnel de viento, nos aporta una serie de datos “controlados”, es decir, para una temperatura, humedad, velocidad, etc, de aire conocidos, obtengo un valor de downforce (carga aerodinámica) y un valor de drag (resistencia aerodinámica) dados. Pero el problema es que no podemos simular todas las condiciones que nos encontraremos en pista en un túnel de viento, primero porque no existe tiempo material y segundo porque el uso del túnel de viento consume muchísimos recursos económicos.
Pero estos datos obtenidos en el túnel son muy útiles, ya que son reales para esa serie de condiciones conocidas, con lo cual podremos comparar los resultados obtenidos en el cálculo CFD con los obtenidos en el túnel.
Veamos un interesante vídeo que explica, más en profundidad, los usos del túnel de viento en la Fórmula 1:
¿Qué nos aporta el CFD?
Bien, el cálculo mediante ordenador me permite sin necesidad de fabricar una pieza simular su comportamiento, con lo cual ahorrare tiempo y dinero y tendré los resultados que le pida al programa.
Pero, ¿cómo sé que las simulaciones obtenidas de mi ordenador son ciertas?, aquí es donde entra la correlación entre los datos obtenidos en mi túnel real y en mi túnel virtual. Debo realizar la simulación virtual en las mismas condiciones en las que funciona mi túnel de viento y solo entonces podré comparar mis resultados “reales” y virtuales.
Llegados a este punto, podré realizar un ajuste de mi modelo virtual (cosa bastante complicada por otra parte) para que se ajuste a la realidad y así obtener unos resultados virtuales fiables. Una vez conseguido un modelo virtual ajustado, podré realizar tantas simulaciones como quiera o pueda, teniendo en cuenta todos los parámetros y variaciones que necesite.
Veamos el aspecto de algunas simulaciones realizadas con programas de CFD:
Y aquí otra vez estaría el problema del tiempo y del dinero, si quiero simular absolutamente todo con un ordenador convencional, el tiempo se me echa encima, ya que la carrera comienza estés o no preparado. Por lo que necesitare grandes ordenadores que realicen más cálculos por unidad de tiempo, lo que me llevará a invertir más recursos económicos cuantas más cosas o parámetros quiera simular.
Por lo tanto, al final todo es valorar el tiempo que tengo, la cantidad de dinero y las simulaciones que quiero realizar.
Pienso que en estos momentos la CFD no es tan exacta, completa y real como lo pude ser el tunel de viento.
Pero por otro lado, creo que es el futuro, será cuestión de años para que la interelación entre lo real y lo virtual sea 100% exacta y fiable. Además de los beneficios en costes y medioambientales del CFD.
Creo que Virgin, en este aspecto ya es un ganador, crear un coche desde cero, que al menos no se comporte extremadamente diferente a un fabricado con la cambinación tunel/CFD es para poner a pensar a los equipos grandes.
Puede que lo que haga falta es un cambio generacional para comprender, evolucionar y perfeccionar los sistemas virtuales.
Lo que está claro es que de momento, no se pude ser competitivo solo utilizando el CFD, pero en el 2010 veremos el primero de muchos coches fabricados (a futuro) solo con CFD y con 1/10 parte del presupuesto de uno de los grandes.
Gracias por poner luz sobre la “magia” del CFD y de los túneles de viento. En este deporte y en los periódicos en general todo el mundo habla de túneles de viento y de dinámica de fluidos como la cosa más normal, se ha introducido en nuestro vocabulario como si nada pero pocos, muy pocos, saben las horas y el trabajo que se oculta detrás de los conceptos que significan esas palabras.
Enhorabuena. Muy buen artículo.
Saludos.
Juan
Muy buen articulo.
Yo sólo puedo dar mi opinión, muy limitada y poco acorde con los altos rendimientos de la F-1. Pero en mi empresa diseñamos y creamos piezas en el ordenador con las que esperamos obtener unos resultados pero hasta que las llevamos al banco de ensayos nunca sabes realmente si has alcanzado las prestaciones previstas. No es exactamente lo mismo que CFD y túnel de viento si no que si lo extrapolasemos a la F-1 sería CFD más comprobación real en pista pero me sirve para decir que visto lo visto lo ideal sería una mezcla de los dos. Totalmente de acuerdo con Fastech.
Cambiando de tema ¿alguién sabe más sobre las sospechas de RBR y Ferrari sobre el alerón del McLaren?
salu2
Esto viene 100% al tema: Aerodinámica y Mclaren:
http://www.thef1.com/noticias/noticias-2010/marzo-2010/mclaren-elimina-sus-alerones
Yo que voy a decir de la labor de Fastech. Muchas gracias, una vez más, chicos
@Guille
Una pequeña pinceladita sobre el impacto ambiental. A día de hoy es similar ese efecto en ambos sistemas, piensa que estamos hablando de máquinas que ocupan metros cuadrados de extensión y desprenden un calor tremendo. En el siguiente reportaje de La Sexta (ir al minuto 4:45) se comentaba esto mismo que digo:
http://www.youtube.com/watch?v=5KJe8HoSIvo
@Guille A ver, creo que cualquiera de los chicos de Fastech te podrán contestar mejor que yo. No acabo de entender eso de que se haga entrara en pérdida para ofrecer menor resistencia al avance. Hasta cierto punto eso podría ser correcto ya que al eliminar la componente de la downforce eliminamos drag…. pero… ¿y las turbulencias generadas por la pérdida?¿son despreciables o compensan frente a la pérdida de downforce? y otra cuestión
¿es suficiente el resto de apoyo aerodinámico como para deshacerse de la downforce del alerón trasero?
Buffff, me resulta difícil de masticar a no ser que lo hagan sólo en un área muy pequeña del alerón.
Saludos.
Juan
@Artabrus
Andamos moscas con el tema del ala trasera del McLaren en:
http://www.efectosuelo.com/04-03-2010-una-de-breves/
Salu2!
PD: Por no mezclar temas
Hola a todos,
no tenia ni idea del tema de la aleta de tiburon de mclaren, pero así a bote pronto y mezclando un poco todo lo explicado por piratF1 en su ultimo articulo, y corrigeme porque igual estoy metiendo la pata hasta el fondo. Si le metemos aire caliente a un aleron, la densidad del aire que lo rodea será menor, por lo que tanto downforce como drag disminuyen. SI esto es asi, imagino que el aire que sale del motor será mucho mas caliente en recta (ya que el motor trabaja a tope) que en curva, por lo que podria tener sentido lo que se explica en el articulo de TheF1.
Y un temor que tengo en la cabeza desde hace un tiempo, Mclaren no hace mas que probar y probar con sensores extraños (los famosos peines). ¿No estaran tomando datos para ajustar sus modelos CFD y de tunel de viento para cuando los test esten prohibidos? No he visto a ningun otro equipo tan dedicados a esa labor que puede resultar muy util conforme avance la temporada.
Un saludo
Pues a mi tampoco me queda claro lo del Mcalren, no termino de entender como logran que el coche ruede sin downforce en las rectas, lo enetendía cuando el alerón era flexible.
Jors: perdona si estoy mezclando temas, pero me parece que va ligado a este tema, por cierto, excelentemente explicado.
Saludos.
A mi me da que en Silverstone el Mclaren sale volando..jejeje!
Puede ser que el capo motor al unirse completamente con el alerón trasero haga que el monoplaza pierda downforce en las rectas y eso le permita coger mas velocidad punta.
No se es solo una conjetura.
Menuda pasada de frenada XDDDD
Había entendido que el aire se soplaba fuera y no dentro.
@Sergio a ver, una pregunta Si aumentamos la Tª en el alerón y producimos una baja presión por calor a su alrededor ¿qué ocurriría? ¿que las partículas que en un alerón se quedan pegadas a la superficie para y que luego forman la “burbuja de vacío” en la curvatura(sustentación en los aviones, XD para mí es más fácil verlo así) , esas moléculas de aire tenderían a moverse más y evitarían la “burbuja” evitando así la sustentación?¿no se produciría casi el efecto contrario como si hubiéramos introducido micro turbuladores?. No llego a entender el comportamiento del fluido aun nivel tan “micro”.
En cuanto a las “parrillas pitotianas” XD me temo que estás en lo cierto. Ellos fueron los que mejor simulador tuvieron durante mucho tiempo y me temo que están dándole mucha información al ordenador para volverlo lo más listo posible pero creo que están estudiando a fondo la aerodinámica interna, de echo es algo que cometamos Off record y que debido a esos estudios el último día presentaron un nuevo capó con los escapes completamente distintos. Creo que sospechaban ya algo y que fueron preparando la solución para los test y en ellos sólo confirmaron con el coche en pista como si estuviera en el túnel.
Gracias por el apunte.
Un saludo.
Juan
@PiratF1
Sin meterme en cosas tan profundas como el nivel micro, solo por la ecuacion de Bernouilli si hacemos descender la densidad del aire, el valor de la presion descendera, tanto la positiva como la negativa, con descender me refiero a que se ira aproximando a cero y no que se hace mas negativa (no se si me explico con esto muy claramente). Con lo que pienso que por tanto se reducen la downforce y el drag (que en este caso es lo que interesa). Seria lo mismo que en la misma ecuacion ir reduciendo la velocidad, con velocidad cero no hay downforce luego con densidad cero tampoco.
Bingooooo!
ahora sí que está claro.
Mil gracias, ya lo he cogido
Saludos.
Juan
A mi me da que en un par de años y gracias todos los datos con los que han estado alimentado el CFD de Mclaren, van a ser los primeros en sacar el 100% de la capacidad a este súper ordenador, que muy al estilo Mclaren debe ser el más potente de UK (además del más limpio y pulcro)
Ojito, que al primero que le saque el “rendimiento” a esta herramienta, que como todo apunta será Mclaren gracias su antenas y artilugios lo tendrá fácil por unos cuanto años (léase campeonatos)
Espero equivocarme.
que fué del ingeniero de motores de mark webber ( Pierre-Emeric Benteyn), que se había perdido en una escalada al aconcagua???
Es posible que en Mclaren midan todo con las jaulas y pedales que le han puesto al coche, pero aunque queda muy chulo hablar de esto, que claro es el futuro y tal, la realidad nos demostro que el KERS no era el copon y el super ordenador de Renault, BMW, tampoco. Son los calculos tan complicados o el nivel de calculo no tan grande como se deberia??
Hay mucha gente buscando cosas nuevas y cuando se ponen, se ponen en todos los equipos a la vez.
En estos dias de paron, lo mas bonito es generar espectativas….. pero no se trata de algo tan complicado el difusor y KERS, que si que afectaba a todo el coche.
Mercedes, suponiendo que no va de farol y saca algo “no correcto”que le hiciese andar mas al coche, se puede dar el caso que hasta que se aclarasen(FIA) 2, 3 carreras; les daria tiempo a cojer al resto, eso si es que estan por detras.
Mclaren seguro que han puesto todo y mas para lucir, Ferrari ha ido como Jack el destripador, por partes…a ver si cuando las junten les sale Frankestein o no
Madre mía! los aportes en este blog son increíbles. No puedo sino rendirme ante la evidencia de que sí se puede encontrar una web sobre F1 sin antialonsistas ni alonsistas de esos que contaminan toda tabla de comentarios. Enhorabuena y no cambiéis nunca.
Sobre el tema aerodinámico que ha montado el revuelo en torno al McLaren, se trata simplemente del alerón trasero o va relacionado también con el famoso “snorkel”? De existir relación entre ambos sistemas, cómo funcionarían entre sí?
Gracias de antemano.
Mirar este enlace que explica el tema del aleron trasero del Mclaren. Creo que lo explica muy claro.
http://blogs.mundodeportivo.es/bernoulli/2010/03/05/ferrari-red-bull-y-el-aleron-trasero-de-mclaren/
Lo primero, buen articulo.
En cuanto a los tuneles de viento, siguen siendo con mucho, mas rapidos que el CFD, en cuanto a precisión, teoricamente tambien es mas preciso (pero desconcodemas como de buenos son los Cfd con los que cuenta la f1, quiza nos llevaramos una sorpresa).
Evidentemente lo mejor es el Cfd para modelos preeliminares y el tunel, o los tuneles para afinar mas, siempre que tengas dinero….
Mi opinion es que para un equipo nuevo, y con muchos menos recursos, es mas racional prescindir del tunel de viento. ¿tiene sentido gastarse una millonada en tener una buena aerodinamica a principio de temporada cuando probablemente te lleve 4 o 5 carreras ser fiafle? Vale mas que lo hagas cuando tu coche es fiable y ves lo que les funciona a los demas. Mas le hubiese valido a Campos o Hispania o como termine por llamarse, haberse ahorrado el dinero del desarrollo en tunel de viento y haber echo un test.
Estais hablando de flujos calientes de como afectan, como funcionan etc, ¿como simulamos esto en el tunel de viento? en cambio podemos hacer experimentos de transferencia de calor en Cfd.
Otro dato importante es que hasta que el coche no pisa la pista y tomas datos, tus resultados de tunel de viento, Cfd, post rig o cualquier otra simulacion, no tienen todo su valor. La temporada pasada hubo equipos que llegaban al circuito a pobar piezas que las simulaciones decian que eran mejores pero el reloj decia que no, habian perdido la correlacion entre los resultados de pista y la simulación.
A parte de todas estas cuestiones tecnicas, creo que existen otras cuestiones económicas, si le preguntas a alguien que se dedica a los ensayos en tunel, te tratara de vender que lo que dice el tunel “va a misa” (cosa que es falsa porque solo es otra forma de simular) y es que quien ha echo una inversion enorme en un tunel, teme que le quite el trabajo alguien con “un monton de ordenadores enchuafados unos a otros”.
Cuanto mas se use el Cfd mas evolucionara, y los ordenadores solo es cuestion de tiempo que dupliquen su potencia.
Fastech, ¡¡¡Muy Bién!!!
Antes que nada muy buen apartado técnico del blog. Después, llego un poco a la discusión, pero, ya que estoy no me voy a ir sin aportar
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Hasta donde sé, el problema de los CFD, o sistemas de calculo computacional por elementos finitos, pasa por la dificultad de simular los efectos causados por un flujo turbulento, como el que recibe cualquier móvil que se desplaza muy cerca del piso. Los sistemas CFD han demostrado muy eficazmente su valía en el diseño aeronáutico ya que al desplazarse en medio de un fluído se considera que los aviones se enfrentan a un flujo de aire cercano al idela de un flujo laminar (nunca en la naturaleza encontramos este tipo de flujo).
Si bien los sistemas CFD han avanzado mucho en este sentido, no han logrado aún modelizar correctamente la turbulencia que genera el aire empujado por un auto que rebota contra el suelo.
Hace media hora que intento tedactar esto pero no encuentro como resumirlo. Pero esl tema está en que estos sistemas de calculo lo que hacen es algo así como dividir el fluído en tantas porciones (elementos) tan pequeñas como se pueda para calcular lo que hace cada una en cada momento y de allí armar el modelo completo. Para esto se vale de ecuaciones matemáticas las cuales para resolverse requieren datos presisos tales como la masa, velocidad, aceleración y fuerza que afectan a cada elemento. Si partimos de un fujo laminar tenemos estos datos iniciales, pero si el flujo es turbulento, tendríamos que calcular como se movía ese vórtice que provocó otro vórtice y así sucesivamente hasta que nos toparíamos con el caos y cosas que ya no entiendo. Pero básicamente, si yo no sé como se mueve algo, tampoco podré calcular como se moverá después.
Pero esto no quiere decir que los equipos deban tirar estos programas a la basura, ni mucho menos, los resultados que arrojan luego de afinar debidamente los calculos, son muy precisos. La pequeña ventaja que tiene un tunel de viento es que si bien el flujo de aire se rectifica antes de ingresar al recinto de medición, el piso sigue estando, por lo que hay fenómenos que se asemejan a la realidad. Ademas los resultados se ven en tiempo real.El inconveniente, como dice Javier, es que para probar algo en un tunel de viento primero hay que construirlo y si no funciona?, por más que sea una maqueta a escala el costo de esto muy alto, mientras que con un modelo virtual, sólo hay que dibujarlo de nuevo.
Pero como alguna vez dijo alguien “la unica verdad es la realidad” y tanto el túnel de viento, como el CFD siguen siendo simulaciones y la diferencia sigue estando en la capacidad y experiencia que tenga aquel que utilice estos métodos para simular la realidad y disernir de entre todos los datos cuales están mas cerca de lo real.
Este camino empezó hace mucho, a principios de los ´70 Oreste Berta empezaba a experimentar con el calculo computacional utilizando para calcular los esfuerzos de las suspensiones, en una ocasión un ingeniero de Lotus hablando del tema, se rió y dijo -”como van a hacer un auto por computadora..”
Saludos y perdón por la redacción.