CFD: DINÁMICA COMPUTACIONAL DE FLUIDOS EN LA F1

Bueno amigos, llegamos a uno de los apartados que día a día está tomando mayor relevancia en el mundo de la F1, el diseño de los coches gracias a la Dinámica Computacional de Fluidos o más conocida por sus siglas CFD. Como sabemos, a la hora de diseñar y construir un monoplaza de Fórmula 1 el camino más frecuente entre los equipos es utilizar el túnel de viento, la herramienta por excelencia. Pero desde hace unos pocos años, con la llegada de BMW, se promovió en el paddock una nueva forma de hacer crear los coches sin necesidad del aire. Muchas veces cuando entramos a discutir si un ingeniero tal hace maravillas o un diseño cuál es el mejor damos por hecho que el trabajo de diseño es lo más importante pero no solo de pan vive el hombre y gran parte de las maravillas son gracias a este engendro. Habéis acertado, sí, me estoy
refiriendo a Red Bull y a Newey, pero ¿por qué lo digo?. Para comprender el éxito actual del equipo austriaco sería conveniente mirar a sus orígenes. Cuando la marca de bebidas decidió entrar en la F1 comprando Jaguar inició una etapa de desarrollo bajo la tutela de se ingeniero jefe apostando muy fuerte en una tecnología que hasta entonces estaba algo infravalorada y que gracias a ingentes cantidades de recursos, tanto monetario, tecnológico como en personal quisieron explorar y explotar sabedores que sería el futuro. Unos años después,  el sistema está más que pulido. Con unos nuevos programas informáticos desarrollados por ellos, bien engrasados, con personal altamente cualificado y con tecnología punta son los reyes del Mambo en una categoría en la que las pruebas en pistas están muy limitadas y eso es un punto a favor o ¿cómo son capaces de cambiar medio coche con tan pocos ensayos al final de temporada? Pues gracias al CFD.
Ahora otros quieren recorrer dicho camino pero esto no es fruto de un día. Ellos ya lo hicieron y ahora ven los frutos pero hay que tener paciencia y sobre todo dinero.  
La dinámica computacional de fluidos, es una rama de la mecánica de fluidos que utiliza métodos numéricos y algoritmos para resolver y analizar problemas que involucran flujos de fluidos. Los ordenadores se usan para llevar a cabo los cálculos necesarios para simular la interacción de los gases con las superficies y contornos del coche o del elemento que sea, llámese avión o pelota de tenis. Gracias a las altísimas capacidades de cálculo y de velocidad de los superordenadores actuales junto a la investigación en software que mejoran tanto la precisión y la velocidad de escenarios de simulación como curvas, turbulencias, etc pueden lograrse multitud de soluciones a los problemas creados, ¡pero! en muchos casos solo se pueden alcanzar resultados aproximados. Las continuas mejoras reducen el margen de error al tiempo que permite analizar situaciones cada vez más complejas como los fluidos transónicos y los flujos turbulentos.

El método: 

Lo primero que se hace es cuadricular el espacio. Consiste en  coger una región del espacio y crear una malla espacial, es decir, se divide una región del espacio en pequeños volúmenes de control. 

Malla espacial.

Una vez dividido se resuelve en cada una de las cuadrículas las ecuaciones de cálculo mediante los programas informáticos, de forma que en realidad, se resuelve una matriz algebraica en cada celda que forma un itinerario (realmente se define como iterativo)  que en cristiano significa que el valor de salida de cada celda será usando por la siguiente como valor de entrada y así sucesivamente para poder hacer un cálculo más complejo  y poder saber cuál será el recorrido que haría una molécula por ejemplo de aire cuando pasara por cada una de las celdas y poder hacer así el recorrido total de la misma en su tránsito por todas ellas. La malla puede ser uniforme o no uniforme dependiendo del volumen ocupado por el fluido, es decir puede haber celdas más grandes que otras y de forma desigual y la totalidad del sistema puede constar  del orden de cientos de millones de células, siendo necesario un robusto mallado algoritmos para poder obtener los valores correctos de la presión y perfiles de velocidad alrededor del coche y luego utilizar estos datos para calcular la resistencia aerodinámica y el equilibrio que experimenta el vehículo.

Para que el software pueda ser utilizado y que sus resultados sean fiables es necesario realizar dos pruebas importantes, una validación inicial de dicho software que se realiza mediante un túnel de viento y posteriormente otra validación final que requieren pruebas a gran escala en pista.
Actualmente es una herramienta más que junto a los túneles de viento utilizan todos los equipos de Fórmula 1 para desarrollar sus paquetes aerodinámicos, unido indivisiblemente  con las pruebas en pista.

Pero ¿cómo se inicia el diseño? La F1 es un deporte único desde un punto de vista técnico, donde todos los equipos, tanto de fabricación como de componentes del diseño parten de una hoja en blanco para ajustarse a un determinado conjunto de reglas, el llamado reglamento técnico. Estas normas se interpretan de manera diferente por todos los equipos pero realmente no hay una gran libertad a la hora de realizar el diseño. En última instancia, esta libertad de diseño tiene un impacto significativo en el rendimiento de diseño de los coches de F1 durante las pruebas en la pista, durante la calificación y las condiciones de carrera reales.

El proceso de diseño aerodinámico debe de ser extremadamente eficiente para que un equipo sea competitivo, cualquier período de ineficiencia conducirá inevitablemente a una pérdida de rendimiento en comparación con otros equipos que han continuado un camino de desarrollo bueno ¿os suena de algo? Esta es la razón por la que las supercomputadoras y los túneles de viento funcionaban a destajo todos los días de la semana en la mayoría de las sedes de los equipo, algo que ahora es imposible gracias a la limitación de horas de trabajo del túnel.

La mayoría de los equipos utilizan el proceso de desarrollo siguiente. 

1-Diseño Geométrico del coche. Este apartado está regulado por las normas de la FIA. El diseñador  genera los límites físicos de la pieza mediante el uso de programas de CAD, es la abreviatura inglesa del software de Diseño asistido por ordenador. Estos programas crean prototipos del diseño en 3D y lo dividen  también en cuadrículas de menor tamaño para su procesado. Una vez delimitado el tamaño, volumen, etc de las distintas piezas empieza el siguiente punto.

Diseño CAD en 2D.

Diseño CAD en 3D.

 2-Cálculo del Motor y resto de componentes mecánicos, también regulado por la FIA, para obtener la potencia, consumo de combustible, y resto de parámetros. Los datos se introducen en bases de datos y hojas de cálculo para automatizarlo y que recalcule todas las variables en función de los datos de entrada.

3-Cálculo Aerodinámico, es cuando entra en acción el CFD. Una vez realizado  el diseño geométrico del mallado  del monoplaza gracias al CAD empiezan a realizarse las simulaciones con el programa de CFD. Los ingenieros introducen en las Condiciones de Contorno algunos parámetros obtenidos en el diseño del motor, como el consumo de aire en la toma de aspiración del motor y escapes y el consumo de aire de los refrigeradores de los pontones junto a las condiciones ambientales como son temperatura del aire, densidad, etc para iniciar los cálculos.
Este es un proceso repetitivo, con los datos obtenidos se calculan las prestaciones del monoplaza. Los diseñadores realizan modificaciones geométricas en el monoplaza para mejorarlo y recalculan los datos o hacen variaciones del entorno con el mismo diseño simulando la pista utilizado para ello un circuito virtual también diseñado por medio del CAD.
 Una vez iniciada la simulación se resuelven las ecuaciones son analizados y visualizados y dan como resultado una serie de trazados con los resultados pudiéndose crear con ellos animaciones, informes y ver así como se comportan las regiones claves para entender cómo el nuevo componente ha afectado el flujo alrededor del resto del vehículo. A partir de esto se puede rediseñar / optimizar el componente para dar el efecto deseado, o pasar a su siguiente concepto.

Visualización de resultados.

Si los resultados obtenidos son satisfactorios, el diseño entraría en la siguiente fase, la comprobación en el túnel de viento de los conceptos desarrollados mediante la creación de maquetas a escala de las piezas. Una vez confirmados los datos en el túnel entran en la fase de fabricación para realizar un seguimiento de confirmación de las nuevas piezas en la pista (por lo general el viernes antes de la carrera).

Vemos que en términos generales produce más beneficios que inconvenientes.  

Las ventajas:
-Potencialmente cualquier idea (incluso cambios relativamente radicales) pueden ser diseñada, probada y corriendo en pista en periodos cortos de tiempo, incluso de dos semanas.
-Para un ingeniero aerodinámico, el uso de CFD es una herramienta vital en la Fórmula Uno, ya que proporciona resultados reproducibles en un ambiente controlado y que a veces no es posible realizar en el túnel de viento.
-La total libertad de diseñar sin las limitaciones de tener que disponer de piezas físicas. Así, por ejemplo un fallo en la cadena de montaje, un retraso en la creación de las piezas o por la programación del túnel de viento no impiden seguir trabajando con el diseño creativo y seguir asó con el rápido desarrollo de conceptos sin estas limitaciones del mundo real.
-Sin el  CFD los equipos se verían obligados a volver a los días de ensayo y error que producían antiguamente las pruebas en el túnel de viento,  retrasando considerablemente la tasa de desarrollo de vehículos de F1.

-Los diseños serían menos desarrollados. Todas estas pequeñas piezas, rizos en la carrocería, etc que aparecen y desaparecen de los coches que aparentemente son insignificantes son el resultado de CFD y aunque cada uno individualmente puede tener un efecto pequeño, la suma de estas pequeñas contribuciones puede ser la diferencia que conduzca a un piloto al podio o no. Como estas pequeñas modificaciones son difíciles que el piloto pueda determinar si son efectivas o no, se agrupan para formar pack aerodinámico y así facilitar la tarea.
-CFD aporta un alto nivel de comprensión de estos pequeños detalles de diseño que no sería posible interpretar cuando se trabaja solo con el túnel de viento. Las interacciones entre partes del coche  son tan complejas que una pequeña variación de 2 a 5 mm en una dirección o en el tamaño de una pieza haría que todo el desarrollo falle. Así, los diseñadores pueden adaptar cuidadosamente la geometría de tal manera que distribuyan correctamente la cantidad de flujo óptima para tener el efecto global deseado. Este efecto puede ser para acelerar o retrasar ráfagas de algún vórtice, su  movimiento lateral o para desarrollar nuevos vórtices para influir en otros componentes más retrasados.
-El CFD es muy utilizado para desarrollar la admisión y los conductos de refrigeración. La dificultad de observación, lo complejo del comportamiento de los flujos internos en estos conductos le hace ser fundamental en su diseño. Otro aspecto importante es el análisis del comportamiento del flujo en los cuerpos porosos como son los filtros y  conductos del radiador ya que esta área es la principal fuente de resistencia del coche (drag) y sus formas complejas no pueden ser fácilmente probados y desarrollados en un túnel de viento. La circulación del aire por las pinza y los discos de frenos son ideales para CFD para asegurar una adecuada refrigeración.

Inconvenientes:
A día de hoy queda mucho camino por recorrer y por el camino ha dejado alguna que otra víctima ¿os acordáis de Manor Motorsport? Los que posteriormente se convertirían en Virgin. Ellos crearon un coche con 0 horas en túnel de viento  y así les fue, en sus primeros test de Jerez solo dieron media vuelta ya que se les partió el pilar del alerón delantero. Un túnel de viento es una gran herramienta para la determinación de la carga aerodinámica y la resistencia aerodinámica de un vehículo, pero CFD es cada vez más valioso como herramienta de diseño, ofrece información sobre cómo un diseño puede ser mejorado  pero sigue siendo un método con muchas limitaciones. La complejidad del cálculo así lo dice. Existen infinidad de variables que interactúan entre si que aún no están controladas y por tanto hacen que los resultados no sean fiables aunque viendo a la velocidad con que ha evolucionado esta tecnología y la cantidad de recursos que puede llegar ahorrar no es de  extrañar que todos quieran potenciarlo al máximo, sobre todo sabiendo la limitación de las pruebas tanto en pista como en horas de túnel impuestas por la FIA. Asegurarse que la pieza que entre en el túnel tenga el mayor rendimiento posible y en última instancia produzca el beneficio esperado en el coche es fundamental para obtener un rápido  desarrollo y es la diferencia entre ganar o no un campeonato, que es al fin y al cabo lo que todos buscan.