GENERADORES DE VÓRTICES, QUÉ SON Y CÓMO FUNCIONAN Vortex generators, what are they and how work

 Bueno amigos, os quiero enseñar y de camino, intentar daros algo de luz sobre unos pequeños elementos que poco a poco han ido apareciendo en los últimos años en la carrocería de los  F1, los generadores de  vórtices. Al principio, cuando McLaren los colocó sobre los pontones de su coche creía que era unos aletines que tenían como función canalizar el aire que circula por la parte superior del coche pero estaba muy equivocado, su utilidad es más compleja de lo que parece.

Pero ¿Qué son? Bien, son unas pequeñas superficies aerodinámicas, unas especies de  pequeñas veletas que generan vórtices. Suelen tener forma rectangular o triangular y tener un tamaño no superior a 10 cm. Como muchos de los elementos utilizados en la F1, su origen es la aviación donde se suelen ver tanto en las alas como en las derivas verticales de muchos aviones de transporte, militares o de pasajeros.
¿Dónde se colocan? En los aviones se suelen colocar en la parte frontal de las alas, colocadas en hilera en la dirección del fluido, y en la parte del perfil que presenta el máximo espesor. En los F1 su ubicación es distinta, pero eso lo veremos luego.

Pero, os preguntareis ¿Cuál es su función? Y os digo, como no, que aerodinámica pero no la esperada.  Bien, vamos por partes. Si recordáis, cuando realicé los artículos sobre los túneles de viento  hice un apartado sobre el flujo laminal.http://angelesenlacabeza.blogspot.com.es/2012/12/tuneles-de-viento-lineas-de-corriente.html
Para refrescar los conceptos comentaros que el aire se comporta como un fluido de partículas y están organizadas por  capas para poder estudiar fácilmente el comportamiento del aire alrededor de un monoplaza. Mediante algunas técnicas podemos observarlas,  creando las famosas líneas de corrientes. Os comenté que todos los ingenieros intentan buscar que los flujos, cuando interactúa sobre la superficie del coche intente ser lo más ordenado posible para evitar las turbulencias ya que estos elementos producen resistencia aerodinámica pero que a veces se introducían elementos para originar unas turbulencias muy especificas que llamados vórtices para conseguir con ellos beneficios para el coche.
Pero ¿Qué es un vórtice? Un vórtice es un flujo turbulento en rotación espiral. Como vórtice puede considerarse cualquier tipo de flujo circular o rotatorio que posee velocidad.

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Precioso vórtice.

Pues eso es lo que hacen estos elementos, generar vórtices beneficios. Pero ¿cómo? Para conocerlo, voy a darle algo de luz a un concepto que tendrá mucha importancia posteriormente, la capa límite. Si se introduce un objeto en un flujo, la capa límite es la zona del flujo más próxima al sólido, está en contacto con él y la superficie del sólido perturba su movimiento y tiene la peculiaridad de que, sobre la pared del monoplaza, la velocidad relativa del aire es cero. Para que quede más claro, decir que cuando el flujo entran en contacto con el monoplaza, las partículas de aire que lo forma empiezan a interactuar con su superficie y son arrastradas consigo debido a la fricción y llegando a impedir tanto su avance que hay una fina capa de aire que parece estar pegada a la superficie del objeto, como si fuera una parte de él y por tanto se desplaza a la misma velocidad que él. A esto llamamos velocidad relativa cero. Esta lámina de partículas cuya velocidad relativa es cero fricciona con la capa contigua, oponiéndose también a su movimiento. Al tratarse de un fluido gaseoso, las interacciones entre sus moléculas no son fuertes y esta  capa no puede frenar del todo a la contigua. Este proceso se repite sucesivamente con las siguientes capas. Si no queda del todo claro  mejor será que lo veáis gráficamente y lo comprenderéis mejor.

Por tanto, contra más alejados estemos de la superficie del coche mayor será la velocidad de las capas de aire hasta que llega un punto que la fricción se disipa del todo y las capas fluyen con normalidad, que es el punto donde acabaría la capa límite.

Bien, como muchos de los que habéis leído mis artículo sabréis, lo que buscan los ingenieros aerodinámicos de la F1 es que el aire que circula a su alrededor fluya de forma laminar, para que así le genere una eficiencia aerodinámica, evitando que se generen turbulencias ya que disminuiría la eficiencia y por tanto aumentaría el drag que es la resistencia aerodinámica. Desafortunadamente toda la superficie del coche no es recta y la cosa se complica para los ingenieros ya que  no es tan sencillo obtener el flujo laminar, pero recordar una cosa, os comenté que no siempre tener flujos turbulentos es perjudicial, y este es el caso.

Cuando entra en contacto con el coche el flujo laminar, como hemos visto, va perdiendo velocidad a lo largo de la capa límite, hasta que llega un punto en el que se para. Pero puede pasar lo siguiente, si la superficie es inclinada o curva el espesor de la capa límite puede aumentar de tamaño en su recorrido alrededor del monoplaza debido a que el aumento de la presión supone un obstáculo al avance del aire.

Si llegamos a la zona de depresión, entramos en pérdida, pues se produce un vacío y el flujo de corriente deja de seguir la superficie del vehículo.

Cuanto mayor sea la presión, más dificultades tendrán las partículas para seguir avanzando, hasta que llegue un momento en el cual no puedan avanzar más y retrocedan es decir, ir incluso a una velocidad menor que la del coche creando una zona de depresión (zona de vacío). ¿Qué hace el aire? Intentar ocupar esa zona de vacío y circula  hacia atrás en busca de zonas de menor presión. Esto hace que se comiencen a formar pequeños torbellinos de partículas, dando inicio a lo que se conoce como capa límite turbulenta y dando lugar al desprendimiento de la capa límite, es decir, el flujo de aire ya no sigue la forma de la carrocería.

Esto último es lo peor que le puede pasar aerodinámicamente hablando a un coche de F1, puesto que la carga aerodinámica depende de que un flujo de aire siga la forma del perfil de la carrocería. Si esto le sucediera al ala de un avión, esa zona de depresión haría que entrara en pérdida y se caería.

Por tanto esa zona de vacío origina una disminución de la carga aerodinámica sobre en coche y por ende una bajada de rendimiento. ¿Cómo evitarlo? Aquí entran en funcionamiento los generadores de vórtices.

Como hemos visto y explicado en el flujo laminal las partículas fluyen en láminas separadas y de forma ordenada pero también existe otro tipo de flujo, el turbulento donde la organización de las partículas no es uniforme.

Una capa límite turbulenta hace que parte de la energía cinética de la zona más exterior de la capa límite, la más alejada del coche, se transmita al interior, estimulando el avance de las zonas de menor velocidad, por lo que el desprendimiento de la capa límite tarda más en ocurrir, y por tanto se retrasa la entrada en pérdida. Lioso, verdad, pues  dicho de forma clara, estos dispositivos crean pequeños vórtices controlados sobre la carrocería, que origina pequeños perjuicio pero evitar que se forme una gran turbulencia que produciría una resistencia mayor. Por tanto se hace una rotura controlada y  el aire tiene que desviarse menos para rodear el obstáculo.

Así pues, esto demuestra que en ocasiones las turbulencias son necesarias para el funcionamiento aerodinámico de los vehículos.

¿Cómo son los generadores de vórtices?
Estas finas piezas suelen ser rectangulares o triangulares, con una altura considerable para resaltar sobre la capa limite. Funcionan en líneas lo mas cerca del borde grueso del ala. La colocación de estos pequeños muros es tal que el aire entra en contacto con ellos con un cierto ángulo ataque.

Determinar su ubicación es fundamental y este debe estar situado en los puntos de transición, es decir, aquellos lugares que produzcan la mayor prolongación posible de la capa límite laminar y son los lugares situados justo antes del punto donde exista la tendencia a desprenderse. De esta forma se consigue una resistencia aerodinámica mínima y un buen comportamiento en puntos próximos al de pérdida.

En los aviones, donde se utilizaron por primera vez estos dispositivos se colocan en la parte media del ala en los F1 su ubicación depende de la importancia que le de cada equipo al tránsito sobre determinadas partes del coche. Suele ser las siguientes.

Ahora vamos centrarnos en localizar cuales son los puntos más utilizados por los equipos de F1 para originar estos vórtices.

La sección frontal de los pontones laterales:

Es un área del coche de particular interés para los diseñadores y la intención es conseguir que llegue la mayor cantidad de flujo de aire y en las mejores condiciones posibles a una zona que se han mostrado de gran importancia estos dos últimos años, la zona de los escapes ¿para qué? Pues fácil, para conseguir el mejor efecto Coanda posible. Si los ingenieros no controlan que llegue el mejor flujo laminar a esa área o en su defecto, que la capa límite esté rota en esa zona no podrán canalizar los gases de escape y por tanto no servirá de nada lo realizado.  

Este sistema se ha generalizado, partió de una idea de McLaren y posteriormente se extendió a otros equipos y pretenden que la parte de carrocería circule el aire con las condiciones fijadas.

Como dije la presión y el ángulo que tenga la pieza hace que la capa límite tenga un tamaño u otro. Así, la altura de cada aleta suele indicar el grosor de la capa límite que ellos están tratando de variar y por tanto cada equipo dispone de una versión diferente dependiendo de las características de los pontones de cada equipos. Un equipo también puede emplear varios elementos con el fin de afectar a una porción más amplia del pontón.

Pequeñas alas junto a los espejos.

Una tendencia iniciada por Ferrari, estas aletas se colocan en horizontal y longitudinalmente entre el brazo del espejo retrovisor y  el borde delantero de los pontones laterales. Estas aletas generan vórtices en el flujo de aire que se mueve a través de la corriente descendente del pontón lateral pero si os fijáis no sobre toda ella, solo por la zona más cercana a la tapa motor. Esto quiere decir dos cosas, o bien que Ferrari o Mercedes tiene bien diseñado esas zonas y por tanto no se produce rotura de la capa y solo se produce junto a la tapa motor o bien quieren que el aire que circula junto a la tapa motor llegue lo mejor posible a la zaga del coche para conseguir el beneficio en la zona del difusor. 

Pero de este tipo de elementos hay variantes, por ejemplo el utilizado por Ferrari durante un tiempo que utiliza el brazo del retrovisor para hacer la función.  Este sistema puede estar combinación con las aletas anteriores.

  

Ala sobre los pontones.

Otra forma de conseguir esto es el nuevo elemento utilizado por McLaren desde el GP de Alemania del 2012 y este año se ha sumado Sauber a la fiesta. La idea original  constaba de un ala que cruzaba todo el pontón superior desde la carrocería hasta los apéndices aerodinámicos de los pontones laterales. En este caso, su ubicación es más retrasada y consta de un solo elemento de mayor tamaño con el fin de conseguir un perfil de ala que ayuda a manipular el flujo de aire en la región. Al igual que los generadores de vórtice mencionados anteriormente estos dispositivos son utilizados con el fin de extraer un rendimiento adicional al de las tomas de aire laterales de refrigeración ya que alterar las características del pontón lateral para reducir el ascenso de la capa límite. De este sistema también hay variantes y en este caso coincide con el primero en utilizarlo. Los ingleses utiliza en el MP4-28 un nuevo generador pero su tamaño es menor y solo está unido a la carrocería del coche. El listón permite al  pontón operar con un mayor ángulo de ataque y siga teniendo la misma eficacia.

Combinación de los anteriores
 

Como es lógico, estos elementos se pueden combinar como se quiera.  Voy a poner un ejemplo, Mercedes han colocado dos generadores de torbellinos, uno en los retrovisores  y otros en la parte superior del pontón con el fin de controlar la corriente descendente hacia su escape.

Pero no solo en esa parte se ven estos elementos, hay otras zonas del coche en las que también pueden utilizarse. La más llamativa es la utilizada por Ferrari y son las aperturas que se encuentran en las placas terminales del alerón trasero.

Lamas en la placa terminal.

Este es un concepto interesante y que dio muchos problemas el año pasado. Su función es hacer más grande el Endplate o placa terminal. Aumentando el tamaño de la placa terminal se puede hacer más eficaz el ala, obtener una mayor carga aerodinámica e inducir una menor resistencia pero el tamaño de placas terminales en F1 está controlado por las regulaciones pero Ferrari buscado el límite de la norma y cómo lo han hecho, mediante el uso de listones en el borde posterior de la placa y así aumentar la eficiencia de la misma zona facilitando el paso de flujo de aire de un lado al otro de las lamas. Pero ¿cómo afecta este elemento?

Bien, hay que tener en cuenta que en esa zona hay dos tipos de flujos, el que circula por el exterior de la placa terminal que procede de las ruedas y el flujo interior que procede de la zona entre el difusor y la parte inferior del alerón trasero. Este segundo flujo era el que daba más quebraderos de cabeza a Ferrari, había que evacuarlo y no lo conseguían eficazmente. Con las lamas facilita la salida de este flujo y lo evacua para que interacciones con el aire que normalmente se desplaza a lo largo del exterior de la placa terminal en la zona situada detrás de las ruedas pero a una distancia mayor  que la del año pasado, algo de suma importancia ya que  mejoran el resultado.

En general, estos listones en el endplate del alerón trasero es  una buena solución para superar el los problemas que padeció el F2012 mientras que también aumenta la eficacia  alerón trasero.  Veremos como otros equipos adoptaran esta o similares soluciones a lo largo de la temporada para intentar  buscar una mayor carga aerodinámica.

Los vórtices de punta de ala.

Esto es muy fácil de ver en  aviones y alguna que otra vez en los coches cuando circulan en condiciones de humedad alta. Este tipo de vórtices de punta es un remolino de aire que vemos expulsado desde el borde que une el ala superior del alerón trasero y la placa terminal. Este remolino es difícil de ver en la F1 pero una imagen del F138 tomada en el circuito de  Jerez capturó un vórtice de punta de ala y según Sommer es una posición extraña por lo que sobresale demasiado. Esto le hace confirmar lo comentado antes, que la placa terminal tiene relación de aspecto mayor y por tanto ha originado una reducción de la resistencia que permite su observación.
Y por último, por fin, voy a salir de una duda. Hace algunas semanas uno de los pacientes lectores del blog me hizo una pregunta y por fin voy a solucionarla. Preguntaba sobre un elemento que había sobre el Cockpit del Ferrari. Estuvimos dando algunas ideas sobre ese elemento pero no acertamos ninguno y seguía dándole vueltas al tema. La pieza en cuestión es esta.

Ahora ya está claro, verdad y de camino aprendemos una cosa más, también se sitúan en esa zona para generar  el vórtice justo antes del casco del piloto. Interesante, !eh!
Pues, cual guinda del pastel, os dejo esta maravilla. Se ha visto en los libres tres del Gp de EEUU 2013 en Austin, gracias a la elevada humedad ambiental. !Maravillosos!

O este que se vio en el Gp de Brasil 2013.

Bueno amigos, espero haber podido aclarar un poco este elemento y que os haya gustado.
Pd: Gracias Otto por el aporte, espero haberlo mejorado.