EL TÚNEL DE VIENTO, EL GRAN DESCONOCIDO

 A raíz de los nuevos problemas que acarrea el dichoso túnel de viento de Ferrari pensé que sería buena idea el dar un repaso a un elemento que junto al sistema informático que diseña y evalúa la aerodinámica del coche, el CDF o dinámica computerizada de fluidos hacen que un F1 vuele bien pegado a la pista. Muchas veces, comentando con amigos me dicen que me centro mucho en temas aerodinámico en el apartado de técnica del  blog  y que  hay menor cabida a elementos mecánicos y siempre contesto lo mismo, es verdad pero en la F1 moderna este apartado es fundamental, mucho más que el mecánico, aunque esto no siempre ha sido así, en el pasado un buen motor, un buen elemento interno hacía ganar mundiales y ahora una mejora

técnica en el motor se refleja en el tiempo por vuelta entre  1-2 décimas, en cambio una buena mejora aerodinámica se puede evaluar en segundos de ahí su importancia. Hace poco tiempo escuchábamos quejarse a Montezémolo de este aspecto, que la F1 había perdido ese aura de técnica que tenía la categoría reina del motor en sus orígenes pero realmente lo hacía por no haberse dado cuanta antes de la importancia de este apartado y de todos los mundiales que había perdido por no haber potenciado este departamento, tanto   que incluso su infraestructura está obsoleta y necesita ser mejorada con urgencia, en fin, más vale tarde que nunca.

La labor del túnel es en la actualidad “secundaría” pero la más importante de todas y es corroborar que todo lo diseñado mediante los programas de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) por los técnicos de aerodinámica se comporte en el coche de pista como lo hacían en el ordenador de la fábrica después de su paso por la mesa de diseño. 

Túnel de Ferrari.

 Pero ¿cuál es la función de estos engendros? Bien, el túnel de viento o túnel aerodinámico, es una herramienta que permite estudiar el comportamiento del aire cuando ponemos un objeto dentro del flujo  y decimos objeto ya que su trabajo no solo se centra en el diseño de vehículos sino también de elementos tan distintos como puede ser una casa, un puente, una torre, o el casco de un ciclista o incluso el  mismo ciclista, en fin, todo  lo que sea necesario estudiar de un elemento que sea susceptible de poder comportarse de una forma o de otra, dependiendo de si le incide el viento o no. Lo que se hace es incidir sobre el objeto, normalmente una maqueta a escala del objeto, un flujo continuo de aire generado por unos ventiladores que serán más o menos grandes dependiendo de la escala de la maqueta, a menos escala, menores ventiladores, menos coste, menos instalaciones, pero como consecuencia se producen peores resultados. El problema es que realizar pruebas con  objeto reales demasiado grande encarece mucho la prueba ya que las turbinas que generen el flujo deben de ser muy grandes y en consecuencia muy difíciles de calibrar ya que deben de esta perfectamente diseñadas para que no generen turbulencia y flujos parásitos pero tiene una contraprestación, cuanto más grande sea la maqueta y más parecida a la realidad, mejores serán los resultados del ensayo.  Por tanto, tenemos un tubo que por un extremo esta abierto, una zona central donde de hacen las mediciones y se coloca el elemento a analizar y en el otro extremo una o más turbinas que extraen o introducen aire al interior del circuito para genera el flujo. Veremos un esquema del sistema y sus elementos.

Un túnel de viento es realmente un dispositivo bastante simple. La mayoría de los diseños tienen la misma característica, están formados por los cinco componentes descritos en la imagen de abajo. El diseño origina una circulación de aire de alta velocidad y  baja-turbulencia a través de la sección de la prueba.

Cámara de acomodación o de  establecimiento: Su objetivo es enderezar y uniformizar el flujo de aire. Tiene una estructura en forma de  panal, esto lo que hace es “romper” el aire en múltiples flujos independientes que se vuelven a unificar en el cono. Esto es muy eficaz en la reducción de posibles remolinos de aire en circulación por el túnel.

Cono de contracción o de aceleración- El cono de contracción toma un volumen grande de aire de baja velocidad y lo reduce a un volumen pequeño de aire de alta velocidad sin crear turbulencia. Su función es acelerar la velocidad del flujo manteniéndolo ordenado y uniforme para posteriormente llegar a la cámara de ensayos.

Sección de prueba o cámara de ensayo - Es la parte más importante del túnel. Es dónde vamos a colocar el objeto que queremos estudiar y también dónde haremos las mediciones. Es muy importante que el flujo que la atreviese sea lo más uniforme posible ya que tener turbulencias en esa zona falsearía los datos obtenidos y el coche no se comportaría en pista como debería hacerlo.

Sección de prueba del túnel de Toyota

 En la actualidad podemos encontrar dos tipos de Cámara, una que son  abiertas y otras cerradas. ¿Cuál es su utilidad? Bien, dependiendo del tamaño del modelo a analizar se utilizará una u otra. En una cámara abierta podremos poner modelos más grandes pero tiene como desventaja que el flujo de aire está menos controlado  y además se aumentar la pérdida ya que se escapa parte del aire. Los cerrados se controla mejor pero no se pueden meter objetos grandes.

Suelo: Es un elemento importantísimo del túnel si lo vamos a usar para ensayar vehículos con ruedas. Los existen rodantes y estáticos. Los rodantes serán mucho más precisos ya que se parecen más a la realidad

Difusor - Una vez el aire ya ha salido de la cámara de ensayos, el difusor reduce la velocidad del flujo mediante su perfil divergente. Nos interesa que el aire salga a la menor velocidad posible ya que la velocidad de salida irá relacionada con las perdidas energéticas del túnel. A menor velocidad, menores son las pérdidas.

Sección del mecanismo impulsor o ventilador - la sección del mecanismo impulsor proporciona la fuerza que hace al aire moverse a través del túnel de viento. Normalmente llevan aparatos electrónicos para poder variar la velocidad y así realizar ensayos bajo las condiciones deseadas por los ingenieros. Esta fuerza viene normalmente de los ventiladores grandes (como el que se muestra en la foto de arriba). Cada uno de los seis ventiladores en el túnel de viento complejo de la aerodinámica en el centro de investigación de NASA Ames es de 12 metros, de par en par. Los túneles de viento de muy alta velocidad pueden producir vientos que superan la velocidad del sonido, eso sí, usando gases presurizados y/o los cilindros de vacío.

Los mecanismos de generación del flujo pueden ser tanto soplados como aspirado dependiendo de la disposición de los ventiladores dentro del túnel. Un túnel de soplado es el que tiene el grupo de ventiladores antes de la cámara de ensayos y el aspirado lo tiene situado después de la cámara de ensayos. Las dos configuraciones tienen ventajas e inconvenientes, una vez más dependerá del uso que queramos darle. El túnel soplado proporciona más velocidad que el aspirado pero produce menos uniformidad en el flujo. Normalmente, los más utilizados son los de aspiración por ser el flujo más regular y uniforme y produce mejores resultados en los ensayos.

Túnel de circuito cerrado.

 Una vez llegados a este punto existe un punto donde se pueden clasificar los distintos túneles de viento, todos han tenido estos elementos en su estructura pero algunos en vías de conseguir un mejor rendimiento energético  y reducir costes de los ensayos vuelven a reutilizar el flujo de aire saliente  gracias a un conducto que une el difusor con la cámara de acomodación para volver a  enderezar y uniformizar el flujo para volverlo a introducir en el circuito, los llamados de circuito cerrado, los utilizados por  la mayoría de los equipos de Fórmula 1 ya que para probar los monoplazas de la máxima categoría automovilística se utilizan los túneles más precisos, grandes y caros. En el otro bando están los más antiguos, los que dejan escapar el flujo hacía el exterior, los llamados túneles de circuito abierto. Vamos a profundizar más en ellos, sus ventajas e inconvenientes.

Una ventaja muy importante que tiene el cerrado es que permite tener controladas las variables termodinámicas del aire: densidad, temperatura y presión. El túnel cerrado tiene menos pérdidas que el abierto, pero por el contrario requiere una instalación más grande y compleja que repercute directamente en el precio. El control de las condiciones del aire será un factor que también va a encarecer este tipo de túnel.

Pero ¿para qué se hace esto? Bien, nos centraremos en la aerodinámica de los coches. Cuando un coche circula rompe la barrera de aire que está situada delante de él, como sería muy complicado estudiar el comportamiento del aire con el coche en movimiento lo que se hace es lo contrario, mover el aire y dejar el coche quieto permitiendo tener un punto fijo de observación  permitiendo  estudiar el movimiento relativo entre los dos elementos, objeto y el aire  y no solo la interacción entre los dos sino también poder conseguir otros datos como son la presión, fuerzas, información de la capa límite, pueden visualizar las líneas de corriente, etcétera. Las mediciones que hagan para obtener esa información dependerán de qué estén ensayando.
Bueno, espero os haya gustado, próximamente explicaré cuál es el trabajo que hacen los técnicos dentro de estos inmensos aparatejos, pero eso será otra historia.



Nota: Algunos de ustedes pueden estar más avanzado en los aspectos técnicos de la F1, así que hasta cierto punto puede que esté familiarizado con la siguiente información y que las explicaciones dadas sobre conceptos sean ya conocidos. Como ignorante que soy de todo lo concerniente a la mecánica y demás conceptos de la F1 y tras intentar encontrar artículos que dieran algo de luz sobre el tema con explicaciones fáciles y entendibles y no encontrar mucho, mis artículos están dirigidos sobre todo a los que, como yo quieren encontrar artículos didácticos, de fácil asimilación para salir de las dudas y podamos aprender todos juntos. Espero que os gusten.