AERODINÁMICA 3: ANÁLISIS DE LA CAPA LÍMITE Y EL EFECTO COANDA

Decía un famoso anuncio publicitario que la potencia sin control no servía de nada. Pensándolo bien esta filosofía se podría extrapolar a la aerodinámica. Basta con realizar unos pequeños retoques y el  significado de la frase cambia radicalmente, manteniendo la misma fuerza del usado por Pirelli. El nuevo eslogan podría decir: el aire sin control no sirve de nada. Creo que no hay mejor manera de resumir en pocas palabras la labor de tanta gente dentro de un equipo de Formula 1.

Efectivamente, controlar el aire es la tarea principal de uno de los departamentos más importantes en la máxima competición del motor. El trabajo no es fácil teniendo en cuenta la complejidad de todos los elementos que intervienen en la ecuación, alguno de los cuales iremos desgranando en este artículo.
En la última entrega  vimos como la forma de los objetos determinaba los valores  del coeficiente de resistencia aerodinámica  (Cx), un indicador vital a la hora de diseñar la estructura de un monoplaza. Si recordáis, la forma que tiene el objeto define la trayectoria que tendrá que seguir el aire para poder rodearlo. Dependiendo de la velocidad y la ordenación con que lo haga, el aire saldrá del objeto de una manera ordenada o no, creando turbulencias de estela que lastran la eficiencia del diseño. 

En esta entrega voy a intentar explicar de forma amena cuáles son los procesos físicos que permiten mantener la "ordenación" del aire, un factor clave en F1, y en caso de no poder hacerlo analizar qué factores intervienen en la creación de las turbulencias para así poder mitigar sus efectos e incluso obtener beneficios de ello . Antes de entrar en materia sería conveniente prestar un poco de atención a un par de conceptos básicos en aerodinámica que ayudarán a comprender mejor los posibles efectos que se producirán.  Pues manos a la obra, abrocharos el cinturón que arrancamos.

Diferencias entre flujo laminar y turbulento.

En la primera entrega de la serie vimos qué era un fluido. El  aire y el agua son  ejemplos de ello. Sus diferencias son importantes debido a las propiedades de la materia que lo forman pero existe otra manera de diferenciar los fluidos que está relacionada con la "ordenación" de las moléculas. En ocasiones sucede que  las moléculas que componen el fluido se mueven unidas a lo largo de una trayectoria fijada, todas en la misma dirección, siguiendo los contornos de las cosas de manera suave y bien ordenada. En este caso hablamos de fluido laminar y se llama así debido a que en estas circunstancias el fluido forma capas o láminas, de manera que las capas pueden deslizarse suavemente unas sobre otras. El prototipo ideal del flujo laminar se daría cuando todas las partículas fueran a la misma velocidad (laminar uniforme) pero no es obligatorio que se cumpla esta premisa. La velocidad de las capas puede diferir como veremos luego.
El flujo turbulento, por el contrario, es un infierno caótico que nadie entiende demasiado bien, donde las partículas pasan de unas zonas a otras del fluido en cualquier dirección, sin orden aparente originando múltiples colisiones que hacen variar la velocidad de las moléculas  produciendo así un importante intercambio de cantidad de movimiento entre ellas. Este desorden genera pérdidas de energía en todo el flujo.

Determinar qué propiedades presenta un flujo y los cambios que se producen en él cuando pasa junto a un objeto son fundamentales para obtener información sobre las cualidades de un diseño. En condiciones normales es muy difícil ver a simple vista las características del flujo de ahí que se tengan que emplear diferentes técnicas para poder observarlo. El empleo de tintes, partículas en suspensión, el humo e incluso la colocación de hilos sobre la superficie de los modelos son métodos habituales que se emplean en la ingeniería  para visualizar lo invisible aunque a veces no hace falta ningún aparato complejo para poder observarlos. Nosotros mismos podemos llegar a ver los diferentes tipos de flujo con claridad a poco prestemos atención a ciertos objetos que nos rodean habitualmente.  La siguiente imagen  es un claro ejemplo. En ella se aprecia el humo despedido por una cerilla. En la base el fluido es laminar y a medida que se separa de la fuente de calor cada vez se hace más turbulento.

Un método similar se emplea en los túneles de viento. Para apreciar la trayectoria que siguen las moléculas se hace visible el aire creando estelas de humo que permiten apreciar la dirección que llevan en cada punto del fluido.  A esas trayectorias se les denomina línea de corriente y sirven para mostrar a los ingenieros los efectos que produce el coche o alguna pieza en cuestión cuando pasa a través del fluido. En ocasiones, hay comportamientos del aire que son difíciles de apreciar por el ojo humano o simplemente no tenemos tiempo suficiente para fijarnos en todo. El complejo recorrido de un vórtice es un claro ejemplo de ello de ahí que normalmente se graben o fotografíen los ensayos en alta calidad para analizar en el laboratorio a posteriori las veces que sean necesarias.

Para cuantificar la naturaleza laminar o turbulenta del movimiento de un fluido se emplea el  Número de Reynolds (Re) que no es otra cosa que un número adimensional que relaciona la densidad, viscosidad, velocidad y dimensión típica de un flujo y así obtener un valor determinado que facilite la tarea de diseño. A modo de mención decir que dependiendo del resultado obtenido los ingenieros pueden saber si es de un tipo o de otro, etc.
Un buen diseño aerodinámico busca reducir al máximo la resistencia al avance, ya que superarla supone un gasto de energía, o lo que es lo mismo, de potencia. La manera de conseguir este objetivo es intentar mantener el mayor tiempo posible el flujo laminar pegado a la superficie del coche en su tránsito por él  e impedir que se desprenda. Si esto ocurre se originan las turbulencias que lastran la eficiencia. Para comprender cómo se consigue mantener un fluido pegado a la carrocería del coche y por qué se desprende será necesario explicar dos conceptos no importantes, vitales en aerodinámica que son: la capa límite y el efecto Coanda. Vamos a verlos.

¿Qué es la capa límite?

Tener claro este concepto es fundamental. La capa límite constituye uno de los fenómenos más importantes en aerodinámica, ya que está íntimamente relacionado con la resistencia.
Seguramente en alguna ocasión habréis estado encima de un puente observando el paisaje. Delante aparece un hermoso río repleto de agua que fluye bajo vuestros pies. No digáis que no. Quién más, quien menos le entran unas ganas enormes de tirar a su cauce algún que otro objeto, preferiblemente que flote para ver como se lo lleva la corriente. Si no lo habéis hecho nunca yo os animaría a hacerlo, es muy relajante pero eso sí, os pediré que hagáis un ejercicio de observación. Me gustaría que os situéis en el centro de la corriente, lancéis  un objeto flotante y os fijéis en él. Veréis como se desplaza río abajo con una cierta velocidad. Ahora vamos a hacer el mismo gesto pero en esta ocasión os pido que lo arrojéis cerca de la orilla. Seguramente os sorprenderéis al ver como su velocidad es menor. Si repetimos la operación en distintos puntos del cauce próximos a la orilla veréis como la velocidad ira disminuyendo más y más a medida que nos vayamos acercando a ella donde prácticamente ni se mueve. Si trazásemos el perfil de velocidades de la corriente de agua obtendremos el siguiente esquema: en la zona central alcanza el máximo y mantiene cierta uniformidad, mientras que en la zona cercana al borde decrece hasta hacerse cero debido a que la orilla frena el movimiento del fluido.  A esa zona de decrecimiento se le denomina capa límite.

La mecánica de fluidos define a la capa límite como la zona donde el movimiento del fluido es perturbado por la presencia de un sólido con el que está en contacto. En esa región, la velocidad del fluido comienza a decrecer hasta detenerse completamente e incluso alcanzar valores negativos (retroceder). La causa es sencilla. Cuando las moléculas del fluido golpean la superficie del objeto son frenadas debido a la fricción. Estas a su vez frenan a las moléculas que se encuentran por encima de ellas,  ralentizando así la corriente. Sucesivamente, las capas de moléculas son frenadas por las inmediatamente inferiores pero cada vez están más lejos de la superficie del objeto y la resistenacia es cada vez menor hasta un punto en el que las moléculas dejan de encontrarse frenadas y asumen la velocidad de la corriente.
Como sucede con los flujos, la capa límite también puede ser de varios tipos: laminar,  turbulenta, o una combinación de ambas. Vamos a verlos.

A- Capa límite laminar: Es la preferida por todos. En ella las capas de fluido están perfectamente ordenadas, una encima de la otra, permanecen adheridas siempre a  la superficie y conservan su uniformidad durante su recorrido. Suele producirse cuando el fluido es viscosos o la  velocidad del objeto es relativamente baja. Su grosor es menor que el turbulento.

B- Capa límite turbulenta: En este caso el caos domina sobre el orden. Las moléculas se mueve en todas direcciones, disipan mayor energía, por tanto la fuerza de fricción derivada de ella es mayor. Un matiz importante; una vez que se sale de la zona de capa límite el flujo se vuelve laminar de nuevo. Lo digo para que no haya confusión con el flujo turbulento donde todo el fluido es caótico.

C- Transitoria de laminar a turbulenta. Es la zona de separación entre un tipo y otro. Se puede producir de forma natural o inducida. Dicen que una imagen vale más que mil palabras y la de abajo lo dice todo. Antes de llegar a las aspas el flujo es laminar, después turbulento. De una forma similar  trabaja un generador de vórtices en un F1.

Viscosidad y fricción son dos de los responsables de la existencia de la capa límite e influyen de manera importante en el grosor de la misma. Bajo las mismas condiciones (tamaño y velocidad del cuerpo) cuanto mayor sea la viscosidad del fluido, mayor será el espesor de la capa límite.  También existen otros factores que pueden afectar el espesor de la capa, como son:

-La rugosidad: Si la superficie es lisa o rugosa se comportará de manera diferente de ahí que las carrocerías de los F1 estén perfectamente pulidas para que el espesor de la capa sea menor.

-La dirección de incidencia del fluido: En la parte delantera es menor que en la trasera. Un saliente o un tornillo mal ajustado que sobresale tendrá efectos menos perjudiciales que en la parte trasera del objeto que en la delantera donde incide directamente el aire.

- La densidad: Esta propiedad de los fluidos permite amortiguan mejor las turbulencias. Recordar que densidad y viscosidad no son la misma cosa (repasad el primer artículo de la serie si tenéis dudas). ¿Cómo afecta? Mucho. Un alerón montado en un F1 que dispute  el Gp de Australia en el trazado de Albert Park que está situado a nivel del mar producirá menos turbulencia y será más eficiente que si se emplea en  Ciudad de México a más de 2200 m de altura donde la densidad del aire es menor, con la consiguiente pérdida de eficacia.

El comportamiento de esta capa produce verdaderos quebraderos de cabeza en los responsables del diseño tanto de coches como de aeronaves. Como dije antes el objetivo a cumplir es intentar mantener siempre la capa límite adherida a la superficie del objeto. ¿Por qué? Porque su separación indica el inicio de la formación de remolinos y por tanto la aparición de resistencia al avance de ahí que se podríamos decir que un cuerpo es verdaderamente aerodinámico cuando no existe separación de dicha capa. En el siguiente vídeo se emplean líneas de corriente para  observar el desprendimiento de la capa limite al aumentar el ángulo de ataque de un perfil alar. La rotura se inicia en el borde de fuga y va adelantando su presencia a medida que la inclinación es mayor.

Otro vídeo ilustrativo. En él se emplea la simulación por ordenador para mostrar tres de los indicadores más importantes para comprender lo que sucede cuando se rompe la capa límite, induciendo la entra en pérdida del ala (la capa se ha desprendido en su totalidad y ya no crea sustentación o carga aerodinámica). El primero indica la velocidad del aire, la segunda la presión y por último las turbulencias. Como sucede antes, al aumentar el ángulo de ataque  se potencia la succión creada por el vacío y las turbulencias se disparan.

Los túneles de viento y el diseño por ordenador facilitan mucho la tarea a los ingenieros, permitiéndoles controlar mejor los flujos pero siempre es necesario ver plasmado en el coche los resultados y para ello emplean la parafina. Solo una pincelada. En la siguiente imagen se aprecia un punto de rotura de la capa límite.

Las líneas marcadas en la superficie indican el fluir constante y ordenado del aire. En la zona A hay muestras de separación del aire con respecto a la superficie hasta conseguir la rotura completa en B (un vacío que genera un pico carga). Las turbulencias alejan la parafina de la superficie y por tanto no hay marcas. La perturbación está controlada ya que posteriormente vuelve a aparecer  orden aguas abajo en las marcas de parafina.

Viendo todo lo expuesto hasta ahora podríamos pensar que lo más interesante para un diseño es mantener  la capa límite en forma laminar.  En parte eso es así  pero dependiendo del tamaño, la velocidad del fluido y la geometría de la pieza en cuestión a veces es preferible la segunda opción. Vamos a verlo.
Bien, lo realmente importante de la famosa capa es mantenerla unida al objeto. Si es laminar mejor pero no imprescindible, eso sí, siempre que se mantenga adherida. La capa límite turbulenta permite que parte de la energía cinética de la zona exterior (la más próxima a no recibir interferencias) se transmita al interior, estimulando el avance de las zonas de menor velocidad, por lo que el desprendimiento tarda mucho más en ocurrir, evitando los alerones entren en pérdida o que se cree una turbulencia sobre la carrocería que disminuya la eficiencia.

En muchas ocasiones las cosas no son como parecen. Si no puedes derrotar a tu adversario únete a él. Esa es la paradoja. A veces es preferible tener constantemente  una pequeña perturbación y que esté controlada que forzar el diseño para mantenerlo laminar y se rompa de manera brusca si se aumenta la  velocidad (generadores de vórtices en los F1).

En otras ocasiones es preferible que capa límite sea  turbulenta ya que se consigue mejores resultados al reducir bastante la resistencia aerodinámica al retrasar el desprendimiento, a pesar de que en principio parece que no debería ser así. Es debido a esto que las pelotas de golf tienen agujeros, las de tenis son peludas.

Efecto Coanda

Mantener la capa adherida a la superficie no cuesta esfuerzo alguno si las condiciones son las adecuadas: tener un objeto pulido, presenta formas curvadas, geometría suave y una velocidad  fluido no demasiado elevada. Si ocurre esto la tendencia que presentan los fluidos es mantenerse pegado a la superficie gracias al efecto Coanda otro de los términos fundamentales en aerodinámica ¿Será casualidad que dichas condiciones se suelen dar en los perfiles aerodinámicos?
Como dije, el efecto  Coanda resulta vital en aerodinámica, de hecho lleva empleándose muchos años en F1. A muchos le sonará el término ya que se puso de moda hace algunos años cuando los ingenieros se rebanaban los sesos buscando como conseguir "soplar" el difusor con los gases procedente de los escapes. Recordar que la FIA prohibió en el 2012 una de las muchas ideas genial  que han surgido de la prodigiosa mente de Newey: los escapes soplados. La normativa obligaba a los equipos a situar los escapes en los costados del coche, lejos del difusor. El efecto Coanda sirvió para sustituir en parte de dicho invento después de que el equipo Sauber  lo  sacara del "anonimato".

La rotura del motor muestra claramente la eficacia del efecto Coanda.

¿Qué es el efecto Coanda?
Es la tendencia de posee un fluido en movimiento que al ponerse en contacto con un cuerpo tiende a quedarse pegado a su superficie y seguir su curvatura. Una demostración práctica que todos podemos hacer en nuestras casas. Ponemos la parte exterior de una cuchara (con la interior no se produce) debajo de una corriente de agua, sin que tenga mucha presión, y el agua tenderá a quedarse "pegada" a su superficie y seguirá su curvatura por efecto de la viscosidad en lugar de caer libremente. Si realizáramos la misma experiencia con un sólido en lugar de un fluido veríamos que saldría rebotado.

¿Cómo se produce? El proceso es similar al que origina la capa límite. La viscosidad  reduce la velocidad de las moléculas al colisionar contra el objeto pero también produce otra consecuencia importante: que se peguen a él. Vamos a imaginarnos que el fluido, en este caso un líquido, es laminar y  cae sobre la cuchara. La primera capa toca la superficie curva  y debido a la viscosidad se pega a ella igual que se pegaría una gota de agua a la pared de un vaso o el aceite a la sartén. Las moléculas que forman parte de la siguiente capa se frotan con las ya pegadas. Esa fricción interna impide que se desplacen con facilidad obligándolas a desviarse un poco debido a la curvatura de la superficie. Las capas situadas por encima repiten el proceso generando cada vez más y más desviación.  Así sucesivamente hasta lograr el objetivo.
Para los responsables de la aerodinámica esta propiedad es genial ya que de manera sencilla se consigue desviar el flujo de aire sin esfuerzo y encima manteniendo la capa límite adherida.  De nuevo la clave de este asunto está en el grado de viscosidad. Cuánto mayor  sea la atracción con el objeto (líquidos) mayor desviación soportará. La historia se complica si los valores son bajos. El aire tiene poca viscosidad y por tanto tiene tendencia a despegarse de la superficie fácilmente y eso es un problema que cuesta miles de horas de trabajo en el diseño de un monoplaza, y no exagero.
La curva en un F1 es fundamental. En su medida justa, con un incremento en la inclinación adecuado el aire se pega a su superficie y sigue la curvatura pero hay que tener en cuenta un factor importante: la velocidad. Si se aumenta o disminuye los efectos varían. Puede ocurrir que a velocidades medias sea Coanda el encargado de mantener la capa límite pegado a la carrocería pero si pasa de una determinada velocidad ese aire salga disparado y se originan las turbulencias.

Conseguir la adherencia perfecta a lo largo de todo el cuerpo es imposible porque precisamente los objetos no tienen una configuración ideal ni una superficie completamente lisa. El modelo que menos turbulencias genera es la forma de una lágrima pero en la realidad esa geometría no se puede representar tal cual en los F1, y en los de calle aún menos ya que  tienen que incorporar elementos que impidan ese ideal como pueden ser las ruedas, los pontones, alerones, etc., razón por la cual lo más probable es que la capa se desprenda. Imitar la gota en todo lo posible allana el camino en algunas partes del coche aunque en otras eso es imposible. Por mucho que se quiera detrás de un alerón trasero siempre encontraremos turbulencias aunque algunos sistemas mitigaron sus efectos como fue el caso del F-Duct que veremos en la próxima entrega. Determinar si conviene modificar el tipo de flujo en ciertas partes del coche es decisión de los ingenieros tras analizar el gradiente de curvatura que interese. Si una carrocería presenta una inclinación pronunciada será necesario añadir generadores de vórtices, si es baja no tiene sentido hacerlo.

En fin, a simple vista todos estos conceptos pueden llegar a ser un poco extraños y de difícil comprensión pero es la base del trabajo de diseño de un F1. Analizar, controlar, mantener o retardar dicha capa implica llevarse gran parte del esfuerzo de equipo de F1, tanto en lo económico como en personal. La lista es larga. Se parte de la mesa de diseño, potentes ordenadores y avanzados programas CFD, creación de maquetas, multitud de horas  en el túnel de viento y por último el posterior calibrado en la pista mediante el empleo de artilugios y sondas. Puede parecer una exageración pero no es así. Aumentar el ángulo de ataque de un alerón implica que la rotura de la capa se produzca antes aumentando así el drag. ¿Cómo contrarrestarlo? Ahí está la clave. Con esfuerzo, trabajo y dinero se intenta conseguir. La aerodinámica ha evolucionado de manera importante desde sus orígenes y en la actualidad muchos de los problemas aunque no están resueltos, sí al menos mitigado. En la próxima entrega veremos cómo ha sido el proceso para lograrlo, pero eso será otra historia.