Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1

TRABAJO DE FINAL DE GRADO Grado en Ingeniería Mecánica DISEÑO Y ANALISIS DE UN ALERÓN TRASERO DE F1 Memoria y Anexos Autor/a: Oriol Padilla Yun Director/a: Alfred Fontanals García Convocatoria: Enero 2021 Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 i Resumen En este trabajo se tratará de estudiar y entender una ciencia fundamental en las competiciones automovilísticas de máximo nivel, la aerodinámica. Los fundamentos teóricos obtenidos serán la base para la creación de un elemento aerodinámico que se asemeje lo máximo posible a un alerón trasero de Fórmula 1 real. El objetivo es diseñar mediante el software de modelado “SolidWorks” una estructura que tenga un comportamiento similar a este tipo de alerones. El diseño final será sometido a una simulación con unas determinadas condiciones de estudio para ver cómo se comporta. Se realizarán dos tipos de simulaciones, en dos y en tres dimensiones, en ambos casos mediante el software de mecánica de fluidos computacional “ANSYS Fluent”. Las simulaciones facilitarán unos resultados numéricos y visuales de la reacción generada entre el flujo y el alerón, resultados que habrá que analizar para comprobar si el funcionamiento del alerón es el correcto. Los valores más representativos que se obtendrán después de los cálculos serán la fuerza que genera el alerón hacia el suelo (carga aerodinámica), la fuerza resistente del alerón al aire (resistencia aerodinámica o drag) y los coeficientes adimensionales que representan a ambas fuerzas. En definitiva, se comprenderá de manera empírica la influencia que tiene la aerodinámica en la élite del automovilismo, y en concreto, el alerón trasero, uno de los elementos más importantes para la generación de fuerzas aerodinámicas. Memoria ii Resum En aquest treball es tractarà d'estudiar i comprendre una ciència fonamental en les competicions automobilístiques de màxim nivell, l'aerodinàmica. Els fonaments teòrics obtinguts seran la base per la creació d'un element aerodinàmic que s'assembli el màxim possible a un aleró posterior de Fórmula 1 real. L'objectiu és dissenyar una estructura que tingui un comportament similar a aquest tipus d'aleró mitjançant el software de modelatge "SolidWorks". El disseny final serà sotmès a una simulació amb unes condicions d'estudi determinades per veure el seu comportament. Es realitzaran dos tipus de simulacions, en dues i en tres dimensions, en tots dos casos a través del software de mecànica de fluids computacional "ANSYS Fluent". Les simulacions donaran lloc a uns resultats numèrics i visuals de la reacció generada entre el flux d'aire i l'aleró, resultats que s'hauran d'analitzar per comprovar si el funcionament de l'aleró és el correcte. Els valors més representatius que s'obtindran després del procés de càlcul seran les forces que genera l'aleró cap a terra (càrrega aerodinàmica), la força resistent de l'aleró a l'aire (resistència aerodinàmica o drag) i els coeficients adimensionals que representen a totes dues forces. En definitiva, s'entendrà de manera empírica la influència que té l'aerodinàmica a l'automobilisme d'elit, i en concret, l'aleró posterior, un dels elements més importants per la generació de forces aerodinàmiques. Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 iii Abstract This project is about studying and understanding the key aspect in high level motor sports, aerodynamics. This theorical foundation will be basic in the production of an aerodynamic element that looks, as much as possible, like a real F1 rear wing. The aim is to design a structure that performs like this type of wing using the modelling software “SolidWorks”. The final design will go through a simulation process, with the appropriate study conditions, to then study his behaviour. Bidimensional and three-dimensional simulations will be made, in both cases using the computational fluid dynamics software “ANSYS Fluent”. The simulations will provide visual and numeric results that will be basic to check if the wing works properly. The provided numeric values that will be essential are the force that the wing generates towards the floor (downforce), the wing resistance to the air flux (drag) and the coefficients related to these forces. In conclusion, this project proves in an experimental manner the influence aerodynamics have at the highest level in motor sport industry, specifically the importance of the rear wing, one of the key elements in the generation of aerodynamic forces. Memoria iv Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 v Índice RESUMEN ____________________________________________________________ I RESUM ______________________________________________________________ II ABSTRACT ___________________________________________________________ III PREFACIO ____________________________________________________________ 1 1.1. Origen del trabajo .................................................................................................... 2 1.2. Motivación ............................................................................................................... 2 1.3. Requerimientos previos ........................................................................................... 2 1. INTRODUCCIÓN __________________________________________________ 3 1.1. Objetivos del trabajo ................................................................................................ 3 1.2. Alcance del trabajo .................................................................................................. 4 2. AERODINÁMICA BÁSICA ___________________________________________ 5 2.1. PRINCIPIO DE BERNOULLI ........................................................................................ 5 2.2. EFECTO VENTURI ...................................................................................................... 7 2.3. EFECTO COANDA ...................................................................................................... 8 2.4. FUERZAS AERODINÁMICAS ...................................................................................... 9 2.4.1. CARGA AERODINÁMICA O “DOWNFORCE” ......................................................... 10 2.4.2. RESISTENCIA AERODINÁMICA O “DRAG” ............................................................ 11 2.4.3. EFICIENCIA AERODINÁMICA ................................................................................. 13 3. INTRODUCCIÓN A LA DINÁMICA DE FLUIDOS _________________________ 14 3.1. NÚMERO DE REYNOLDS ........................................................................................ 14 3.2. CAPA LÍMITE ........................................................................................................... 15 4. ALERONES ______________________________________________________ 18 4.1. TIPOS DE ALERONES ............................................................................................... 20 4.1.1. ALERONES DE UN SOLO ELEMENTO .................................................................... 20 4.1.2. ALERONES DE DOS ELEMENTOS .......................................................................... 21 4.1.3. ALERONES DE VARIOS ELEMENTOS ..................................................................... 24 5. DISEÑO CONCEPTUAL _____________________________________________ 27 5.1. LIMITACIONES ESTRUCTURALES ............................................................................ 27 5.2. ELECCIÓN DE PERFILES ........................................................................................... 28 5.2.1. PERFIL PRINCIPAL ................................................................................................. 30 Memoria vi 5.2.2. FLAP ....................................................................................................................... 32 6. ANALISIS EN DOS DIMENSIONES ____________________________________ 36 6.1. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA 2D ............................................................................ 36 6.2. SIMULACIÓN DE LA ESTRUCTURA 2D ................................................................... 38 6.2.1. MALLADO .............................................................................................................. 39 6.2.2. CONFIGURACIÓN DE LA SIMULACIÓN.................................................................. 42 6.2.3. SOLUCIÓN Y POST-PROCESO ................................................................................ 44 7. ANALISIS EN TRES DIMENSIONES ___________________________________ 50 7.1. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA 3D ............................................................................ 50 7.2. SIMULACIÓN DE LA ESTRUCTURA EN 3D .............................................................. 52 7.2.1. MALLADO .............................................................................................................. 53 7.2.2. CONFIGURACIÓN DE LA SIMULACIÓN.................................................................. 54 7.2.3. SOLUCIÓN Y POST-PROCESO ................................................................................ 57 8. ANALISIS DEL IMPACTO AMBIENTAL _________________________________ 64 CONCLUSIONES ______________________________________________________ 65 PRESUPUESTO _______________________________________________________ 67 BIBLIOGRAFÍA ________________________________________________________ 69 Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 1 Prefacio Los vehículos de Fórmula 1 han sufrido gran cantidad de cambios desde la invención de este deporte en 1950, cambios que van desde la posición del motor dentro del coche al uso de diferentes compuestos de neumáticos. En sus inicios lo que primaba era la potencia, se buscaba conseguir la mayor velocidad posible, por lo que a la hora de diseñar el vehículo lo más importante era tener un motor grande y potente. Esta lucha por conseguir la mayor potencia sin tener en cuenta el diseño del vehículo hacía que los coches cada vez fueran más difíciles de conducir, que sumado a las velocidades que se alcanzaban, cada vez más elevadas, hacían de la Fórmula 1 un deporte muy peligroso. La salud de los pilotos empezó a ser una preocupación para los equipos, por lo que el diseño del monoplaza pasó a tener una mayor importancia. Estos diseños buscaban tener un coche más equilibrado que asegurase la seguridad de los corredores sin perder rendimiento. Durante la década de los 60 la tendencia pasó a ser tener vehículos muy bajos y puntiagudos para reducir la resistencia al avance, aunque la carrera por el desarrollo aerodinámico no comenzó hasta finales de esa misma década con la aparición del primer alerón delantero. A partir de aquí, visto lo beneficioso que era tener este tipo de elementos, el objetivo principal de los diseñadores era aumentar la fuerza que podían extraer los neumáticos del asfalto por medios aerodinámicos. Este cambio de mentalidad fue el comienzo de una evolución constante que perdura a día de hoy, pasando por innovaciones como el alerón trasero, alerones traseros dobles, pontones laterales, fondos planos, difusores, etc. Una serie de cambios que nos llevan a la Fórmula 1 actual, donde la aerodinámica juega un papel fundamental en el rendimiento del coche. A día de hoy, la carga aerodinámica que consiguen los monoplazas de Fórmula 1 es muy elevada, gracias a todos los elementos que conforman el diseño del vehículo. Una gran lista de elementos que permiten que un vehículo de casi una tonelada alcance velocidades de 300km/h en el paso por curva. Memoria 8 Este es el conocido como tubo de Venturi que fue diseñado principalmente para medir la velocidad de un fluido aprovechando este principio. Conociendo la velocidad inicial y midiendo la diferencia de presiones se puede conocer la velocidad del fluido en el punto de problema. 𝑣1 2− 𝑣2 2=2(𝑝2− 𝑝1) 𝜌 (ec. 6) Desde el descubrimiento del efecto Venturi, las aplicaciones de este fenómeno físico fueron incrementando y a día de hoy es uno de los descubrimientos más importantes de la dinámica de fluidos. En el mundo de la Fórmula 1 este principio ha sido básico para generación de fuerzas aerodinámicas, ya que el aire al pasar por el fondo plano del monoplaza aumenta de velocidad de manera considerable como consecuencia de la disminución del área de paso, generando bajas presiones. Los elementos básicos para poder generar este efecto en un Fórmula 1 son los fondos planos y difusores, ya que con un diseño adecuado estos componentes pueden generar muchísimo downforce sin provocar mucha resistencia aerodinámica. Figura 3. Principio de Venturi adaptado a un F1. 2.3. EFECTO COANDA El efecto Coanda fue descubierto hace relativamente poco, a principios del siglo XX, por el ingeniero Henri Coanda. Al construir un prototipo de aeroplano observó cómo las llamas y los gases quemados del motor se acercaban al fuselaje del avión, en ese momento se percató de que los fluidos acostumbran a seguir el perfil de una superficie próxima, al contrario que los sólidos que rebotan o se desvían. La viscosidad del fluido en cuestión juega un papel fundamental en la aparición de este efecto, y es que cuando el fluido impacta inicialmente contra un cuerpo de perfil curvo, la viscosidad permite que las partículas permanezcan adheridas temporalmente junto a la superficie del cuerpo. Esto crea una capa uniforme situada en paralelo a la silueta del cuerpo, haciendo que las partículas que impactan posteriormente generen nuevas láminas sobre la inicial para desviar, de esta forma, la trayectoria del fluido de forma progresiva. Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 9 Este efecto es un pilar básico en el mundo de la Fórmula 1 y del automovilismo en general, siendo el responsable de las formas complejas y los perfiles redondeados de los alerones de hoy en día. El efecto Coanda permite que el aire se pegue a la carrocería, haciendo así que el flujo circule por todo el vehículo de manera controlada hasta llegar a la parte posterior. Por eso en la Fórmula 1 el correcto diseño de cualquier elemento es fundamental, ya que una estructura suave evita deflexiones del fluido exageradas y ayuda a la canalización del aire, para no solo mejorar notablemente la carga aerodinámica y la tracción del vehículo sobre la pista, si no que ayuda también a conseguir la menor resistencia aerodinámica posible. 2.4. FUERZAS AERODINÁMICAS La fuerza aerodinámica total de un cuerpo tiene dos componentes, la de resistencia y la de sustentación. La combinación de los vectores de ambas da lugar a la fuerza aerodinámica total resultante. Las diferencias de presión se expresan matemáticamente como el coeficiente de presión por la presión dinámica: 𝑝 = 𝐶𝑝·1 2𝜌𝑣𝑆2 (ec. 7) Esta presión se puede convertir en fuerza multiplicándola por el área sobre la cual actúa, ya que: 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 Á𝑟𝑒𝑎 (ec. 8) Por lo tanto, de la ecuación de la presión (ecuación 7) podemos obtener las ecuaciones de la fuerza de sustentación y de resistencia: - Fuerza de sustentación = 𝐶𝐿·1 2𝜌𝑣2· 𝐴 (ec. 9) - Fuerza de resistencia = 𝐶𝐷·1 2𝜌𝑣2· 𝐴 (ec. 10) Donde: - 𝐶𝐿 es el coeficiente de sustentación. - 𝐶𝐷 es el coeficiente de penetración. - A es el área (para los perfiles aerodinámicos siempre se toma la superficie de planta). Memoria 10 Figura 4. Componentes de la fuerza aerodinámica total. 2.4.1. CARGA AERODINÁMICA O “DOWNFORCE” Los aviones son capaces de despegar y mantenerse en el aire gracias a la sustentación que provocan sus alas. La curvatura de las mismas hace que el aire deba circular una mayor distancia por la parte superior, haciendo que la velocidad del fluido en esta parte sea mayor y tenga una presión menor que en la parte inferior, este hecho permite que el avión se mantenga en el aire. En el mundo automovilístico sucede justo lo contrario, los alerones son alas con perfiles invertidos por lo que el fenómeno anteriormente comentado provoca que las fuerzas resultantes que genera el efecto del aire vayan en dirección al suelo. Esto es lo que se conoce como sustentación negativa, carga aerodinámica o downforce. La carga aerodinámica es la fuerza encargada de empujar el coche contra el suelo a través de los componentes aerodinámicos de cualquier vehículo que atraviese el aire. Esta fuerza aparece reflejada en la fuerza normal del automóvil que aumenta o disminuye dependiendo de si la sustentación generada es positiva o negativa. 𝑁 = 𝑚 · 𝑔 + 𝐹𝐿 (ec. 11) Donde: - N es la fuerza normal - m es la masa del vehículo en kg. - g es la aceleración de la gravedad, en 𝑚 𝑠2 . - 𝐹𝐿 es la fuerza de sustentación, en N. Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 11 La fuerza de sustentación se obtiene en base al coeficiente de sustentación del elemento de estudio. Este coeficiente adimensional se utiliza para diferenciar los distintos perfiles o formas que crean carga aerodinámica. 𝐶𝐿(𝛼)=𝐹𝐿 𝐴 · 1 2𝜌𝜈2 (ec. 12) Sabiendo que para poder hallar la fuerza de sustentación es necesario un coeficiente adimensional, y que esta fuerza influye en la componente normal del vehículo, podemos entender cómo se genera la carga aerodinámica que empuja el coche hacia al suelo. Esta carga influye en la fuerza de agarre que tiene el vehículo, ya que a mayor fuerza normal mayor será el rozamiento y, por lo tanto, mayor adherencia. 𝐹 = 𝜇 · 𝑁 (ec. 13) Donde: - F es la fuerza de agarre al suelo en N. - 𝜇 es el coeficiente de rozamiento relativo entre el suelo y el neumático. - N es la fuerza normal al vehículo que se ha visto anteriormente. 2.4.2. RESISTENCIA AERODINÁMICA O “DRAG” De la misma manera que el downforce, la resistencia aerodinámica o drag es una fuerza que genera un cuerpo al moverse a través del aire. La componente de la fuerza es perpendicular a la fuerza de sustentación y va en dirección contraria a la velocidad del cuerpo. De nuevo, para poder hallar esta resistencia aerodinámica es necesario un coeficiente adimensional que representa la efectividad del cuerpo que atraviesa el aire. 𝐹𝐷= 𝐶𝐷(𝛼)·𝐴·1 2𝜌𝜈2 (ec. 14) Memoria 12 Como se puede observar, el valor de la resistencia aerodinámica depende de la proyección de la superficie normal a la fuerza de sustentación, es decir A=cuerda x ancho, y la velocidad a la que se desplaza el cuerpo. Por lo tanto, la resistencia aerodinámica aumenta a medida que la velocidad a la que el elemento atraviesa el aire o la superficie de contacto aumentan. El valor del coeficiente adimensional de resistencia es función del ángulo de ataque, 𝛼, del perfil de estudio, como se puede observar en la figura 5. Figura 5. Coeficiente de resistencia en función del ángulo de ataque. Al ser un coeficiente adimensional, va ligado a la forma del elemento de estudio y no al tamaño. De esta manera, un cilindro con un determinado diámetro tendrá el mismo coeficiente de resistencia que uno con un diámetro menor. Figura 6. Ejemplos de coeficientes de resistencia según la forma geométrica. Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 13 2.4.3. EFICIENCIA AERODINÁMICA La eficiencia aerodinámica es la relación entre el coeficiente de sustentación y el coeficiente de resistencia aerodinámica, o en su defecto, la relación entre las fuerzas de sustentación y de resistencia. El valor que determina esta eficiencia aerodinámica se conoce como fineza, es adimensional y se busca maximizarlo aumentando lo máximo posible los valores de la fuerza de sustentación y minimizando, a su vez, la resistencia aerodinámica: 𝑓 = 𝐹𝐿 𝐹𝐷 =𝐶𝐿 𝐶𝐷 (ec. 15) Memoria 14 3. INTRODUCCIÓN A LA DINÁMICA DE FLUIDOS 3.1. NÚMERO DE REYNOLDS El número de Reynolds es uno de los números adimensionales más básicos e importantes de la mecánica de fluidos, y es un parámetro que permite predecir si un flujo es laminar o turbulento. Este número indica la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas: - Las fuerzas de inercia son las que tiene cualquier cuerpo que sufre una aceleración o una deceleración. Esta fuerza se expresa como el producto de la masa y la aceleración: 𝐹𝑖= 𝑚 · 𝑎 (ec. 16) Y si se aplica esta definición a un fluido: 𝐹𝑖= 𝜌 · 𝑣2· 𝐿2 (ec. 17) Donde 𝜌 es la densidad, 𝑣 es la velocidad del fluido y 𝐿 una longitud característica. - Las fuerzas viscosas, por otro lado, son las que se oponen al movimiento libre del fluido por el rozamiento interno de sus partículas. Se puede expresar como: 𝐹 𝑣= 𝜇 · 𝐿 · 𝑣 (ec. 18) Donde 𝜇 es la viscosidad dinámica del fluido. Como se ha comentado anteriormente, el número de Reynolds es la relación entre estas dos fuerzas, por lo que su valor se obtiene a través del cociente entre ambas: 𝑅𝑒 =𝐹𝑖 𝐹 𝑣 =𝜌 · 𝑣2· 𝐿2 𝜇 · 𝐿 · 𝑣 =𝜌 · 𝑣 · 𝐿 𝜇 (ec. 19) Una vez conocida la definición matemática para calcular su valor, habrá que entender de qué manera influye el número de Reynolds en la condición de un flujo: Si el número de Reynolds es pequeño, las fuerzas viscosas son más importantes que las fuerzas de inercia. Esto significa que la viscosidad del fluido va a provocar que el movimiento de las partículas sea ordenado. Las trayectorias de las partículas no se cruzarán haciendo que se muevan por capas, por lo que si el Re tiene un valor pequeño estamos ante un flujo laminar Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 15 En cambio, si el número de Reynolds es grande, las fuerzas de inercia dominarán sobre las fuerzas viscosas. Esto implica que la velocidad del fluido es tan elevada que la viscosidad no es suficiente para impedir que las partículas de fluido se muevan de forma desordenada, por lo que un valor del Re alto, indica que tenemos un flujo turbulento. El valor de transición entre los dos tipos de flujo, conocido como el número de Reynolds crítico, dependerá del tipo de problema que se esté resolviendo. En el estudio de flujo en tuberías, por ejemplo, el valor del número de Reynolds crítico está alrededor de los 2300. En cambio, en un problema aerodinámico, donde L sería la longitud de la cuerda del perfil de estudio, este valor de transición será más elevado. 3.2. CAPA LÍMITE La velocidad en todos los puntos de un fluido es la misma si este se mueve libremente sin obstáculos ni paredes que lo confinen, pero cuando entra en contacto con un objeto, la velocidad del fluido se ve afectada, apareciendo el fenómeno conocido como capa límite. La viscosidad del fluido de estudio genera fuerzas de rozamiento al entrar en contacto con un cuerpo, provocando que la velocidad del fluido sobre la superficie sea nula. La capa límite es la zona que abarca desde donde la velocidad relativa del fluido respecto a la superficie es 0, hasta donde se alcanza el 99% de la velocidad del flujo no perturbado. Figura 7. Capa límite laminar y perfil de velocidades del fluido. La capa límite, al igual que en los fluidos, puede ser laminar o turbulenta. La figura 7 es un ejemplo de capa límite laminar, donde el flujo es ordenado originando una menor fricción entre fluido y superficie. En cambio, en una capa límite turbulenta presenta un comportamiento caótico y desordenado, ya que la fricción entre el fluido y el cuerpo aumenta por la aparición de vórtices. Memoria 16 Figura 8. Ejemplo de capa límite turbulenta. La capa límite puede llegar a desprenderse del cuerpo cuando se produce un gradiente de presiones adverso (dp/dx>0). Este desprendimiento de la capa límite produce un incremento de la resistencia aerodinámica y una disminución de la fuerza de sustentación. Figura 9. Desprendimiento de la capa límite. En el mundo de la automoción, en cambio, al tener alerones formados por dos o más planos, la curvatura se divide en dos recorridos de menor longitud evitando que la capa límite se desprenda. Si los alerones fueran formados por un solo perfil, la curvatura total sería tal que sería imposible evitar que se desprendiera la capa límite en la parte inferior del alerón. A la hora de diseñar los monoplazas se busca que la capa límite turbulenta aparezca lo más tarde posible, ya que las turbulencias generadas anularían la eficiencia aerodinámica del monoplaza. Por lo tanto, se intenta que los alerones mantengan la capa límite en régimen laminar lo máximo posible. Una vez el primer elemento termina, es inevitable que la capa límite se desprenda, pero al tener un segundo perfil el flujo se redirige al nuevo elemento, generando turbulencias, pero sin llegar a tener un desprendimiento de la capa límite. Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 17 Figura 10. Transición de capa límite laminar a turbulenta en un alerón. Memoria 24 4.1.3. ALERONES DE VARIOS ELEMENTOS Para obtener unos valores mayores del coeficiente de sustentación se pueden añadir aún más flaps a un alerón. La composición más común para alerones de más de dos elementos es la que coloca dos flaps sobre el borde de fuga del plano principal, es la extensión lógica de la configuración de un solo flap y permite aumentar la curvatura del ala aún más (figura 18). Los flaps en este tipo de alerones suelen presentar geometrías diferentes entre ellos, con un primer flap más pequeño y de mayor grosor que el segundo. Las ranuras entre el plano principal y el primer flap, y entre este y el segundo, pueden tener el mismo tamaño, si no, el primero debe ser mayor que el segundo. Obtener la configuración óptima es sólo posible tras realizar gran cantidad de pruebas, ya que la información que se pueda obtener del mundo aeronáutico puede ser engañosa. Las aeronaves permiten el movimiento de los flaps por lo que las distancias entre elementos no son tan importantes, sin embargo, en el mundo automovilístico la configuración no puede ser modificada una vez el vehículo sale a pista, teniendo que elegir las posiciones y los espacios entre flaps de antemano. Por lo tanto, la mejor opción es configurar los espacios entre flaps a la misma distancia sugerida para el alerón de dos elementos. Figura 18. Alerón de tres elementos. La dimensión combinada de la cuerda de los dos flaps está entre el 30-40% de la cuerda total del ala principal. Es decir, los tamaños individuales de los flaps en este tipo de alerones son menores que en los de dos elementos, donde el flap tenía un tamaño del 30% de la cuerda del plano principal. En configuraciones con dos flaps está comprobado que tener planos principales de mayor grosor permite tener coeficientes de sustentación más elevados, obteniendo los valores óptimos cerca del 18% de la cuerda. Al añadir un segundo flap la curvatura general del alerón es más pronunciada, haciendo que entre en pérdida con ángulos de ataque menores que en el resto de alerones. Sin embargo, en vehículos de competición el ángulo de inclinación de los flaps suele estar entre 25 y 30º para el flap delantero y entre 30 y 70º para el secundario. Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 25 Este tipo de alerones puede tener dos tipos de distribuciones para ajustar sus características, dejando el flap delantero fijo y el secundario regulable o fijando el uno con el otro, permitiendo que se ajusten a la par. En cualquier caso, tan solo se modifica una de las dos ranuras para hacer más accesible el manejo y facilitar la puesta a punto. En casos extremos, se pueden llegar a añadir incluso más flaps, como en la configuración conocida como “Persiana veneciana” que añade cuatro flaps al plano principal (figura 19). Para este tipo de distribuciones es necesario que el perfil principal sea bastante plano y con un ángulo de incidencia bajo, ya que la curvatura en estos alerones la ofrecen los flaps. Esta es una configuración de máxima carga aerodinámica y, por lo tanto, la resistencia que se generará también será muy elevada. Figura 19. Alerón de cuatro elementos del CART de 1997. Los alerones que generan mucha carga aerodinámica pueden sufrir una separación del flujo en el borde de ataque, algo que se puede solucionar modificando la geometría de la parte delantera del alerón. Para evitar tener que realizar modificaciones en la geometría del perfil, hay configuraciones que incorporan un elemento en el borde de ataque del plano principal, conocido como aleta (figura 20). Estas configuraciones son usadas sobre todo en los aviones de transporte de pasajeros. Figura 20. Alerón de tres elementos con aleta. Memoria 26 La aleta es un elemento bastante parecido a un flap, pero situado en la parte delantera e inferior del plano principal. Este elemento añade una perturbación por delante del ala, reduciendo la velocidad del aire que circula por la parte inferior del alerón. De esta manera, se disminuyen las probabilidades de la separación del flujo consecuencia de tener un ángulo de ataque muy pronunciado. Los beneficios de la aleta comienzan a tener efecto con ángulos de inclinación del alerón muy pronunciados. Además, este elemento permite generar más carga aerodinámica y retrasar el ángulo en el que el alerón entra en pérdida (figura 21). Figura 21. Comparativa de la curva de sustentación para alerones de dos elementos con y sin aleta. Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 27 5. DISEÑO CONCEPTUAL 5.1. LIMITACIONES ESTRUCTURALES Una vez explicados y entendidos los conceptos teóricos de los apartados anteriores, podemos comenzar a diseñar el alerón. El objetivo del trabajo es crear una estructura que ofrezca características similares a un alerón trasero de Fórmula 1. Como es obvio, poder crear un componente exactamente igual a los que tenemos en una competición de máximo nivel como la F1 es imposible, por la falta de conocimientos y recursos para poder realizar estructuras tan complejas y por el gran secretismo que envuelve este deporte. Sin embargo, la normativa que deben cumplir estos monoplazas es pública, por lo que, algunos de los conceptos estructurales pueden ser aplicados a nuestro componente aerodinámico para poder obtener un resultado lo más real posible. Entre las regulaciones más básicas impuestas por la FIA para la temporada 2020-2021 y que se van a incorporar en el diseño de este componente, tenemos que el alerón debe ser de dos elementos y la cuerda del perfil principal tiene que ser mayor que la del perfil secundario o flap. Además, la distancia vertical entre las dos secciones tiene que estar entre 10 y 15 mm en su posición más cercana. Por último, también hay que tener en cuenta que el ángulo máximo de inclinación de la sección principal no debe superar los 15º. Figura 22. Dimensiones del alerón en vista de planta. (En milímetros) Memoria 28 Figura 23. Dimensiones del alerón en vista lateral. (En milímetros) Por otro lado, en lo que respecta al diseño en tres dimensiones de la estructura, estará basado en los tamaños que aparecen en las figuras 22 y 23. Algunas de las medidas de la estructura son, por ejemplo, una altura de 670 mm, una base de 840 mm que se ensancha hasta llegar a los 1050 mm en la zona donde los perfiles son ensamblados, etc. 5.2. ELECCIÓN DE PERFILES Tras conocer las limitaciones estructurales del componente aerodinámico, el primer paso es seleccionar los perfiles que van a componer el alerón. Se realizarán una serie de comparativas de las características aerodinámicas de varios perfiles para obtener las geometrías que ofrezcan las propiedades óptimas. En este caso, el objetivo es encontrar perfiles que ofrezcan la mayor carga aerodinámica posible, teniendo en cuenta siempre que la resistencia al avance no sea muy elevada. Por lo tanto, los factores claves en la selección de los perfiles serán siempre que tenga el mayor coeficiente sustentación y el menor coeficiente de resistencia, para un determinado ángulo de ataque. En el automovilismo de competición los perfiles de los alerones son creados a medida formando punto por punto la geometría para obtener los máximos beneficios en cada situación que se encuentren. En este caso, serán obtenidos de la base de datos online de perfiles aerodinámicos “airfoiltools.com”. Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 29 La base de datos cuenta con infinidad de perfiles aerodinámicos por lo que habrá que acotar la búsqueda para obtener las geometrías que más se ajusten a nuestras necesidades. El buscador cuenta con la opción de indicar los valores de grosor de los perfiles, ya que como hemos visto en apartados anteriores, el perfil principal tiene un grosor mayor que el flap. En los alerones de dos elementos el perfil principal suele tener un grosor de entre el 15 y el 20% de la cuerda, mientras que para el flap el grosor está entre el 5 y el 15%. Otra opción que ofrece el buscador y que facilita la selección de los perfiles, es la de ordenar los resultados obtenidos de mayor a menor eficiencia aerodinámica (Cl/Cd), de esta manera los primeros perfiles que se obtengan serán los que más carga aerodinámica generen en relación a la resistencia. Esta opción depende del número de Reynolds, un valor que varía en función de las condiciones del fluido de estudio y que influye en los valores de los coeficientes aerodinámicos. Por lo tanto, habrá que calcular un Reynolds aproximado para que la búsqueda sea lo más precisa posible: - Para el perfil principal: 𝑅𝑒 =𝜌 · 𝑣 · 𝐿 𝜇=1,204 𝑘𝑔 𝑚3·60 𝑚 𝑠· 0,35 𝑚 1,825 ·10−5 𝑘𝑔 𝑚 · 𝑠 = 1385424,66 - Para el flap: 𝑅𝑒 =𝜌 · 𝑣 · 𝐿 𝜇=1,204 𝑘𝑔 𝑚3·60 𝑚 𝑠· 0,105 𝑚 1,825 ·10−5 𝑘𝑔 𝑚 · 𝑠 = 415627.4 Para el cálculo, los valores de densidad y de viscosidad dinámica son obtenidos de las tablas de propiedades del aire a presión atmosférica (1 atm) a una temperatura de 20ºC. La longitud (L) de los perfiles son los valores de sus cuerdas, 35cm en el caso del perfil principal y 10.5cm el flap, que equivale al 30% de la cuerda del primer elemento. En cuanto a las velocidades, tienen valores diferentes en cada circuito y en cada curva siendo imposible determinar un Reynolds para cada tramo que recorre el monoplaza. Por lo tanto, con los valores de velocidad medios en el circuito más rápido del calendario (Monza) y el más lento (Mónaco) se ha realizado un promedio dando como resultado 60 m/s o 216 km/h. Los valores obtenidos del número de Reynolds para cada elemento deberán de ser redondeados, ya que la base de datos no realiza los cálculos para valores tan precisos. El redondeo es a la opción más cercana que ofrezca la página, en el caso de perfil principal el Reynolds para la búsqueda será de 1.000.000, mientras que para el flap será de 500.000. Memoria 30 Una vez impuestas las condiciones de búsqueda, para seleccionar la opción más adecuada se compararán tres perfiles de los arrojados por la base de datos, para cada perfil. 5.2.1. PERFIL PRINCIPAL Para el elemento principal, los tres perfiles seleccionados para la comparativa se muestran en las figuras 24, 25 y 26. - AH 79-100 B Figura 24. Perfil AH 79-100 B. - FX76-MP-120 Figura 25. Perfil FX76-MP-120. - DAE-11 Figura 26. DAE-11. Los datos obtenidos de cada una de las geometrías, para el valor del Reynolds mencionado anteriormente, serán utilizados para generar tres gráficas comparativas. Las figuras 27 y 28, representan los coeficientes de sustentación y de resistencia con respecto a diferentes ángulos de ataque. La figura 29, representa en un mismo gráfico ambos coeficientes, permitiendo observar la cantidad de resistencia que crea el perfil a medida que genera carga aerodinámica. Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 31 Figura 27. Grafica coeficiente de sustentación vs ángulo de ataque. En lo que respecta a los coeficientes de sustentación, vemos que los tres perfiles tienen los valores más elevados a partir de, aproximadamente, los 10º de inclinación. El perfil DAE-11 es el que tiene los coeficientes de sustentación más bajos, por lo tanto, queda descartado. Vemos que los perfiles AH 79-100 B y FX76-MP-120 tienen comportamientos muy parecidos, pero el primero alcanza coeficientes de sustentación más elevados para ángulos de ataque de entre 12º y 15º. De esta manera, el perfil que más carga generará será el AH 79-100 B. Figura 28. Grafica coeficiente de resistencia vs ángulo de ataque. En este caso, vemos que para ángulos de ataque entre 10º y 15º, el que menor resistencia genera es el perfil DAE-11, pero al ser el perfil que menos carga generaba quedó descartado. Entre los dos perfiles restantes, el FX76-MP-120 tiene coeficientes de resistencia ligeramente inferiores y, sabiendo que los coeficientes de sustentación eran muy parecidos a los del AH 79-100 B, puede ser la mejor opción como perfil principal del alerón. Memoria 32 Figura 29. Grafica coeficiente de sustentación vs coeficiente de resistencia. Por último, en la gráfica que enfrenta ambos coeficientes, vemos que a pesar de que el perfil AH 79-100 B consigue el coeficiente de sustentación más elevado, lo alcanza con valores de resistencia más elevados. Por lo tanto, después de analizar todas las gráficas, el perfil que ofrece mejores características en la configuración deseada, entre 10º y 15º de inclinación, es el FX76-MP-120. Este perfil generará una fuerza de sustentación negativa muy parecida al AH 79-100 B, pero con la ventaja de producir menos resistencia aerodinámica. 5.2.2. FLAP Para el elemento secundario o flap, los tres perfiles seleccionados para la comparativa están representados en las figuras 30, 31 y 32. - GOE 464: Figura 30. Perfil GOE 464. Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 33 - AH-7-47-6: Figura 31. Perfil AH-7-47-6. - GOE 395: Figura 32. Perfil GOE 395. De la misma manera que con el perfil principal, se utilizará la información proporcionada por la base de datos para generar tres gráficos y facilitar, de esta manera, la comparación representando los coeficientes de sustentación y resistencia para diferentes ángulos de ataque (figuras 33, 34 y 35). Figura 33. Gráfica coeficiente de sustentación vs coeficiente de resistencia. Memoria 40 - “Inflation”: Esta herramienta realiza un mallado más fino en las zonas seleccionadas y va expandiendo el tamaño de la malla de forma gradual a medida que nos alejamos de la superficie. En este caso, se ha utilizado esta opción en los dos perfiles de nuevo, para tener la malla más fina justo en la superficie del perfil donde se concentrarán la mayoría de gradientes y magnitudes debido a la capa límite. Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 41 Figuras 38, 39, 40 y 41. Representación del mallado final a diferentes niveles de zoom. Como podemos observar en las figuras 38, 39, 40 y 41, el resultado final es una malla progresiva donde el tamaño de los elementos va disminuyendo y el número de nodos va aumentando a medida que nos acercamos a los perfiles de estudio. De esta manera, las zonas de la periferia de la geometría, donde el fluido tiene un comportamiento constante, contarán con una malla más simple y menos precisa, mientras que la precisión en la zona crítica se mantiene intacta. Memoria 42 6.2.2. CONFIGURACIÓN DE LA SIMULACIÓN Una vez importada la geometría y creada la malla, el siguiente paso es establecer los parámetros de simulación del modelo. Primero, hay que asignar a cada parte de la geometría sus características para que se realice de manera correcta la simulación: - “Inlet”: esta será la zona de entrada del fluido (Figura 42). En este sector hay que definir la velocidad de fluido. En este caso, la velocidad del fluido será de 60 m/s en el eje X positivo. Figura 42. Representación del “Inlet” o entrada del fluido al dominio de estudio. - “Outlet”: esta es la salida del fluido (Figura 43). En esta zona hay que definir la presión relativa como nula. Figura 43. Representación del “Outlet” o salida del fluido del dominio de estudio. - “Wall”: esta característica se aplica a todas aquellas superficies que vayan a actuar como sólidos ante el flujo (Figura 44). En este caso, se aplica tanto a los perfiles como a las superficies inferior y superior de la geometría, asemejando esta simulación a un túnel de viento. Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 43 Figura 44. Representación de los elementos que actuarán como un sólido ante el fluido. Además de la designación de los nombres y las características de cada zona de la geometría importada, hay que definir ciertas propiedades para el correcto desarrollo de la simulación: - Tipo de simulación: La simulación puede ser en régimen estacionario o transitorio, en este caso, se selecciona el régimen estacionario. - Modelo de turbulencia: La turbulencia es un proceso aleatorio y no hay una forma perfecta de definir sus efectos en una simulación de CFD, por eso se utilizan modelos de turbulencia. No hay un solo modelo que sea adecuado para todo tipo de situaciones, por lo que hay que seleccionar la herramienta que sea más conveniente para nuestra simulación. El modelo utilizado en este caso es el k-omega SST que calcula los resultados en base a las ecuaciones de Navier-Stokes. El modelo k-omega del tipo SST (Shear Stress Transport) es un modelo híbrido que combina los modelos k-epsilon y k-omega. El primero es ideal para predecir el comportamiento del fluido en zonas alejadas a las paredes de la geometría, mientras que k-omega es más adecuado para simulaciones del flujo en el perímetro de las paredes. De esta manera, con el modelo k-omega SST tenemos un modelo de cálculo muy robusto y que apenas consume recursos, además de encajar a la perfección con lo que se busca de esta simulación. - Material: Como hemos visto en apartados anteriores, el fluido utilizado en esta simulación será aire a 20ºC con una densidad de 1,204 𝑘𝑔 𝑚3 y una viscosidad dinámica de 1,825 ·10−5 𝑘𝑔 𝑚·𝑠. - Criterio de convergencia: Para la resolución de las ecuaciones de cálculo el programa realiza un proceso iterativo. El usuario asigna cuántas iteraciones se deben realizar para que se detenga el programa, pero el objetivo de la simulación no es ese, Memoria 44 es llegar a una cierta precisión. Esta precisión se mide mediante la convergencia de los valores calculados obtenidos usando la media cuadrática. En este caso, el criterio de convergencia será de 1 · 10−6. - Variables adicionales: El programa permite seleccionar de que variables queremos recibir información una vez se lleve a cabo la simulación. En este caso, se ha seleccionado recibir información acerca de los coeficientes de sustentación y de resistencia al avance. Con la simulación completamente configurada se pueden inicializar los cálculos. Se le pide al programa que realice 500 iteraciones a la hora de calcular, un valor muy elevado que nos asegurará alcanzar la precisión deseada. 6.2.3. SOLUCIÓN Y POST-PROCESO Una vez finalizados los cálculos, nos aseguramos que los residuos cumplen el criterio de convergencia que se ha impuesto durante la configuración. Figura 45. Residuos de la simulación. Los residuos son la diferencia entre los valores experimentales y los valores reales, por eso es tan importante que cumplan el criterio de convergencia impuesto durante la configuración. Como se puede observar en la figura 45, los residuos cumplen el criterio de convergencia de 1 · 10−6, asegurando un error de cálculo bajo y unos resultados precisos Este proceso de mallado, configuración y análisis de los resultados se ha realizado de la misma manera para todos y cada uno de las diferentes configuraciones. Así pues, podemos compararlas en las mismas condiciones para seleccionar la configuración más conveniente. Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 45 Una vez encontremos la configuración óptima podemos pasar a la siguiente fase que es el estudio tridimensional del alerón. Se han realizado varias pruebas con ángulos de inclinación diferentes, en ambos perfiles. Los resultados obtenidos en la simulación han sido los siguientes: Ángulos de ataque Coeficiente de sustentación (𝑪𝑳) Coeficiente de resistencia (𝑪𝑫) Carga aerodinámica (N) Resistencia al avance (N) 10º - 30º 4.12 0.12 -101.22 2.75 12º - 30º 2.91 0.18 -78.81 4.95 12º - 35º 2.75 0.21 -79.21 6.05 12º - 40º 2.65 0.23 -80.64 7.14 15º - 40º 2.11 0.28 -72.39 9.46 Las configuraciones aquí podrían ser infinitas, pero para poder acotar el número de simulaciones y resultados a analizar, se han determinado estas cinco variaciones que cumplen con los requisitos estructurales. En base a esto, la configuración con las mejores características es la de 10º de inclinación del perfil principal y 30º del flap. Esta disposición es la que obtiene el coeficiente de sustentación más elevado y el coeficiente de resistencia más bajo. A pesar de que tener ángulos de inclinación más grandes hace pensar que se van a obtener mayores fuerzas de sustentación negativa, esto no siempre es cierto. Esto es debido a que estos ángulos de ataque tan pronunciados pueden suponer un desprendimiento de la capa límite muy temprano, afectando negativamente al rendimiento aerodinámico. Es lo que sucede en este caso, los perfiles con menor ángulo de inclinación son los que más eficiencia aerodinámica tienen, ya que evitan un desprendimiento muy temprano del flujo de la superficie de contacto. Memoria 46 Una vez visto esto, el siguiente paso es analizar el comportamiento del flujo en la configuración optima a través de los datos e imágenes obtenidos gracias a la simulación. Figura 46. Velocidad del aire a lo largo del dominio de estudio. En la figura 46 podemos observar cómo los perfiles hacen que la velocidad del aire aumente considerablemente al pasar por el intradós. La diferencia de velocidades más pronunciada se da en el borde del perfil principal, ya que es el primer obstáculo que se encuentra el flujo de aire. Las partículas al pasar por la parte inferior de este elemento deben recorrer una mayor distancia, lo que hace que su velocidad aumente. Si prestamos especial atención al borde de fuga del elemento principal vemos una pequeña zona de velocidades muy bajas, esto es la representación gráfica del desprendimiento de la capa límite. En esta zona el flujo se desprende de la superficie de contacto disminuyendo su velocidad y creando turbulencias. Este efecto podría ser evitado reduciendo más el ángulo de ataque de este elemento, con una inclinación menos pronunciada el flujo disminuiría su velocidad general de paso por el intradós, pero se mantendría en contacto con el perfil en todo momento, evitando las turbulencias en esta zona. Este desprendimiento de la capa límite es mitigado por el flap, este elemento como se ha comentado previamente permite redirigir el flujo turbulento y devolverlo a un estado laminar. De esta manera, las consecuencias negativas que crean las turbulencias son reducidas. Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 47 Figura 47. Líneas de corriente a lo largo del dominio de estudio. Esta figura ayuda a entender el efecto de separación de flujo de la superficie de contacto. La imagen representa el recorrido que sigue el aire a lo largo de la geometría. Como se puede observar, hay una pequeña separación entre la zona donde la velocidad es nula, justo en la superfície del perfil, y el resto del flujo que circula por la parte inferior del alerón. Figura 48. Presiones a lo largo del dominio de estudio. La figura 48 representa la distribución de presiones del fluido a lo largo de ambos perfiles. Como se puede observar, los valores más altos de la presión están situados en extradós, esto Memoria 48 sumado al efecto visto en la figura 46, indica el correcto funcionamiento del alerón. El fluido se acelera al pasar por la parte inferior generando altas presiones en la parte superior de ambos perfiles, lo que genera la fuerza de sustentación en dirección hacia el suelo, es decir, carga aerodinámica. El primer perfil, al tener un ángulo de ataque mucho menos pronunciado distribuye de manera más adecuada las presiones a lo largo de toda la sección. En cambio, si prestamos atención al elemento secundario, vemos que la presión negativa no se distribuye a lo largo de todo el perfil, sino que está más concentrada en la parte delantera. Además, el flap al ser un perfil que por sí mismo ya cuenta con bastante curvatura, vemos que los valores de presión más altos se dan justo en el borde de ataque, ya que el aire impacta de manera más horizontal que en el elemento principal. Figura 49. Energía asociada a turbulencias en el dominio de estudio. La figura 49 representa la energía asociada a las turbulencias a lo largo de todo el dominio de estudio. Como se puede observar, en la mayor parte de la geometría de estudio esta energía es nula. La zona principal de turbulencias, confirmando lo que se ha comentado durante el análisis de velocidades, es justo en el borde de fuga del elemento principal. Estas turbulencias son generadas por el desprendimiento de la capa límite, es un efecto que podría ser preocupante si se diese al inicio del perfil, pero al estar situado tan próximo al borde de fuga no afecta tan negativamente a los resultados. Las turbulencias aparecen justo en la zona de mayor curvatura del perfil principal que, sumado al ángulo de ataque escogido, parecen ser las principales razones por las que sucede esto. Algo positivo es que en la parte superior del perfil principal no hay ni rastro de posibles turbulencias. Estas se podrían dar a la altura del borde de fuga, pero como vemos, el flap cumple su función y evita la generación de turbulencias en esta zona. Prestando atención en Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 49 este caso al perfil secundario, vemos que en la parte superior del mismo hay pequeñas turbulencias que aparecen debido a la gran curvatura que tiene este elemento, aun así, no tienen demasiada importancia puesto que los valores de la energía no son muy elevados. Memoria 56 - “Symmetry”: Esta es la única novedad con respecto a la simulación en dos dimensiones. Esta zona es la que aparece al definir una simetría durante la generación del dominio de estudio, actúa como un espejo del resto del dominio de estudio. Figura 64. Simetría del dominio de estudio. A partir de aquí y de la misma manera que en el resto de simulaciones realizadas, hay que imponer una serie de condiciones y características que definirán los resultados de la simulación. Estas condiciones son las mismas que para la simulación de los perfiles en dos dimensiones, tenemos: - Tipo de simulación: Régimen estacionario. - Modelo de turbulencia: Modelo k-omega SST - Material: Aire a 20ºC con una densidad de 1,204 𝑘𝑔 𝑚3 y una viscosidad dinámica de 1,825 ·10−5 𝑘𝑔 𝑚·𝑠. - Criterio de convergencia: Criterio de convergencia de 1 · 10−6. Con esta configuración se le pide al programa que realice 400 iteraciones a la hora de calcular. El número de iteraciones es inferior al de la simulación en dos dimensiones, ya que la geometría y la malla en este caso son más complejas, lo que supondría un consumo mayor de recursos y más tiempo de procesado. De todas maneras, con este número de iteraciones se consiguen resultados con la precisión impuesta durante la configuración. Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 57 7.2.3. SOLUCIÓN Y POST-PROCESO Después del proceso de cálculo los resultados obtenidos son los siguientes: Figura 65. Contorno de velocidad del fluido a lo largo del dominio de estudio. Se puede apreciar un comportamiento del flujo de aire en relación a las velocidades muy similar al análisis en dos dimensiones. El contorno, como se puede observar, es mucho menos fluido que en el caso en 2D. Este suceso ocurre por el tipo de malla con el que se ha realizado la simulación, un mallado más fino hubiese supuesto un dibujado más preciso del contorno. A pesar de esto, vemos que los valores numéricos son muy similares a los vistos en la simulación 2D confirmando que el alerón funciona correctamente. Figura 66. Contorno de presiones en vista lateral. Memoria 58 Figura 67. Contorno de presiones en el exterior y el interior de la deriva lateral. Analizando la diferencia de presiones en todas las caras del alerón, vemos que de nuevo en la vista lateral el comportamiento del alerón es muy similar al de la simulación en dos dimensiones. Los valores máximos de presión en la parte superior de los perfiles se extienden por toda la superficie, lo que indica una correcta distribución de la presión. Por la parte inferior, el valor máximo de presión está situado en el borde de ataque del perfil principal y es muy superior al valor máximo que se obtuvo en la simulación en 2D. Aun así, la distribución general de las presiones es muy parecida en ambas situaciones. Una vez comentado esto, si prestamos atención a la deriva lateral vemos que la zona de mayor presión es el borde de ataque, la parte que impacta con el aire de manera frontal. Del extremo que impacta con el aire, vemos que la zona que genera más presión es la que tiene cierto ángulo de inclinación y no es completamente vertical. Al no tener una deriva lateral totalmente vertical, la fuerza resultante tiene componentes horizontal y vertical, es decir que no sólo se genera resistencia sino que también genera carga aerodinámica. Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 59 Figura 68. Energía asociada a turbulencias en el dominio de estudio. Con respecto a las turbulencias, vemos que estas se generan mucho antes que en la simulación 2D. En este caso, las turbulencias aparecen en el borde de ataque del perfil principal haciendo pensar que el alerón no funciona como debería. A pesar de esto, si comparamos este mismo contorno con las simulaciones previas, vemos que los valores en esta simulación son mucho más bajos en general. Esta gran diferencia viene debida por la función que cumplen las derivas laterales, que mantienen el flujo de aire circulando por la superficie de los perfiles y evitando la separación del flujo. Es probable que con una malla más fina los resultados de este contorno fuesen diferentes, mostrando turbulencias tan solo en el borde de fuga del elemento principal, donde los valores de la energía son más elevados. Figura 69. Líneas de corriente en el plano horizontal. En la figura 69, donde se indican las líneas de corriente en el centro del alerón, vemos una representación muy parecida a la que teníamos con el contorno de velocidades. En este caso, podemos apreciar como el flujo se separa de la superficie de contacto cerca del borde de fuga de ambos perfiles. Sin embargo, vemos que la velocidad máxima no se da justo en la superficie del perfil, ya que hay una pequeña zona donde la velocidad no llega a ser nula, pero es más reducida. Esto no afecta muy negativamente a la generación de carga aerodinámica, Memoria 60 pero podría haber sido evitado con un perfil más curvo actuando como elemento principal o con un ángulo de ataque menos pronunciado. Figura 70. Líneas de corriente en vista frontal e isométrica. Figura 71. Líneas de corriente en vista frontal e isométrica. Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 61 Figura 72. Líneas de corriente en vista frontal e isométrica. Figura 73. Líneas de corriente en vista frontal e isométrica. Las figuras 70, 71, 72 y 73 representan las líneas de corriente del aire al pasar a través del alerón. En cada imagen las líneas de corriente están representadas a diferentes alturas del alerón, para ver cómo cambia el comportamiento del aire al acercarse a las derivas laterales. El efecto más relevante a comentar es el que se produce en la salida del aire del alerón. Como se puede observar en cada una de las figuras, el aire al recorrer toda la estructura sigue una trayectoria hacia el exterior de la deriva lateral, generando un flujo rotatorio conocido comúnmente como vórtice. Memoria 62 Los vórtices son espirales que se generan por la tendencia del aire a fluir de la zona de alta presión (la parte superior del alerón) hacia la zona de baja presión (la parte inferior del alerón). Sin las derivas laterales, este efecto sería incluso más notable, ya que el aire no tendría ningún límite en esta zona generando vórtices a lo largo de toda la superficie de los perfiles. Los vórtices son beneficiosos en ciertas situaciones, de hecho, un monoplaza de Fórmula 1 tiene muchos elementos que intentan generar este efecto. En elementos como el alerón trasero se desea que el aire llegue con la máxima velocidad y energía posibles, pero para ello debe de circular a lo largo de toda la carrocería y hay que evitar la separación del flujo de aire de la superficie de contacto, ya que el aire que llegaría a la parte posterior sería débil y turbulento. En estas situaciones, los vórtices son utilizados para mantener el flujo de aire unido al chasis y minimizar las turbulencias y las pérdidas de velocidad y energía. Sin embargo, la presencia de vórtices en el alerón trasero, donde prima tener un aire con alta velocidad y energía, genera resistencia aerodinámica. Antes de que el vórtice se genere, el aire va en línea recta, al generarse, la energía hacia atrás que llevaba el aire se transforma en energía lateral que crea el espiral algo que ralentiza el flujo de aire y, por lo tanto, hace perder velocidad al vehículo. Al incorporar las derivas laterales, evitas que el aire se derrame por los costados, pero el aire sobre los perfiles y dentro de las derivas tiene mucha más presión que el aire fuera del alerón generando vórtices como los que se puede observar en las figuras 70, 71, 72 y 73. Estos vórtices son neutralizados normalmente con las pequeñas incisiones en las derivas laterales que se pueden observar, por ejemplo, en el alerón real de F1 tomado como referencia durante el diseño (Figura 51). Estas pequeñas aperturas hacen que parte del aire que circula entre las derivas laterales salga, haciendo que la presión del aire en la zona exterior del alerón aumente. La presión del aire en el exterior de las derivas laterales más elevada que en el interior, hace que cuando el flujo llega a la parte posterior se cree un vórtice que gira en sentido contrario (figura 74). Este nuevo vórtice neutraliza el giro del otro y reduce sus efectos negativos. Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 63 Figura 74. Representación gráfica del fenómeno comentado en el párrafo previo. Al no incorporar durante el diseño del alerón las pequeñas aperturas que se pueden observar en la figura 51 y la 74, el vórtice generado por el aire que sale de la parte superior del alerón hacia la parte posterior, es mucho mayor del que debería. Esto supone un drag o resistencia aerodinámica que podría haber sido evitado en la fase de diseño y modelado. Sin embargo, si analizamos los valores de las fuerzas que generan este alerón tenemos: 2D 3D Carga aerodinámica o lift (N) -101.22 -949.13 Resistencia aerodinámica o drag (N) 2.75 203.09 Eficiencia aerodinámica 36.8 4.7 Comparando los valores obtenidos aquí con la simulación en 2D, vemos un incremento sustancial en las fuerzas generadas, tanto en carga aerodinámica como en resistencia. Esto es algo normal, ya que la superficie de impacto del aire en la estructura 3D es mucho mayor que en el caso en 2D. En el caso de la eficiencia aerodinámica, también vemos que es mayor en el caso en dos dimensiones. La eficiencia es la relación entre la carga aerodinámica y la resistencia (ec.15), lo que significa que se genera una mayor cantidad de drag con respecto a la carga aerodinámica. Esta diferencia en la eficiencia es normal, ya que al tener una estructura tridimensional muchos más elementos entran en contacto con el aire, frenándolo y generando resistencia. Memoria 64 8. ANALISIS DEL IMPACTO AMBIENTAL A día de hoy, es muy importante analizar el impacto que tiene sobre el planeta Tierra cualquier actividad, trabajo o proyecto que se realice. Normalmente, cualquier actividad humana genera un efecto sobre el medio ambiente que supone una ruptura del equilibrio ambiental, por eso es fundamental ser consciente de las consecuencias de nuestro trabajo. Este proyecto ha sido realizado principalmente en casa, trabajando mediante el mismo ordenador. Desde él he buscado toda la información necesaria, he mantenido contacto con el tutor, he realizado las simulaciones, las he analizado y estudiado para posteriormente redactarlo todo. Por lo tanto, el impacto ambiental de este trabajo no es muy notable, ya que no ha causado efectos graves o irreversibles sobre el medio ambiente como podría ser la contaminación del aire, del agua o la generación de residuos. Sin embargo, sí que ha habido cierto consumo de recursos durante la realización del trabajo. Ha habido un consumo energético debido a la iluminación de la casa, el sistema de calefacción, la carga del teléfono móvil y la obvia necesidad de mantener el ordenador conectado a la red. Además, se ha consumido tinta de la impresión de documentos y papel para realizar cálculos y tomar apuntes. A pesar de esto, el proyecto no ha tenido un impacto ambiental notorio además del consumo normal de energía que se puede tener en una casa durante este período de tiempo. Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1 65 CONCLUSIONES Una vez finalizado este proyecto lo que podemos sacar en claro es que la aerodinámica en los vehículos de competición es un tema minucioso, donde hay que ser muy preciso para obtener los mejores resultados. La Fórmula 1 es el caso más claro, donde las escuderías invierten millones en ser los mejores en este aspecto por la vital importancia que tiene. A día de hoy, tener el coche más rápido en la parrilla pasa por diseñar un monoplaza casi perfecto aerodinámicamente hablando. Un monoplaza de Fórmula 1 está repleto de componentes diseñados para dirigir y transformar el flujo de aire contra el que impacta, en fuerza vertical y adherencia. De todos estos componentes, el alerón trasero es el que más impacto tiene en la carga aerodinámica general del vehículo. El objetivo del trabajo ha sido diseñar un componente aerodinámico lo suficientemente parecido a un alerón de Fórmula 1 real, dentro de nuestras posibilidades, para comprobar su comportamiento y cuantificar cómo de importante es este elemento en el diseño de un Fórmula 1. El estudio de la aerodinámica y los alerones realizado en el trabajo ha permitido modelar estructuras bidimensionales y tridimensionales completamente funcionales. Se ha realizado un diseño de alerón compuesto en 2D, en que se ha utilizado un perfil FX76MP-120 y un flap GOE 464. Con el objetivo de determinar los ángulos de ataque más eficientes para los perfiles, se han realizado una serie de simulaciones mediante CFD. La configuración óptima que se ha obtenido es de 10º de inclinación del perfil principal y 30º del flap. A continuación, se genera el alerón completo en tres dimensiones y se realiza el correspondiente análisis para determinar que la estructura final cumple su función. La parte inferior acelera el flujo de aire mientras que en la parte superior se generan grandes presiones que empujan al alerón hacia el suelo. Genera 949.13N de carga aerodinámica y 203.09N de resistencia para una velocidad del aire de 60 m/s o 216 km/h. Estos valores, a pesar del correcto funcionamiento del alerón, están lejos de ser valores óptimos y es que, la resistencia aerodinámica que ofrece es demasiado elevada para el downforce que se crea, dando lugar a una eficiencia aerodinámica baja (4.7). Esto es debido principalmente a los vórtices generados a la salida del flujo del alerón, hacen que el aire sea débil y se ralentice, en una zona donde prima tener un flujo de aire rápido y con energía. Esto afecta negativamente al rendimiento del alerón, dando lugar a una estructura que no se utilizaría a día de hoy en la Fórmula 1. Annexos 72 Figura 32. Perfil GOE 395: http://airfoiltools.com/. Figura 33. Gráfica coeficiente de sustentación vs coeficiente de resistencia: http://airfoiltools.com/. Figura 34. Gráfica coeficiente de resistencia vs ángulo de ataque: http://airfoiltools.com/. Figura 35. Gráfica coeficiente de sustentación vs coeficiente de resistencia: http://airfoiltools.com/. Figura 74. Representación gráfica del fenómeno comentado en el párrafo previo: Bear, Chain. Youtube. F1 Aerodynamics series. https://www.youtube.com/watch?v=ZFEzMKYjShc