Fórmula 1 Dinámica Computacional de Fluidos, el complemento perfecto

En una disciplina como la Fórmula 1, en la que cada detalle cuenta a la hora de rebajar milésimas en la pista, los ingenieros desarrollan técnicas cada vez más complejas para intentar recrear en las fábricas lo que ocurrirá posteriormente en el circuito. En esta ocasión hablaremos de la Dinámica Computacional de Fluidos, que supone un complemento perfecto al ya clásico, pero aún imprescindible, túnel de viento.


Fotografía: DR.

El túnel de viento es la herramienta más importante en la Fórmula 1, pero lo que realmente ha permitido dar un paso más en la optimización de los procesos evolutivos es la simulación por ordenador o Dinámica Computacional de Fluidos (también conocida como CFD por sus siglas en inglés).

Qué es

Es un conjunto de técnicas matemáticas y numéricas que permiten estudiar y analizar el movimiento de un fluido alrededor de un cuerpo sólido a través de la resolución de unas ecuaciones matemáticas denominadas de Navier-Stokes. En nuestro caso, el aire que circula alrededor de un monoplaza de Fórmula 1. Pero hay que tener en cuenta que cualquier cambio, por mínimo que sea, puede dar como resultado algo completamente diferente, por lo que entraña una enorme dificultad.

Cómo es

Para poder utilizar la DCF necesitamos ordenadores, un modelo de ecuaciones, una malla de simulación y un código eficaz que permita resolver numéricamente las ecuaciones. Dada la dificultad de las ecuaciones, se precisan superordenadores que sean capaces de realizar una gran cantidad de operaciones por segundo. Para que nos hagamos una idea, algunos equipos de la parrilla tienen la capacidad de realizar más de 60 billones de operaciones por segundo, aunque eso no es nada comparado con lo que pueden hacer los más potentes del mundo, que se mueven en unos 34.000 billones de operaciones por segundo.


Malla de simulación sobre la que se realizan los cálculos a partir de las ecuaciones de Navier-Stokes.

Limitaciones

Las ecuaciones que deben resolverse son tan complejas que se hace necesario realizar simplificaciones para resolverlas en un tiempo razonable en función del ritmo de desarrollo que la competición exige. Pero, como es lógico, eso limita la precisión de los resultados obtenidos, especialmente a la hora de analizar las turbulencias, que son precisamente la clave en el caso de los monoplazas por la gran cantidad de elementos que sobresalen de la carrocería.

Otro punto esencial de la DCF es la elección de la malla para resolver las ecuaciones, es decir, las ecuaciones se resuelven únicamente en ciertos puntos del espacio, ya que es del todo imposible hacerlo en todos ellos. Es obvio que la precisión de las soluciones será tanto mayor cuanto más pequeña sea la malla o conjuntos de puntos en los que se resuelven las ecuaciones, pero eso es algo que, como hemos visto anteriormente, alarga el tiempo de cálculo y, por tanto, la velocidad de desarrollo del monoplaza.


Fotografía: Williams.

Otro de los problemas que plantea la DCF es la recreación de las turbulencias. En vehículos con un bajo índice de las mismas (turismos o vehículos carrozados), es más sencillo, pero en el caso de los monoplazas, que cuentan con elementos muy turbulentos como los neumáticos, los alerones o los generadores de vórtices, el cálculo del comportamiento de las turbulencias es infinitamente más complejo, aunque cada vez se hacen más avances para conseguir buenos resultados.

Qué proporciona

A partir de una simulación de DCF se puede extraer una gran cantidad de información, tanto cualitativa como cuantitativa. En principio, se puede conocer la distribución de presiones y temperaturas alrededor del monoplaza o en cualquier parte de él, las cargas a las que se ven sometidas las diferentes partes, incluyendo la carga aerodinámica, la resistencia, fuerzas laterales, etc. Además, permite disponer de la visualización del flujo de aire alrededor de una parte del monoplaza o sobre todo él de un modo inmediato y directo a partir de los resultados. Una de las grandes ventajas de la DCF es que se pueden evaluar diferentes soluciones (por ejemplo, diferentes derivas laterales en un mismo alerón) casi al unísono y en un corto periodo de tiempo, para seguidamente elegir el camino a seguir en el desarrollo y construcción de distintas partes del monoplaza.


Fotografía: autoevolution.com

Son múltiples los casos de monoplazas ganadores a tenor de los datos de simulación que, una vez puestos en pista, resultaron ser un sonoro fracaso. Y es que la realidad del desarrollo aerodinámico nos ofrece una radiografía imperfecta en la que sólo un elemento proporciona datos fiables e inequívocos: el circuito. En él se reflejan todas las condiciones posibles, ofreciendo a los ingenieros la verdad. Algo que, en la actualidad, ni el túnel de viento, ni la DCF, pueden aportar. Esa es la razón por la que los tests privados y los entrenamientos libres de los Grandes Premios se han convertido en la herramienta más preciada para equipos y pilotos. Una herramienta que, precisamente por ello, se limitó drásticamente al ser utilizada indiscriminadamente por los más acaudalados.

Así pues, la simulación más completa es la que consta de túnel de viento y DCF como complemento el uno del otro. Con DCF se obtiene una aproximación, una especie de filtro a la hora de probar piezas en el túnel de viento, que sí ofrece información real, pero bajo unas condiciones limitadas. Por el contrario, la DCF te proporciona velocidad de desarrollo y un coste muy inferior, ya que para realizar simulaciones en el túnel de viento es necesario construir piezas a escala. Algo que la DCF hace de modo virtual. Un binomio, por tanto, que no merece la pena romper.



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