En el mundo de la aerodinámica de competición se utilizan diferentes métodos para lograr desarrollar los diseños. Los métodos existentes son las jornadas de entrenamientos, los ensayos en túnel de viento y la simulación computacional (CFD). En dos primeros casos uno se puede hacer una idea general de cómo pueden funcionar, a pesar de que ambos métodos sean realmente complejos. En el tercer caso es difícil hacerse una idea general, a pesar de que actualmente nuestra vida esta muy relacionada con la informática. ¿Cómo puede un ordenador simular un caso real tan complejo como el movimiento del aire entorno a un cuerpo y llegar a resultados útiles? ¿En que se basa?

Gracias al desarrollo de la mecánica de fluidos el ser humano va entendiendo progresivamente las leyes que regulan los fluidos y se capaz de desarrollar modelos matemáticos que permitan obtener resultados. El principal inconveniente es que éstos son muy complejos matemáticamente, de manera que resulta inviable obtener resultados de forma manual (papel y lápiz) cuando los casos de estudio no son extremadamente sencillos. Hay que recurrir a los ordenadores para que realicen la gran cantidad de cálculos necesarios para llegar a la solución.

(Una de las ecuaciones de Navier-Stokes, que se utilizan actualmente para los modelos matemáticos)

Los problemas de la mecánica de fluidos que quieren ser resueltos por ordenador actualmente se suelen basar en el método de los elementos finitos (MEF). Este método consiste en dividir las zonas de estudio en una serie de regiones (mallar), donde cada región tendrá unos puntos representativos llamados nodos. La relación entre los nodos (usando un modelo matemático del sistema) puede ser hallada, obteniendo una serie de ecuaciones que describen el problema, estas deberán ser resueltas por el ordenador. Una vez obtenidos los resultados de las ecuaciones (que son informaciones de los nodos o elementos), se pueden graficar y analizar.

(Mallado de una llave combinada para realizar un estudio de estructuras)

El uso de los MEF no se restingue únicamente a la aerodinámica, sino que es un método que se aplica a otras ramas de la mecánica de fluidos y otras ciencias como la termodinámica o la ciencia de estructuras.

¿Pero cuales son las ventajas de utilizar un ordenador?

  • El estudio computacional permite “manipular” un objeto que no se ha fabricado y a la vez modificarlo a su antojo. Se puede coger una pieza y hacer seis modificaciones de esta, sin necesidad de perder la muestra inicial o hacer más piezas.

  • No se producen gastos de material, maquinaria o la pérdida de tiempo provocada por la fabricación.

  • Permite analizar zonas inaccesibles para otros métodos, como es el caso del flujo de aire en el interior de un sistema de frenado, el diseño de la cámara de combustión en un motor alternativo, etc.

  • Permite llegar a situaciones límite de diseño fácilmente, logrando así un diseño más óptimo. Como los resultados tienen valores concretos se puede manipular el sistema para lograr los valores deseados.

(Resultados del análisis de un sistema de frenado, mostrado con colores y líneas de flujo)

A pesar de todo el método de los elementos finitos también tiene problemas. Entre los cuales cabe destacar los siguientes:

  • Necesidad de una validación del modelo utilizado. Si el modelo no se ajusta a la realidad (o no lo hace con el grado apropiado) nuestros resultados no serán más que basura numérica.

  • La persona encargada de analizar los resultados debe ser una persona con conocimientos matemáticos y conocedora del funcionamiento del sistema (lo cual muchas veces no ocurre), de manera que sepa interpretar los resultados “ilógicos” que se puedan producir de forma local. El uso de la matemática y de modelos implica que se produzcan situaciones locales irreales, como esfuerzos infinitos en ciertas zonas o velocidades puntuales infinitas.

Una vez analizado todo esto, es momento de que volvamos al mundo de la competición. El uso de los programas de CFD aumenta año a año, y las escuderías gastan muchos millones de euros en poderosos superordenadores que les permiten ahorrarse al mismo tiempo muchos millones en el túnel de viento.

Siempre hay que intentar mantener una cierta armonía entre los diferentes métodos útiles para obtener un buen diseño, el uso abusivo de los sistemas de CFD puede hacer perder la noción de la realidad, el uso abusivo de los túneles de viento puede provocar un gasto innecesario o la obtención de resultados irreales (el túnel tiene que ser correctamente utilizado, calibrado y diseñado), por otra parte conviene realizar las mínimas jornadas de pruebas posibles.

La solución es utilizar métodos iterativos. No conviene analizar en túnel de viento una pieza que no ha sido analizada computacionalmente o si al hacerlo se ha mostrado ineficiente, tampoco conviene analizar más de una vez la misma pieza en el túnel si no ha sido evolucionada y simulada o llevar la pieza a realizar test en circuito si esta no ha pasado por el túnel. Al mismo tiempo obtener resultados en test que se contradigan con el túnel debe hacernos sospechar del correcto funcionamiento del túnel (no sirve de nada estar seguro que el túnel, al ser carísimo, tiene que ser infalible), y obtener contradicciones entre el túnel y el CFD debe hacernos sospechar del CFD (aunque los desarrollen los mejores programadores del mundo).

(Túnel de viento realizando un estudio aerodinámico de un monoplaza)

Todo lo explicado en este artículo intentaré aplicarlo en algún otro artículo si es posible, que explique de una forma más detallada un caso concreto del MEF.

IMÁGENES

Ecuación Navier-Stokes Personal

Mallado pieza Personal

Sistema frenado UNIVERSIDAD DE CAMBRIDGE

http://www.cambridgeflowsolutions.com/pics/formula1-wheel.jpg

Tunel de viento DALLARA

http://www.dallara.it/siteimages/wind%20tunnel.jpg