Articulo de Timoteo Briet con la colaboración de Enrique Scalabroni y Nacho Suarez

 

• Objetivos:

Este es el primero de Artículos de una serie aplicados a vehículos tipo Fórmula Student o Fsae o similar; los objetivos principales son 2:

• Describir el proceso CFD para obtener el balance aerodinámico del vehículo.
• Analizar otros valores aerodinámicos en el vehículo estudiado a partir de simulaciones CFD.
• Origen del CAD analizado; proceso de mallado, valores numéricos a calcular y resultados obtenidos:

Queremos agradecer desde aquí, a Marwan Attar (marwan.attar0@gmail.com), quien ha realizado las acciones pertinentes y necesarias para permitirnos trabajar el modelo del automóvil del 2019 del equipo “More Modena Racing” (Figura 1). Es un placer trabajar sobre él y aportar ideas sobre su estudio general, que permitirá a otros equipos aplicar a sus vehículos.

Figura 1: Logo del equipo More Modena Racing.

A continuación se puede apreciar el CAD del Formula Student/ Formula SAE en las siguientes imágenes (Figura 2):

Figura 2: Diferentes imágenes CAD del modelo.

• Se trata de un modelo CAD sencillo que utilizaremos en este PRIMER ARTÍCULO, donde las ruedas son macizas y los radiadores no están incluidos. En próximos Artículos incorporaremos ruedas “reales” con sistema de Refrigeración de Frenos y analizaremos la transferencia de calor al aire, del grupo disco de freno/caliper, la rotación de las ruedas (en unsteady o transitorio), los gases de escape (composición química), los paneles radiantes, la transferencia de calor en suys escapes, etc….

De igual forma, analizaremos el modelo real, ensayado en los tests correspondientes de pista (Figura 3):

Figura 3: Modelo “real”: More Modena Racing.

La fase anterior al mallado del modelo, consiste en tener perfectamente definido el modelo 3D en CAD del automóvil; esto indica que los datos numéricos que obtendremos de un análisis CFD no corresponderán al modelo “real”, sino al modelo CAD; por esta razón, el modelo CAD ha de ser lo más parecido posible al modelo físico.

Para obtener un buen modelo CAD completo del automóvil para realizar pruebas como = cambiar un front wing por otro, o un rear wing, o añadir una pequeña pieza, o quitar otra, el automóvil debe geométricamente estar compuesto por partes ensambladas en el programa CFD y el programa CFD ha de ser capaz de hacer justamente lo dicho anteriormente: sumar diversas parte y unirlas, restarlas, quitar o añadir piezas, etc…. Cuando esto se ha realizado correctamente, nos encontramos ante el proceso de mallado, que se define a continuación:

Como se ha comentado anteriormente, que el modelo del CAD debe ser lo más parecido al automóvil real, por cuanto los resultados numéricos que se obtendrán corresponderán al modelo del CAD. Es más: los resultados numéricos serán del CAD cuyas superficies están formadas por la malla que seamos capaces de crear; es decir: el modelo del automóvil se ha convertido en una malla, que debe ser  lo más similar al CAD o al modelo del automóvil. De ahí la importancia que tiene  realizar una buena malla.

A groso modo, queremos comentar algunos datos importantes acerca el mallado del vehículo. En próximos Artículos daremos más información sobre los tamaños y otros valores,  como son los casos sobre la transferencia de calor y la rotación de las ruedas respecto al tiempo, por ejemplo:

En cuanto a tamaños de malla, normalmente se trabaja con 2 tamaños: tamaño mínimo y tamaño objetivo; el tamaño mínimo ha de ser pequeño para que la malla se acople a las pequeñas superficies o pequeñas curvaturas; este tamaño puede ser perfectamente 0.5 mm. El tamaño objetivo es el tamaño al que tenderá el tamaño “general” de la malla; que oscila entre 1.0 cm y 3.5 cm (Figura 4):

Figura 4: Tamaños de malla.

Otro aspecto muy importante a tener en cuenta, es una buena definición de capa límite; se trata de la fina capa de aire que existe alrededor de cualquier superficie del vehículo, dentro de la cual suceden efectos importantes desde un punto de vista aerodinámico y que definen la aerodinámica global del automóvil; estos efectos son causados por la viscosidad del aire. El espesor de la capa límite depende de la velocidad del aire en cada punto, por lo tanto, la capa límite debe definirse en espesores distintos, dependiendo de la zona donde se debe implementar; para esto es conveniente realizar una primera simulación en CFD (aproximada por tanto), para obtener valores de velocidad, y en función de ellos, calcular los espesores en cada punto y así sucesivamente, logrando una capa límite cada vez más correcta. Pero normalmente no se hace esto, a costa quizás de necesitar más tiempo de cálculo por un mayor peso de la malla. La forma usual es definir una altura de capa límite igual para todo el automóvil; dando un espesor de la capa límite “global” de 8 mm, con unas 15 capas.  Existe el llamado factor de Stretching (proporción de espesores entre capas) que puede ser de un valor de 1.4 (Figura 5):

Figura 5: Capa límite.

Para saber si se ha colocado una malla correcta en la capa límite, existe un valor numérico denominado “Y+ ”, que indica la idoneidad de la capa creada = Valores menores de 25 son muy correctos (Figura 6):

Figura 6: Valores de Y+ de la Capa límite.

En nuestro caso, observamos que valores de Y+ entre 25 y 20 apenas hay, lo cual es muy bueno para obtener resultados “reales” con cuales deberemos trabajar.En cuanto al refinamiento de la malla, o sea hacer la malla más fina y precisa donde se necesita o donde suceden efectos más importantes desde el punto de vista aerodinámico, hay 2 formas de hacerlo:

Colocando volúmenes de control en las zonas deseadas, haciendo que en dichas zonas la malla sea más pequeña.

Este método es muy bueno, pero tiene el inconveniente de que entre los distintos volúmenes de control existen saltos en el tamaño de malla, que se deben suavizar, y ello no es fácil = cuanta más diferencia exista entre tamaños de malla, peor serà la convergencia de la solución, o haciendo la malla más pequeña en toda la zona de problema; pero esto conlleva una mayor cantidad de malla, pero no habran saltos de malla entre diferentes zonas y esto implica mayor precisión y sensibilidad de las soluciones.

Los datos generales de las simulaciones que hemos realizado en este primer Artículo, son:

• Velocidad de 50 km/h.
• Rotación de ruedas.
• Suelo rodante.
• Balance Aerodinámico:

Para calcular el Balance Aerodinámico, se procederá de 3 modos (son prácticamente iguales y se obtienen exactamente los mismos resultados); siempre suponiendo que el eje de coordenadas está situado en el eje frontal del vehículo

• Calcular Momento de Pitch / Wheelbase = Downforce en el eje trasero; sabiendo esta fuerza y la downforce total, se calcula el balance frontal; es decir: el porcentaje de downforce total que actúa sobre el eje frontal.
• Momento de Pitch / Downforce total = Distancia del eje frontal al centro de presión; sabiendo este punto y el Wheel base, se calcula el balance frontal.

Finalmente, también es posible calcularlo del siguiente modo:

1. Determinar el Total DWF del automóvil en CFD = FT ,en [KN]
2. Determinar el Rear DWF en CFD = FC ,en [KN]
3. Wheel base = L ,en [m]
4. Distancia entre el eje anterior al Centro de Presión =
           a = (FC / FT ) x L     ,en [m]

Son 3 métodos “iguales” que permiten conocer el balance del automóvil.

En este caso y según nuestro análisis en CFD, el balance Frontal es de un 36.5%. Ello significa, que el 36.5% de la Total DWF actúa sobre el eje anterior.

Veamos ahora la distribución de presiones debajo del automóvil (Figura 7), para ver de esta forma las zonas que producen mayor DWF; de esta forma podemos conocer las zonas que “que no trabajan correctamente”, ya que esta es una de las principales claves en todo el desarrollo aerodinámico de un vehículo: conocer las zonas que deben ser mejoradas:

Figura 7: Presiones sobre la parte inferior del coche.

En estas imágenes de presión, se aprecian las zonas de baja presión (no necesariamente generadoras de Downforce….). En azul se señalan las zonas de depresión: parte inferior del front wing, y zonas de transición del suelo hacia el difusor y cambio de curvatura. También es curioso (y muy positivo), observar ese zona de baja presión en los canales laterales del suelo (azul oscuro).

Calculemos ahora, la curva de presión que existe en el sistema suelo-difusor del vehículo (Figura 8), en la sección marcada en blanco en la parte inferior:

Figura 8: Sección y Curva de presión en el suelo-difusor.

Se aprecia perfectamente la zona de transición entre suelo y difusor, donde se produce la reducción brusca de presión que succiona el aire que pasa por debajo del suelo, hacia atrás. Esta es la función del difusor: ayudar al suelo a que funcione bien y produzca el mayor Downforce posible; de hecho, el difusor no produce demasiada carga; podemos representar en este caso, las cargas (Downforce) que realizan cada parte del automóvil (Figura 9) al igual que las resistencias al avance (Drag) de cada parte (Figura 10) (los valores de cada tabla, corresponden a Newtons y se refieren a la mitad del automóvil):

Los valores de la columna de la derecha, indican Downforce cuando son positivos y se ve claramente que el suelo-difusor, el front wing y el rear wing son los máximos generadores de Downforce.

Figura 9: Downforce de cada parte del automovil.

Figura 10: Drag de cada parte del automovil.

En este caso, la eficiencia (Downforce / drag) es de aproximadamente 3.

Siguiendo con una de las premisas esenciales en todo diseño “preliminar” de un vehículo, y en particular en relación a la detección y análisis de las zonas que non trabajan correctamente, una de las representaciones más ilustrativas que se pueden realizar,  es aquella en la que podemos observar qué zonas del automóvil producen Downforce; es decir: aquellas zonas que producen fuerza en sentido vertical hacia la pista (Figura 11); se ha representado sólo los colores correspondientes a valores de coeficientes de Downforce entre 0 y -1; ello significa que se representan sólo los colores de las zonas que producen Downforce.

Figura 11: Zonas del automovil donde se produce Downforce.

Imaginad, por ejemplo, visualizar las zonas que PRODUCEN DRAG; sería un método increíble de localizarlas para poder optimizarlas; estamos pensando un Artículo aplicado a un F1, justamente con este tipo de representaciones, con el objetivo de conocer y localizar dichas zonas posibles de mejorar. O lo que es lo mismo: en las imágenes anteriores, se pueden representar las zonas del coche que PRODUCEN LIFT….

En el rear wing, podemos apreciar que la parte inferior, no trabaja bien correctamente, pues hay como una especie de “U” y debería ser toda constante de color (Figura 12):

Figura 12: Rear wing: zonas de creación de downforce.

Otra forma d optimizar las zonas del vehículo es conocer las zonas que producen Drag “reversible”; es decir: Drag que se genera pero que es posible eliminar; por ejemplo, podemos optimizar las partes frontales de los Strakes que hay debajo del front wing; donde hay color rojo (alta presión) en la parte frontal de cada uno de ellos (Figura 13):

Figura 13: Presión en los Strakes del front wing y alrededores.

Conclusiones:

Con este Primer Artículo de una serie de trabajos aplicados a este automóvil, pretendemos dar a conocer las posibilidades que proporciona un estudio en CFD para optimizar aerodinámicamente el vehículo por medio de métodos y herramientas utilizadas, valores a calcular, representaciones útiles, proceso de mallado y cálculo, etc….

 

Sobre los Autores:

Timoteo Briet

Aerodynamic and CFD engineer, Mathematician, Cosmologist, Online Course CFD, Aero, and CFD professor E-mail: racecarsengineering@gmail.com Twitter: @TimoteoBriet: https://www.linkedin.com/in/timoteobriet

Enrique Scalabroni

Dallara Automobili, Ferrari F1 Chassis Technical Director, Williams F1, and Lotus F1 among many others Race Car Conceptual Engineer E-mail: scalabroni@yahoo.com Twitter: @ScalabroniE:

 Nacho Suárez

Ph.D. Electronics Engineer Vehicle Dynamics, Virtual 7-Post Rig, Simulation, Autonomous Vehicles, Embedded Systems, Control E-mail: nachosuamar@gmail.com https://www.linkedin.com/in/nachosuarezphd/

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Estudiantes del Curso Online de CFD, colaboradores en este Artículo:

Marwan Attar (marwan.attar0@gmail.com).

Ramiro Guerra (ramiroleaguerra@gmail.com).

            Nuestro anterior Artículo:

https://www.motorlat.com/notas/tecnica/20142/f1-tecnica-que-es-y-como-funciona-el-angulo-de-rake-en-un-f1