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Fórmula 1

Análisis aerodinámico de un Fórmula 1 mediante Dinámica de Fluidos Computacional (CFD)

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Cada día, los ingenieros de los diferentes equipos tratan de mejorar la aerodinámica de los monoplazas con el objetivo de ser más competitivos. En los últimos años hemos visto una evolución en la aerodinámica muy grande, donde los equipos cuidan todos los detalles y ya no solo se centran en los alerones delantero y trasero sino que van mucho más allá, incorporando elementos minúsculos con el objetivo de ganar alguna décima en los circuitos.

En este artículo se explican los aspectos más importantes  de la aerodinámica de un Fórmula 1, realizando una simulación sencilla de un modelo de Fórmula 1 mediante el software OpenFOAM a través de Simscale.

Antes de comenzar a comentar la simulación y los resultados obtenidos, es necesario explicar brevemente algunos conceptos importantes de la aerodinámica.

Flujo externo: produce zonas de presión y depresión además de rozamiento viscoso (rozamiento debido a la viscosidad del aire, que es una propiedad del fluido que introduce fuerzas sobre el vehículo) con las paredes del vehículo generando:

  • Resistencia al avance.
  • Carga sobre las ruedas.
  • Variaciones en la estabilidad.
  • Ruido

Flujo interno: es el encargado de refrigerar el habitáculo y el motor.

Flujo laminar: es característico de velocidades de circulación bajas. En él, las partículas se mueven en trayectorias uniformes deslizándose entre ellas.

Flujo turbulento: es característico de velocidades de circulación altas. En él, las partículas del aire se mueven en trayectorias irregulares generándose un intercambio de cantidad de movimiento en el aire.

Por otro lado, el flujo puede estar:

  • Adherido a la superficie del vehículo: se prefiere adherido ya que reduce la resistencia aerodinámica y/o genera carga vertical.
  • Separado de la superficie.

Flujo adherido (A) y Flujo separado (B) en el vehículo

Resistencia por presión: en las zonas cóncavas se generan presiones positivas mientras que en las zonas convexas, las presiones son negativas. Esto se puede ver en el análisis del coeficiente de presión a un coche del DTM.

Coeficiente de presión en un coche del DTM

Las zonas con colores más cálidos representan presiones positivas mientras que los colores azulados son presiones negativas.

Presiones en función de la forma

Resistencia debida al rozamiento: por efecto de la viscosidad del aire.

Resistencia total avance, que depende de la densidad del fluido, el área frontal del vehículo, la velocidad de circulación y un coeficiente aerodinámico que depende de la forma de coche.

La influencia de la parte trasera sobre dicho coeficiente es mucho mayor que en la parte delantera. Al avanzar el vehículo se produce una depresión que provoca una fuerza de arrastre en contra del avance. En la parte trasera se generan unos vórtices de Karman que hay que evitar ya que producen inestabilidad.

Influencia de la parte trasera en el coeficiente aerodinámico

También se ha de tener en cuenta la influencia de los neumáticos ya que el giro de las ruedas provoca inestabilidades en el flujo de aire, por ello en la Fórmula 1 siempre se pretende redirigir el flujo en las zonas próximas a los neumáticos.

Comportamiento del flujo de aire alrededor de los neumáticos

Fundamento del uso de alerones: el aire de la zona inferior del alerón tiene más velocidad que el de la zona superior. La resultante es una fuerza de sustentación que genera mayor carga vertical sobre las ruedas mejorando el paso por curva.

Comportamiento del flujo alrededor de dos perfiles de álabes

Función del Gurney flap utilizado en la Fórmula 1

Difusor: permiten reducir la presión en el suelo del monoplaza y crear una succión incrementándose la sustentación.

Función de un difusor en la Fórmula 1

Una vez explicados los principales conceptos a nivel aerodinámico, vamos a detallar la forma de trabajar para realizar un análisis aerodinámico.

En primer lugar se realiza un modelo en CAD, es decir, utilizando un programa de diseño se modeliza el vehículo en 3D. Normalmente se emplea el software Catia por ser muy completo aunque existen otras alternativas como Solid Edge. En este caso se modeliza un Fórmula 1 más antiguo que contiene muchos menos elementos aerodinámicos con el fin de agilizar los cálculos.

Modelo CAD de un Fórmula 1

Posteriormente se implementa el diseño en un programa CFD como OpenFOAM en este caso. En él, se realiza el mallado del vehículo, que consiste en discretizar el modelo en volúmenes finitos con el fin de analizar de forma más exhaustiva el comportamiento del aire alrededor del coche. También se establecen las condiciones de contorno, que son las condiciones en las que ensayamos el coche, es decir, velocidad del aire, temperatura, presión ambiental y un sinfín de parámetros. Cabe destacar que en este artículo se realiza un resumen del proceso, ya que en el realidad lleva cientos de horas realizar los modelos.

Mallado del modelo

Tras realizar el mallado y establecer las condiciones de contorno (entre otras muchas cosas), se procede a realizar el cálculo. Se utilizan superordenadores para este apartado ya que los modelos a analizar son muy complejos y el tiempo de cálculo es elevado. En este caso se han utilizado 32 núcleos y 60 GB de RAM.

Una vez obtenidos los resultados (el ordenador puede tardar días), se procede a analizarlos.

En este caso se muestra la distribución de presiones a lo largo del monoplaza.

Distribución de presiones a lo largo del monoplaza. Vista Frontal. Resultados de Ali Arafat

Como se puede observar, la zona del alerón, los pontones y las ruedas delanteras son las que tiene una mayor presión por encontrarse directamente expuestas al flujo de aire. Esto supone una mayor resistencia al avance.

Distribución de presiones a lo largo del monoplaza desde otro punto de vista. Resultados de Ali Arafat

Otro parámetro que se debe analizar es la velocidad del aire alrededor del monoplaza.

Velocidad del aire a lo largo del monoplaza. Resultados de Ali Arafat

Como se puede observar, las estelas del aire no siguen un patrón fijo sino que se deslizan a través del Fórmula 1, salvando los obstáculos como ruedas o pontones. Las zonas rojas corresponden a velocidades del aire mayores mientras que las zonas con colores más fríos corresponden a velocidades menores.

Velocidades a lo largo del monoplaza desde otro punto de vista. Resultados de Ali Arafat

Este parámetro también se mide en los túneles de viento y en los test se utilizan los famosos tubos de pitot, los cuales miden la velocidad del aire en determinadas zonas a partir de los datos de presión a la entrada y la salida de los mismos.

MCL 33 de McLaren con una rejilla de tubos de pitot

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Piastri se lo pone difícil a Norris con la pole en Catar

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El Circuito de Lusail se encendía de nuevo para acoger la penúltima clasificación de la temporada, con todos los ojos sobre los contendientes para el Mundial, teniendo en cuenta que el circuito no invita al adelantamiento y la posición en parrilla será clave.

Desde antes del inicio, empezaban las luchas por quien salía primero de boxes para empezar a dar vueltas cronometradas. Los primeros intentos, con neumáticos blando, algunos usados, otros nuevos, mostraban la dificultad que requeriría pasar a la Q2, con los tiempos sin apenas distancia.

Piastri, «poleman» y ganador de la Sprint, lideró esta primera etapa, seguido de Alonso, que hizo dos intentos seguidos, y Russell. Los segundos intentos reales, con neumáticos nuevos, rebajaron los tiempos en más de medio segundo dejando a Russell líder y fuera a Tsunoda, Ocon, Hamilton, Stroll, Colapinto.

La Q2 empezaba con retraso por limpieza en la pista. Verstappen salía con los colistas para hacer una vuelta de adaptación con neumáticos usados. Piastri era el primero en romper la barrera del 1:20 con un 1:19.650 en su primer intento. Todo hacía prever que el pase a la lucha por la pole iba a estar complicado con los pilotos desde el 4º hasta el 10º en la misma décima.

Norris se la jugaba todo a una, al británico le eliminaron su primer intento por límites de pista y consiguió entrar a medio segundo de su compañero, haciendo una vuelta para asegurar su pase.

Con los segundos intentos, los españoles, Alonso y Sainz, conseguían entrar a la Q3 en sexta y séptima posición, respectivamente. Por su parte, Leclerc pasaba en el límite, 9º, en un circuito que a Ferrari se le está atragantando. Quedaban fuera Hulkenberg, Lawson, Bearman, Bortoleto y Albon.

Ya en la Q3, en los primeros intentos, Norris impresionaba con un 1:19.495, pulverizando todos los tiempos de las sesiones anteriores. Su compañero, Piastri, se quedaba a 0.035s, marcando record en el segundo y tercer sector. Los McLaren demostraban estar a un mundo del resto. Russell, justo detrás de ellos, no conseguía acercarse más de 3 décimas.

El susto de la clasificación lo ha causado Leclerc, que ha hecho un trompo arriesgando en su primer intento. Además, la FIA investigaba a Carlos Sainz por salir a pista con unas pegatinas que se quedaban pegadas a sus neumáticos al salir de boxes.

El desprendimiento de las pegatinas del Williams provocaba una corta bandera roja para retirarlas de la pista. Con 2 minutos y medio para finalizar, se reanudaba la sesión.

En el intento final, Norris cometió un error que le dejó sin poder mejorar su vuelta. Piastri consiguió la pole con una décima sobre su compañero. Verstappen, que venía mejorando, se tuvo que conformar con el tercer puesto, seguido de Russell y Antonelli. Por su parte, Sainz y Alonso saldrán 7º y 8º, respectivamente.

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Piastri domina la Sprint de Catar, Norris salva los muebles y Verstappen pierde distancia

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La última carrera Sprint de la temporada en Catar no ha sido precisamente ajetreada, pero sí ha dejado claro quién ha gestionado bien sus estrategias y la tensión que se respira en la parrilla. En un circuito donde es muy difícil adelantar, Oscar Piastri se ha demostrado imparable, haciendo una carrera sólida y llevándose la victoria.
 
Todos los pilotos arrancaron con neumático medio y los Alpine, junto con Stroll y Hamilton salieron desde el pit lane. La salida ha sido limpia, sin incidentes, aunque con cierta tensión desde el primer metro. Piastri salió muy bien desde la primera posición, mientras Russell aguantaba por detrás impidiendo que Norris lo adelantara. Fernando Alonso que intentó ganar terreno por fuera, perdió varias posiciones, poniéndose por detrás de los dos Red Bull.
 
Verstappen ha sido uno de las más activos en las primeras vueltas, ganando dos posiciones y colocándose justo detrás de Norris. Sin embargo, el neerlandés volvió a sufrir con su coche, quejándose del mismo problema que en la clasificación de ayer, los botes, además de que había un problema con su radio y no se comunicaba bien. Por delante, Piastri empezaba a marcar diferencias con Russell, mientras que Verstappen se quedaba a unas seis décimas de Norris, esperando un error que nunca llegó.
 
Leclerc protagonizó un pequeño error tras salirse a la grava y perder varias posiciones. En esta Sprint, Ferrari no ha tenido buen ritmo. Por otra parte, Antonelli presionaba a Alonso hasta que finalmente logró adelantarle.

Ha habido varias banderas blancas y negras, pero el que ha sido sancionado con 5 segundos por exceder los límites de pista en la curva 10 ha sido Tsunoda, lo que ha terminado de arruinar su carrera.
 
A falta de nueve vueltas, la carrera ya estaba bastante estabilizada. Piastri lideraba con Russell segundo, Norris aguantando su tercera posición y Verstappen cuarto. Sainz defendía con éxito su octava posición, aunque llegó a verse un trozo desprendido de su coche, sin consecuencias graves. En las últimas vueltas, Piastri avisó por radio de vibraciones, y su ventaja se redujo ligeramente, pero fue suficiente para controlar la situación.
 
En la última vuelta no hubo sorpresas. Oscar Piastri ha cruzado primero la meta y se ha llevado la victoria Sprint en Catar, rompiendo una racha de siete fines de semana sin podio. Russell segundo y Norris tercero, mientras que Verstappen ha finalizado cuarto. Alonso y Sainz han quedado séptimo y octavo, sumando ambos en una carrera que premió más la constancia que la agresividad.


 
Con todo esto sobre la mesa, podemos ver que nada está decidido aún en Catar. La Victoria de Piastri, la solidez de Russell y la licha constante entre Norris y Verstappen ha dejado claro que cada punto cuenta y que cualquier detalle puede cambiarlo todo.
 
Mañana será una carrera larga, tensa y llena de incertidumbres, donde la presión será máxima y el Mundial puede dar un giro inesperado. Todos están pendientes de lo que puede pasar.

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Piastri se lleva la última minipole de la temporada y Alonso ilusiona en Catar

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La clasificación Sprint ha arrancado con Max Verstappen siendo el primero en salir a pista, decidido a recuperar sensaciones tras unos libres no muy buenos. Todos los pilotos han salido con neumático medio, como es obligatorio. El primer crono ha sido del neerlandés, con un tiempo de 1:22.258, bastante modesto para el tiempo que se suele dar en Losail, pero suficiente para marcar la referencia inicial. Leclerc no logró superarlo y se quedó a 95 milésimas…hasta que apareció Lando Norris, que ha puesto un 1:21.621 para mejorar la sesión. Fernando Alonso confirmaba su gran estado de forma con la tercera posición, a solo 0.288 de Norris. Pero Verstappen no tardó en reaccionar y recuperó el liderato por solo una décima.
 
La sorpresa no muy grata llegó con Ferrari, completamente fuera de ritmo, Leclerc se posiciona octavo y Hamilton caía hasta la 16ª posición. Y cuando Norris se puso primero, Piastri le robó la sonrisa, colocándose líder por dos décimas sobre Verstappen, pero una vez más, el neerlandés respondió para cerrar la SQ1 como el más rápido. Alonso y Piastri lo escoltaban, mientras Norris quedó quinto. El gran golpe fue para Ferrari, ya que Hamilton quedó eliminado.


 
En la SQ2, Verstappen volvió a salir primero y marcó un 1:21.295, pero Norris voló y le metió tres décimas, colocándose primero. Piastri quedó a solo 49 milésimas. Tras los primeros intentos, Sainz estaba en la 6ª posición y Alonso bajaba al 14ª, al límite de estar eliminado. En los últimos intentos llegó la tensión, Verstappen mejoró y subió a la tercera posición muy cerca de Norris. Finalmente, Norris fue el más rápido en la SQ2, con Piastri segundo y Verstappen tercero.
 
En la SQ3, ha habido un imprevisto. Antonelli salió primero con blandos, pero el momentazo llegó cuando Verstappen se fue fuera de pista, abortando su vuelta y jugándose todo a un último intento. Russell marcó un impresionante 1:20.5, pero Piastri lo superó con 1:20.241, mientras que Norris se quedaba a solo 44 milésimas de su compañero. Sainz quedó 6º y Alonso 7º en el primer intento. En un último esfuerzo, Piastri confirmó la mini-pole, Russell quedó segundo, Norris tercero y Fernando Alonso se metió en una espectacular cuarta posición, por delante de Tsunoda y del propio Verstappen.

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