En el artículo sobre la capa límite introdujimos dos conceptos que son fundamentales a la hora de entender cómo funciona la aerodinámica. Se trata del flujo laminar y del flujo turbulento. Ambos tipos de flujo se pueden encontrar sobre (y en el interior de) un monoplaza, y es deber de los ingenieros sacarle el máximo partido a cada uno de ellos.
Ahora bien, ¿cómo es cada uno de ellos? Para entenderlo bien, podemos recurrir a un ejemplo sencillo. Cuando en nuestras casas abrimos el grifo del agua, podemos observar distintas situaciones. Si lo abrimos hasta la mitad (aproximadamente) poco a poco, observamos que el chorro que cae está bien definido y el agua es transparente. Sin embargo, cuando lo abrimos al máximo, veremos que deja de serlo, volviéndose el movimiento del agua más caótico. Pues bien, en el primer caso estamos ante un flujo laminar y en el segundo ante un flujo turbulento.
Si lo expresamos de forma un poco más científica, podemos decir que el flujo laminar es un flujo ordenado, en el que el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse. Por otro lado, el flujo turbulento será caótico, aparecerá una gran mezcla entre las distintas capas de fluido y el movimiento vendrá dominado por la aparición de vórtices (o remolinos).
¿Y cómo se puede pasar de un tipo de flujo a otro? Como podéis deducir del ejemplo del grifo, una de las maneras más sencillas es incrementar la velocidad del fluido. Un flujo lento tiene más probabilidades de ser laminar que otro rápido y viceversa. También hay otros factores que afectan (como la densidad del fluido, la distancia que recorre o su viscosidad), pero de momento diremos que el principal es la velocidad. Además, como ya dijimos en el artículo sobre la capa límite, entre el estado laminar y el turbulento encontraremos un estado de transición en el que el fluido tendrá propiedades de ambos tipos de flujo.
Llegados a este punto, no podemos olvidar mencionar el número de Reynolds, que permite calcular de forma matemática si un fluido se encuentra en estado laminar o turbulento.
Hasta aquí bien, ¿no? ¿Qué os parece si analizamos las propiedades de cada tipo de flujo y vemos cómo afecta a un monoplaza de Fórmula 1?
Comencemos con el flujo laminar. Cuando el aire en estado laminar circula sobre el monoplaza, al moverse en “láminas” paralelas, ejerce poca fuerza en dirección perpendicular a la superficie. Debido a esto, cuando se encuentra con una curva en la carrocería, puede que el fluido no tenga la capacidad de mantenerse pegado a ella, produciéndose lo que se conoce como “despegue” de la capa límite. Como vimos en el artículo donde explicábamos el drag de forma, cuando esto ocurre, se genera una zona de baja presión que hace que la resistencia aerodinámica al avance crezca.
Sin embargo, con el flujo turbulento ocurre lo contrario. Al ser su movimiento tan caótico, se generan fuerzas en dirección perpendicular a la superficie. Esto tiene dos consecuencias. Por un lado, el rozamiento con el monoplaza se incrementa, creciendo el drag debido a la fricción. No obstante, este tipo de flujo tiene mayor facilidad para mantenerse pegado al cuerpo del coche cuando se encuentra con curvas en la carrocería. Como consecuencia, de esta forma se disminuye el drag de forma.
Además, el flujo turbulento también se emplea en el interior del monoplaza. En el sistema de refrigeración, el flujo turbulento es mucho más eficiente a la hora de extraer el calor de las superficies. También se emplea en el motor al realizar la mezcla de la gasolina y el aire. Una mayor turbulencia mejora la mezcla de ambas sustancias y, por tanto, el rendimiento de la combustión.
En resumen, un flujo laminar generará poco drag debido al rozamiento pero mucho drag de forma, mientras que el flujo turbulento hará lo contrario.
Cuando los ingenieros diseñan los paquetes aerodinámicos deben plantearse qué tipo de flujo se encontrarán en cada parte del monoplaza. En la zona delantera, salvo en condiciones de aire sucio, el aire será laminar, por lo que se buscará aprovechar sus características. Sin embargo, en otras zonas (como en los pontones) puede que se busque generar un flujo turbulento, para mantenerlo adherido al monoplaza durante la máxima distancia posible y conducirlo hacia el difusor, reduciendo el drag de forma. Esto se puede conseguir empleando piezas llamadas generadores de vórtices, que se explican en el siguiente artículo.
Referencias:
[1] Cychosz, D., (26 de octubre de 2018) Demystifying Fluid Turbulence, Velocity and Flow Measurement. Online: https://www.automation.com/automation-news/article/demystifying-fluid-turbulence-velocity-and-flow-measurement
[2] Hatton, G., Red Bull RB15 testing update. Online: https://www.racecar-engineering.com/articles/f1-red-bull-rb15-testing-update/
Katz, J., (1995). Race Car Aerodynamics: Designing for Speed, Cambridge, USA, Bentley Publishers.
Robles Mendoza, S., (10 de mayo de 2018) Flujo laminar y flujo turbulento. Online: https://es.slideshare.net/SusanRoblesMendoza/flujo-laminar-y-flujo-turbulento
González, M., (6 de julio de 2011) Flujo Laminar y Flujo Turbulento. Online: https://fisica.laguia2000.com/dinamica-clasica/flujo-laminar-y-flujo-turbulento
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