¿Qué es la simulación CFD?
La simulación CFD es, junto con el túnel de viento, una de las principales herramientas de desarrollo aerodinámico tanto en la competición como en la industria. Las siglas CFD provienen del inglés Computational Fluid Dynamics (Dinámica de Fluidos Computacional). Y es que esta herramienta permite simular el comportamiento de cualquier fluido (en nuestro caso el aire) en un sistema mediante el cálculo computacional. Dicha herramienta se fue desarrollando lentamente durante el siglo pasado, pero cobró una gran importancia en la Fórmula 1 a finales de los años 90 y principios del nuevo siglo.
Ahora bien, ¿por qué es necesario el empleo de ordenadores? El comportamiento de los fluidos viene determinado por una serie de ecuaciones (ecuaciones de Navier-Stokes) muy complejas, que sólo se pueden resolver directamente en casos muy específicos y sencillos. Como ya imaginaréis, el comportamiento del aire alrededor de un monoplaza no es nada sencillo y, por tanto, las ecuaciones no se pueden resolver analíticamente. Para ello, se lleva a cabo una aproximación del problema, que vamos a explicar a continuación.
Nuestro sistema es el aire que rodea al monoplaza, también conocido como campo fluido. El volumen total que ocupa dicho aire se divide en bloques muy pequeños, que llamamos celdas. Es decir, donde antes teníamos un gran volumen lleno de aire, ahora tenemos millones de pequeñas celdas. Tras esto, las ecuaciones que modelan el comportamiento del fluido se aproximan mediante un método matemático (no vamos a entrar a explicarlo) y se resuelven para cada una de las celdas. Finalmente, se obtienen los resultados en cada una de las celdas de algunos parámetros aerodinámicos como la densidad, la presión o la velocidad del aire. Trabajando con estos resultados, se puede obtener fácilmente las fuerzas y la distribución de presiones sobre el monoplaza. Es decir, conseguimos obtener los mismos resultados que en el túnel de viento.
Cómo se realiza una simulación CFD
Cualquier simulación CFD se divide en tres etapas, que son el preproceso, cálculo y postproceso.
Durante el preproceso se define el sistema que se va a simular. Para ello, se especifica qué material se emplea (en este caso aire) así como las físicas que afectan al problema. Todos los parámetros que permitan calcular el número de Reynolds se indicarán de una u otra forma. Dentro de este apartado se deben elegir los distintos modelos de turbulencia o de energía (entre otros) que se van a resolver durante la simulación, así como sus condiciones de contorno. Lo que hará el ingeniero en esta fase será preparar la simulación para que reproduzca cómo se comportaría el aire en la realidad.
Tras esto, partiendo del modelo en 3D del monoplaza, se crea un prisma que rodee a dicho vehículo. Este será el túnel de viento virtual y representará el aire que rodea al monoplaza. Una vez se tiene dicho túnel de viento, se procede a crear el mallado, es decir, dividirlo en pequeñas celdas. Dichas celdas pueden ser bidimensionales (triángulos o cuadriláteros) o tridimensionales (tetraedros, hexaedros u otros poliedros).
Una vez que se ha terminado el preproceso con la creación de la malla, se comienza el cálculo, resolviendo automáticamente todas las ecuaciones en cada una de las celdas. Este paso es, junto con la creación de la malla, el que más tiempo necesita y varía en función de la capacidad de cálculo del ordenador. Generalmente, a pesar de que los equipos emplean grandes clusters o supercomputadores, esta etapa tarda unas cuantas horas.
Finalmente, cuando el cálculo ha finalizado, se puede realizar el postproceso de los resultados. En esta etapa se comprueba que la solución es fiable y se analizan los distintos valores aerodinámicos. Además, se puede estudiar mediante imágenes 3D el camino que sigue el aire alrededor del monoplaza, en qué zonas se despega la capa límite o si los vórtices generados benefician al funcionamiento del coche.
En estas dos entrevista, Juanjo García y Juan Andrés Breme ambos ingenieros de desarrollo CFD en Racing Point F1 Team nos explica sus funciones en el equipo de Fórmula 1.
Software de CFD
Para realizar las simulaciones CFD existen numerosos programas de ordenador, pero actualmente los más importantes son ANSYS Fluent, Star-CCM+ y OpenFOAM.
Tanto Fluent como Star-CCM+ son dos softwares muy completos y potentes, perfectos para realizar cualquier tipo de simulación aerodinámica. El primero de ellos pertenece a la empresa estadounidense ANSYS, mientras que el segundo es parte de Siemens. Como principal inconveniente, ambos presentan un precio muy elevado. Personalmente, he tenido la posibilidad de usar ambos programas y los dos ofrecen muy buenos resultados.
Por otro lado, OpenFOAM es un software de código abierto, es decir, es gratuito. A cambio, no hay un servicio profesional respaldando su funcionamiento, pero cuenta con una gran contribución de usuarios anónimos que generan una gran cantidad de información de manera gratuita.
Otros programas que también se emplean son Siemens NX, Altair AcuSolve o ANSYS CFX.
Ventajas e inconvenientes
Como las demás herramientas de desarrollo aerodinámico, la simulación CFD presenta una serie de ventajas e inconvenientes que analizamos a continuación:
Ventajas:
- Se obtiene información sobre todos los valores físicos (velocidad, densidad, presión…) en todos los puntos del monoplaza y del campo fluido.
- Debido a la gran cantidad de información sobre dichos valores se pueden realizar análisis muy complejos.
- No se emplean maquetas físicas ni dispositivos como el túnel de viento, por lo que ahorra costes.
- Permite realizar varias simulaciones a la vez.
Inconvenientes:
- Inseguridad sobre la precisión de los resultados. Como hemos dicho, se emplean distintos modelos matemáticos que reproducen la realidad. Por tanto, se debe conseguir que los parámetros estén bien definidos y ajustados para que los resultados sean lo más precisos posibles. Esto se lleva a cabo mediante pruebas aerodinámicas en pista.
- Se debe llegar a un compromiso entre la precisión deseada de los resultados y el tiempo de simulación. Cuanta más exactitud se busque, mayor será el tiempo de mallado y cálculo.
Referencias:
[1] Hatton, G., (26 de septiembre de 2019) SimScale Webinar | Optimising Racecars with CFD. Online: https://www.racecar-engineering.com/articles/simscale-webinar-optimising-racecars-with-cfd/
[2, 4] Briet, T., (9 de abril de 2019) Análisis CFD: ventajas, inconvenientes y comparación del alerón delantero de Ferrari. Online: https://soymotor.com/articulos/analisis-cfd-ventajas-inconvenientes-y-comparacion-del-aleron-delantero-de-ferrari-962493
[3] SimScale (4 de febrero de 2019) What is CFD | Computational Fluid Dynamics? Online: https://www.simscale.com/docs/simwiki/cfd-computational-fluid-dynamics/what-is-cfd-computational-fluid-dynamics/
[5] Hatton, G., Tech explained | 2018 F1 CFD regulations. Online: https://www.racecar-engineering.com/featured/tech-explained-2018-f1-cfd-regulations/
Katz, J., (1995). Race Car Aerodynamics: Designing for Speed, Cambridge, USA, Bentley Publishers.
Newey, A., (2017). How to build a car, Londres, Reino Unido, Harper Collins Publishers.
Iskander, B., Computational Fluid Dynamics in Motorsports – Quo Vadis? Online: https://www.racecar-engineering.com/advertisement/fluid-dynamics-in-motorsport/
Oriol, (10 de agosto de 2018) CFD (Computational Fluid Dynamics). Online: https://www.formula1atmosphere.com/aerodinamica/cfd-computational-fluid-dynamics/#Programas_de_CFD
Caro, A., CFD (Computational Fluid Dynamics) . Online: https://www.abelcaro.com/aerodinamica/simulacion-cfd/
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