Uno de los cuerpos geométricos básicos más importantes que estudia la aerodinámica de vehículos es el cilindro. Dicho estudio sirve para conocer (de forma muy aproximada) cómo se comportará el aire alrededor de las ruedas de un monoplaza. Como ya se comentará en el artículo donde se trate a fondo el efecto que tienen las ruedas en la aerodinámica del vehículo, se trata de una de las partes que más afectan a su rendimiento aerodinámico.
En una serie de tres artículos vamos a explicaros qué efecto tienen las ruedas y sus llantas en el comportamiento del monoplaza. En este primero os vamos a mostrar, ofreciendo ejemplos calculados mediante simulación CFD, la teoría que explica por qué las ruedas empeoran su comportamiento aerodinámico.
Efecto de la proximidad al suelo
Podemos comenzar nuestro estudio tomando el mismo cilindro en dos posiciones distintas. En el primer caso, dicho cuerpo estará “flotando” en el aire, mientras que en el segundo se apoya el cilindro sobre el suelo. En las dos imágenes siguientes se compara la presión estática para ambos casos.
Si el aire se mueve de izquierda a derecha, estando el cilindro en una posición fija, se observa que, para el primer caso, aparece una distribución simétrica de presiones en ambas mitades del cilindro. Además, la zona de mayor presión (en rojo) se encontrará en la parte del cilindro más cercana a la entrada del aire. Esto provocará que, al ser la presión antes del cilindro mayor que tras él, se genere una fuerza que empuje al cilindro hacia la derecha, lo que conocemos como drag. Sin embargo, al ser la distribución de presiones simétrica respecto al plano medio del cilindro, no aparecerá ninguna fuerza vertical, o lift.
En el segundo caso, cuando el cilindro está apoyado sobre el suelo, tenemos una distribución de presiones muy distinta. Se puede observar que la zona de mayor presión estática aparece en la región limitada entre el suelo y la mitad inferior delantera del cilindro. Además, la zona de depresión sobre él se desplaza ligeramente hacia la izquierda. Esto provoca que se genere, además del lógico drag (fuerza que empuja al cilindro hacia la derecha), una fuerza vertical en sentido ascendente (lift) debido a que existe mayor presión en la mitad inferior que en la superior del cilindro.
En las dos imágenes siguientes se analizan los mismos casos, pero centrándonos en este caso en la distribución de velocidades. Se observa de nuevo que para el caso del cilindro aislado, hay un punto de estancamiento (velocidad nula) a su izquierda, el flujo se acelera (zona roja) hasta despegarse del cilindro en sus mitades superior e inferior y se genera una estela simétrica de velocidad reducida a su derecha. La aparición de dicha estela también la explicamos en el artículo sobre el efecto Coanda y el drag de forma.
En el caso del cilindro apoyado en el suelo se observa que ese punto de estancamiento se desplaza hacia abajo, coincidiendo con la zona de mayor presión estática. También se puede observar que el aire se acelera más (hasta 2.5 m/s) que en el caso anterior (hasta 1.9 m/s). Por último, la estela pierde su simetría y se mantiene pegada al suelo.
Finalmente, mediante los dos diagramas de vectores siguientes, podemos ver las direcciones que sigue el flujo. Se observa que para el caso del cilindro flotante, la estela está formada por la recirculación de aire. Es decir, el aire que rodea la zona cercana a la estela tiende a entrar en esta (en sentido contrario al flujo de aire normal) debido a la menor presión que hay en esa zona. De esta forma se crea una zona de recirculación de fluido.
Lo mismo ocurre en la estela del cilindro que se encuentra apoyado en el suelo. Sin embargo, aquí es también especialmente interesante la burbuja de recirculación que aparece justo en la parte delantera.
A continuación, se muestran algunas ampliaciones de las imágenes, donde se puede ver más claramente cómo se crean dichas zonas de recirculación. En la primera de ellas se muestra la estela del cilindro aislado.
En la imagen siguiente se muestran las dos zonas de recirculación correspondientes a la burbuja de recirculación delantera y a la estela.
Calle de vórtices de von Karman
Sin embargo, los casos mostrados en este artículo se darán cuando se tenga un flujo de entrada perfectamente estable, sin perturbaciones y con velocidades del aire no demasiado elevadas. Si alguna de estas condiciones no se cumple, empezará a aparecer una serie de vórtices que se desprenderán alternamente de la parte superior e inferior del cilindro, llamada calle de vórtices de von Karman. En el vídeo inferior podéis ver cómo se forman dichos vórtices alternos.
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A modo de curiosidad, la formación de esta calle de vórtices de von Karman es la que provoca que las antenas de los coches vibren cuando el vehículo está en movimiento.
En el próximo artículo os mostramos el efecto que tiene la rotación del cilindro en el campo fluido, también conocido como efecto Magnus.
Referencias:
[1] DolfynNet. (13 de Febrero de 2010) Von Karman vortex street (laminar, temperature), Re=250 [Archivo de vídeo]. Online: https://www.youtube.com/watch?v=IDeGDFZSYo8
Katz, J., (1995). Race Car Aerodynamics: Designing for Speed, Cambridge, USA, Bentley Publishers.
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