Evolución de las pruebas aerodinámicas en F1 - Windtunnels
Como primera parte de la serie de artículos sobre la evolución de las pruebas aerodinámicas, echamos un vistazo más de cerca a los windtunnels.
El principio por el que funcionan los túneles de viento fue descrito por primera vez por Leonardo Da Vinci, según el cual un cuerpo que se mueve a través de un fluido estático produce las mismas fuerzas que un cuerpo estático en un fluido que fluye. Los túneles de viento han estado en uso en la Fórmula 1 desde la década de 1970, cuando la importancia de la aerodinámica se hizo evidente para los equipos. Durante los años 70 y 80, a principios de los 90, la mayoría del desarrollo aerodinámico en la Fórmula 1 se realizó en dos instituciones académicas en el Reino Unido, el Imperial College de Londres y la Universidad de Southampton; Peter Wright diseñó el efecto suelo Lotus 79 en Imperial, mientras que Adrian Newey, entre otros, favoreció a Southampton (Pininfarina y Fondmetal en Italia también consiguieron muchos negocios).
Cansado de compartir instalaciones y buscar una ventaja competitiva, durante la década de los 90 hubo una carrera armamentista con equipos que construyeron túneles de viento privados más grandes y especializados. Esto permitió a los equipos programar pruebas cualquier día del año con pruebas a mayor escala que produzcan resultados más precisos. Además de esto, el Imperial College y la Universidad de Southampton solo podían aceptar modelos de hasta el 40% de la escala; como veremos más adelante en este artículo, el tamaño del modelo en relación con el automóvil real es algo que debe tenerse cuidadosamente en cuenta, por lo que la construcción de túneles capaces de aceptar vehículos de tamaño completo (como lo hicieron Sauber y Honda ) ofrece beneficios adicionales para probar partes aerodinámicas (aunque los equipos ahora están restringidos por regulaciones a modelos a escala del 60%).
Fundamentos del túnel de viento
Todos los túneles de viento en la Fórmula 1 son de un tipo llamado "retorno cerrado", lo que significa que el aire gira alrededor de un circuito rectangular en un sistema cerrado. Hay varios acondicionadores de flujo alrededor del túnel de viento diseñados para ayudar al paso de aire alrededor de las esquinas del circuito, así como para enderezar el flujo y descomponer la turbulencia generada por los ventiladores. A medida que el aire se recircula alrededor del túnel de viento, es calentado por los motores de los ventiladores, por lo que grandes intercambiadores de calor (similares a los radiadores de un automóvil) se utilizan para enfriar el aire y mantener una temperatura constante, importante para la seguridad de la medición.
La parte más interesante de un túnel de viento es su sección de trabajo (o prueba). Esta es la parte del túnel donde se encuentra el modelo y se realizan mediciones. La sección transversal del túnel de viento se contrae conduciendo a la sección de trabajo para acelerar el aire y crear un flujo de aire más uniforme. El suelo del túnel de viento tiene una carretera rodante similar a una cinta rodante que coincide con la velocidad del aire y hace girar los neumáticos. También hay un fenómeno de flujo de aire llamado "capa límite" (o gradiente de velocidad del 99%) que se desarrolla en cualquier superficie a medida que el aire se mueve sobre ella. Es la región del aire cerca de la superficie la que está influenciada por la viscosidad. El aire casi se 'pega' a la superficie y se ralentiza por la fricción. La capa límite crece a medida que viaja a lo largo de la superficie y puede volverse relativamente gruesa, especialmente en regiones donde la presión superficial está aumentando rápidamente (gradiente de presión adversa). Si el plano de tierra estuviera estacionario, entonces las capas límite del suelo y de la carrocería del automóvil se fusionarían de una manera que no es representativa del automóvil de tamaño completo. Mover la tierra significa que no se forma la capa límite terrestre, lo que da como resultado una simulación más realista del flujo de la parte inferior de la carrocería. Tal es la magnitud de la baja presión generada por los underbodies de Fórmula 1 que el cinturón de carretera debe ser aspirado al suelo para evitar que se levante y bloquee la parte inferior del vehículo. En algunos túneles de viento, como lo que resulta en una simulación más realista del flujo de la parte inferior de la carrocería. Tal es la magnitud de la baja presión generada por los underbodies de Fórmula 1 que el cinturón de carretera debe ser aspirado al suelo para evitar que se levante y bloquee la parte inferior del vehículo. En algunos túneles de viento, como lo que resulta en una simulación más realista del flujo de la parte inferior de la carrocería. Tal es la magnitud de la baja presión generada por los underbodies de Fórmula 1 que el cinturón de carretera debe ser aspirado al suelo para evitar que se levante y bloquee la parte inferior del vehículo. En algunos túneles de viento, comoSauber , la carretera rodante se sienta en una plataforma giratoria que puede guiar la carretera para tomar curvas en las simulaciones.
Esquema de la sección de trabajo del túnel de viento Toyota Motorsport GmbH (TMG), de Nakagawa et al (2016).
Hay un fantástico video disponible en YouTube de Willem Toet explicando el túnel de viento Sauber F1, que recomendamos encarecidamente ver. A continuación encontrará el primer video de la serie:
El siguiente artículo espera dar un resumen un poco más generalizado de las metodologías del túnel de viento, así como una descripción general de cómo se han desarrollado las pruebas a lo largo del tiempo.
Uso del túnel de viento
Donde los equipos solían operar sus túneles de viento durante tres turnos todos los días del año, las pruebas aerodinámicas en la Fórmula 1 están actualmente restringidas por las Restricciones de Pruebas Aerodinámicas (ATR) de la FIA, que se describen en el Apéndice 8 de las regulaciones deportivas Fórmula 1 de la FIA. Los ATR tienen 7 páginas, por lo que lo siguiente es solo un resumen:
1. Ensayo de túnel de viento restringido (RWTT)
1.1 En el contexto de este apéndice, las palabras carrocería, suspensión de aire y conductos de aire del sistema de frenos tendrán la misma definición que las provistas por ... el Reglamento Técnico de F1 respectivamente.
1.3 No se puede llevar a cabo RWTT usando un modelo a escala que sea mayor al 60% del tamaño completo.
1.4 No se puede llevar a cabo RWTT a una velocidad del aire del túnel de viento superior a 50 m / s medida en relación con el modelo de escala mencionado en el Párrafo 1.3 ...
1.5 RWTT solo puede llevarse a cabo en túneles de viento nominados por el competidor al FIA. Cada competidor puede nominar solo un túnel de viento para su uso en cualquier período de doce meses y declararlo a la FIA por escrito ...
1.6 El fluido RWTT debe ser de aire a presión atmosférica.
1.7 Durante RWTT, se considera que una única carrera comienza cada vez que la velocidad del aire del túnel de viento sube por encima de 5 m / s y terminará la primera vez cuando la velocidad del túnel del viento caiga por debajo de 5 m / s.
1.8 Durante RWTT solo se puede usar un modelo por carrera y solo se permite un cambio de modelo por competidor por período de 24 horas ...
1.1 En el contexto de este apéndice, las palabras carrocería, suspensión de aire y conductos de aire del sistema de frenos tendrán la misma definición que las provistas por ... el Reglamento Técnico de F1 respectivamente.
1.3 No se puede llevar a cabo RWTT usando un modelo a escala que sea mayor al 60% del tamaño completo.
1.4 No se puede llevar a cabo RWTT a una velocidad del aire del túnel de viento superior a 50 m / s medida en relación con el modelo de escala mencionado en el Párrafo 1.3 ...
1.5 RWTT solo puede llevarse a cabo en túneles de viento nominados por el competidor al FIA. Cada competidor puede nominar solo un túnel de viento para su uso en cualquier período de doce meses y declararlo a la FIA por escrito ...
1.6 El fluido RWTT debe ser de aire a presión atmosférica.
1.7 Durante RWTT, se considera que una única carrera comienza cada vez que la velocidad del aire del túnel de viento sube por encima de 5 m / s y terminará la primera vez cuando la velocidad del túnel del viento caiga por debajo de 5 m / s.
1.8 Durante RWTT solo se puede usar un modelo por carrera y solo se permite un cambio de modelo por competidor por período de 24 horas ...
Las reglas también limitan el número de horas a la semana en que se puede ejecutar el túnel de viento, los equipos solo pueden ocupar el túnel de viento durante hasta 60 horas, durante ese tiempo solo pueden realizar hasta 68 pruebas individuales o un máximo de 25 horas de tiempo de "viento encendido" (el tiempo de viento se define como el tiempo en que la velocidad del viento excede los 15 m / s), el límite que se alcance primero. El tiempo pasado en el túnel de viento se resta del máximo CFD permitido (usando la fórmula siguiente), por lo que los equipos deben planificar y equilibrar sus programas de pruebas aerodinámicas de manera eficiente. La ocupación del túnel de viento es filmada por cámaras de la FIA por lo que hay poco que ganar tratando de hacer trampa!
Donde:
Y para RCFD (CFD restringido) Simulaciones Opción A:
Y para RCFD Simulations Option B:
A continuación, se incluye parte de un registro de actividades del túnel de viento del equipo Caterham F1. Fue uno de los tres equipos de Fórmula 1 que utilizaron el túnel de viento en TMG en 2014, junto con McLaren y Force India ( Williams y Ferrari también utilizaron las instalaciones de TMG en el pasado). En ese momento las reglas del túnel de viento eran un poco más laxas que hoy; y durante un período de 3 días (del 16 al 18 de septiembre de 2014) los aerodinamistas de Caterham ocuparon el túnel de viento durante un total de 62 horas, con 83 carreras individuales completadas durante 12.5 horas de viento a tiempo. Es posible que esto represente el total del tiempo de prueba asignado para esa semana con McLaren , Force India, o incluso el programa LMP1 de Toyota asumiendo el túnel de viento el viernes 19.
Registro de ocupación del túnel de viento Caterham desde 2014, desde @ KevTs / CaterhamF1.co.uk.Modelos de túnel de viento
Una gran parte de la diferencia en las pruebas de túnel de viento en los últimos 20-30 años son los métodos de fabricación utilizados para crear los modelos de túnel de viento. En la década de los 90, los autos fueron hechos a mano, predominantemente utilizando madera con algunos componentes de metal (aluminio). Durante la década de 2000, se utilizó una gran cantidad de fibra de carbono que requirió tiempos de entrega similares para el automóvil de tamaño completo (es decir, fabricación de moldes, tiempo de revelado y curado). Los modelos modernos de túnel de viento se imprimen principalmente en 3D directamente desde el modelo CAD utilizado para fabricar el automóvil de tamaño completo, aunque todavía con algunos componentes estructurales de aluminio, a saber, el ala posterior, el plano principal del ala delantera y los miembros de la suspensión.
Willem Toet con el modelo Benetton B193 en el túnel de viento de la Universidad de Southampton alrededor de 1993, de Toet "¿Qué hice en la Fórmula 1?", En comparación con el Caterham CT07 no mejorado en el túnel de viento TMG en 2014, de @ KevTs / CaterhamF1.co. Reino Unido.
Como se mencionó anteriormente, las escalas de modelos más grandes son deseables para una mayor precisión, esto se debe a algo llamado similitud dinámica, que se logra cuando las características de flujo de superficie de las pruebas de escala coinciden con el coche de tamaño completo. La similitud dinámica está relacionada con el número de Reynolds (Re), la relación de velocidad ( 
) y longitud ( 
) con la viscosidad ( 
),
simplemente, si la escala del modelo es 50%, entonces la velocidad del aire debe ser 2 veces mayor (suponiendo las mismas condiciones atmosféricas) para coincidir con el número de Reynolds y producir el mismo perfil aerodinámico. Con un 40% de modelos, como era el límite en los túneles de viento de Southampton e Imperial, la velocidad del viento tendría que ser 2,5 veces más rápida para la similitud dinámica. El problema es que la velocidad del viento más rápida requiere una mayor potencia para mover la masa de aire alrededor del circuito del túnel de viento, la potencia del ventilador ya es ~ 3MW, y para lograr una similitud dinámica con velocidades más altas la velocidad del viento comienza el aire se comporta de manera diferente al pasar a velocidades supersónicas). Como el RWTT limita a los equipos a modelos a escala del 60% a 50 m / s, los equipos solo pueden lograr una similitud dinámica con el automóvil de tamaño completo que viaja a 108 km / h (67,5mi / h).
There are disadvantages to larger scale testing in F1, mainly material cost. The RWTT scale limit of 60% was imposed to try and maintain a level playing field between the richest and poorest teams.
A pesar de las diferencias visuales obvias, hay similitudes, principalmente la columna vertebral de aluminio subyacente en la que se unen la carrocería y la instrumentación. La columna vertebral también se utiliza para conectar el modelo al techo del túnel de viento a través del puntal superior que, además de soportar el modelo, también cubre el cordón umbilical de los cables electrónicos y neumáticos entre los instrumentos de a bordo y la sala de control. El puntal tiene forma de perfil aerodinámico para reducir su impacto aerodinámico en la parte trasera del automóvil, pero crea una estela que afecta las superficies aguas abajo y es una de las principales desventajas de las pruebas de túnel de viento en comparación con el CFD. Otras similitudes y diferencias clave entre las eras se discuten a continuación:
Sistemas de movimiento modelo
El puntal de soporte elevado también se utiliza para establecer la altura de desplazamiento y el paso (inclinación) del automóvil. En los años 90, estos fueron los únicos grados de libertad disponibles para los aerodinámicos, mientras que ahora los autos tienen múltiples grados de libertad. Los modelos pueden inclinarse (altura de marcha adelante y atrás), rodar (altura de manejo izquierda y derecha) y guiñar para crear mapas aerodinámicos que incluyen los efectos de aceleración, frenado y viraje, además de determinar la carga aerodinámica de referencia, arrastre, y aero-balance. Los aerodinamistas también pueden dirigir las ruedas delanteras para una representación más precisa de la aerodinámica de las curvas. Los mapas aerodinámicos se introducen en simulaciones de conductor en bucle, en lugar de simulaciones de tiempo de vuelta iterativas de estado estacionario, para ayudar a guiar las elecciones de preparación antes de un fin de semana de carrera.
La naturaleza del ATR significa que los equipos también tienen que ser más listos para maximizar los datos recopilados de cada ejecución clasificada de la FIA. Con este fin, los equipos pasaron de las pruebas de condición fija, donde el modelo se movió a una actitud particular y los datos se registraron durante ~ 20 segundos antes de pasar a la siguiente actitud, a simulaciones de movimiento continuo en las que los datos se registran mientras el modelo -juego programado de actitudes y ángulos de dirección. Este movimiento del modelo se puede lograr moviendo físicamente el puntal de soporte del modelo usando un sistema hexapod superior o mediante un sistema de movimiento de modelo interno de 3 ejes, similar a las unidades comerciales que se muestran a continuación, con la altura del vehículo manejada por el puntal. Ambos sistemas tienen aspectos positivos y negativos y el uso de cada uno puede depender de la ubicación del transductor de fuerza / momento principal (balance) ya sea por encima, como en el esquema del túnel de viento TMG arriba, o dentro del automóvil en la base del puntal de soporte. Se prefiere que la guiñada modelo se consiga desde el interior del modelo para mantener el puntal de soporte alineado al túnel, minimizando la perturbación.
Ejemplo de un sistema comercial de movimiento de modelos de 3 ejes, de ATE-aerotech.co.uk.Llantas
Una diferencia obvia en las imágenes anteriores de las pruebas de túnel de viento en el pasado en comparación con ahora es el uso de neumáticos en lugar de ruedas de metal sólido con forma cónica (para camber). Una estipulación en el contrato para el proveedor oficial de neumáticos de la Fórmula 1 es que deben suministrar a los equipos neumáticos especiales para las pruebas de túnel de viento. Los neumáticos tienen una dimensión reducida para adaptarse a la escala del modelo, pero también están diseñados para deformarse de la misma manera que los neumáticos de tamaño completo.
Otra diferencia obvia es la forma en que las llantas y las ruedas están montadas en el túnel de viento, hoy están unidas al automóvil a través de brazos de suspensión completamente articulados en lugar de estar montados fuera del cuerpo usando barras horizontales. Los miembros de la suspensión deben moverse libremente para evitar que las fuerzas reactivas de las mediciones de la fuerza de corrimiento del neumático. De nuevo, cada método tiene ventajas y desventajas, pero se prefiere el enfoque en el cuerpo para mejorar la precisión aerodinámica, a expensas de la repetibilidad experimental absoluta.
Una cosa que no permite las ruedas sobre el cuerpo es la capacidad de cargar verticalmente el neumático para deformar con precisión el parche de contacto y el perfil de la pared lateral. La representación geométrica correcta de los neumáticos bajo carga y rotación es crítica para simular con precisión el chorro de parche de contacto del neumático (el chorro de aire expulsado a alta velocidad desde donde la banda de rodadura rotativa se encuentra con la carretera) y la forma general de la estela turbulenta del neumático , por lo que los equipos usan un empujador (debajo) ubicado dentro de la rueda para alterar la forma de la pared lateral, dependiendo de la carga vertical simulada.
Empujador de parche de contacto del neumático del túnel de viento, de Ogawa et al (2009).Referencias
Federación Internacional del Automóvil. Reglamento Deportivo de Fórmula Uno 2018 ; 2017 Dic [Consultado: 7/5/18];
Nakagawa M, Kallweit S, Michaux F, Hojo T. Campos de velocidad típicos y estructuras vorticales alrededor de un coche de fórmula uno, basados en investigaciones experimentales que utilizan velocimetría de imágenes de partículas. SAE Revista Internacional de Automóviles de Pasajeros-Sistemas Mecánicos. 2016 5 de abril; 9 (2016-01-1611): 754-71.
Ogawa A, Yano S, Mashio S, Takiguchi t, Nakamura S, Shingai M. Metodologías de desarrollo para la aerodinámica de la fórmula uno. Metodologías de desarrollo para Aerodinámica de Fórmula Uno. Revisión técnica de Honda R & D 2009, F1 Special (The Third Era Activities), páginas 142 {151, 2009.
Otras fuentes útiles
Newey A. Cómo construir un automóvil;
Barlow J, Rae W, Pope A. Prueba de túnel de viento de baja velocidad;
James Allen en la F1. Insight: la tecnología del túnel de viento F1 alcanza nuevos niveles sorprendentes ;
Mercedes AMG Petronas Motorsport. Modelo de túnel de viento F1 explicado ;
Racecar-Engineering. Manor MRT06 : http://www.racecar-engineering.com/cars/manor-mrt06/ ;
Texto de Vyssion y jjn9128 Barlow J, Rae W, Pope A. Prueba de túnel de viento de baja velocidad;
James Allen en la F1. Insight: la tecnología del túnel de viento F1 alcanza nuevos niveles sorprendentes ;
Mercedes AMG Petronas Motorsport. Modelo de túnel de viento F1 explicado ;
Racecar-Engineering. Manor MRT06 : http://www.racecar-engineering.com/cars/manor-mrt06/ ;
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