Evolución de las pruebas aerodinámicas en F1

Evolución de las pruebas aerodinámicas en F1 - Mediciones

Vyssion & jjn9128 en  08 de junio de 2018, a las 12:20

Este artículo sigue a la Parte 1 - Windtunnels , centrándose en el diseño y la operación del túnel de viento.

Instrumentación y medidas

Contrario a la creencia popular, los aerodinamicos pasan muy poco tiempo moviendo varillas de humo en el túnel de viento. Al igual que los autos de tamaño completo, representan, los modelos de túneles de viento requieren y contienen una variedad de sensores e instrumentación, aunque con el único propósito de medir datos aerodinámicos.

Medición de fuerzas

Las fuerzas y momentos aerodinámicos se miden usando balances de fuerza, que se construyen a partir de una disposición de flexiones diseñadas para el cumplimiento en las direcciones x, y y z. La compresión y extensión de estas flexiones se mide mediante medidores de tensión que miden el cambio en la resistencia eléctrica sobre un pedazo largo de cable delgado. Los balances de fuerza pueden situarse en el interior (aproximadamente el tamaño de una caja de pañuelos) o externos (aproximadamente uno o dos metros cúbicos) para el modelo, y cada equipo / instalación tiene un método preferido como se indicó anteriormente.

Además de medir las fuerzas aerodinámicas totales generadas por el automóvil, también se miden las cargas producidas por algunos componentes individuales del automóvil. Las aletas delantera y trasera están equipadas con células de carga (balances de eje único) para la medición de la carga aerodinámica, mientras que la elevación producida por las ruedas se mide utilizando células de carga de parches de contacto, similares a una balanza de cocina electrónica, montadas debajo de cada neumático debajo del rodamiento la carretera. Una ventaja de montar las ruedas fuera del cuerpo con barras horizontales como se muestra arriba en el túnel de viento de los 90, como fue el caso hasta mediados de la década de 2000, es la capacidad de medir la fuerza de arrastre producida por las ruedas expuestas; Sin embargo, montar las ruedas en el cuerpo hace que la rueda de medición sea más difícil.

Medición de presiones superficiales

Las presiones superficiales se miden usando pequeños orificios, de aproximadamente 0.5 mm de diámetro, en la superficie del automóvil llamados grifos de presión. Además de ser utilizado para detectar fenómenos aerodinámicos, como la separación de flujo, la medición de presiones permite determinar la fuerza sobre una superficie particular al integrar las presiones acumuladas en el área en cuestión,

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más grifos de presión superficial darán una imagen más precisa de la fuerza en una superficie. Esta es la misma forma en que los equipos pueden ver cuándo se pierde el rendimiento del difusor en el automóvil de tamaño completo; por ejemplo, en el automóvil de Stoffel Vandoorne en Abu Dhabi 2017 donde el equipo podía ver que un lado del difusor estaba atascado, lo que más tarde se descubrió que era causado por un trozo de cinta enrollado alrededor de uno de los difusores.

Marussia - Difusor trasero con túnel de viento a escala del 50%, ubicaciones del grifo de presión superficial (41 en total) marcadas con un círculo, desde @andylaurence.

Cada toma de presión de superficie está conectada por un tubo de plástico largo a un transductor de presión, que se muestra a continuación, que utiliza medidores de tensión para medir las deflexiones en diafragmas minúsculos causados ​​por la presión en el grifo de la superficie. Esta es otra diferencia entre las pruebas de túnel de viento en los años 90 en comparación con ahora; en el pasado, la tubería de presión debía pasar fuera del túnel a un manómetro (típicamente un tubo de vidrio con forma de U lleno de un líquido relativamente denso que cambia la altura en el tubo cuando cambia la presión en el grifo, el cambio en la altura del fluido para ser marcado y medido con precisión con una regla después de que concluyan las pruebas). Cada toma requería su propio manómetro, por lo que solo se podían medir algunas presiones de superficie a la vez. Dependiendo de la cantidad de manómetros disponibles y de que registrar más de unas pocas presiones en la superficie requeriría detener el túnel, cambiar el tubo del manómetro de un golpe de presión a otro y luego repetir el experimento. Los transductores de presión modernos pueden registrar cientos de tomas de presión simultáneamente, y son lo suficientemente pequeños para adaptarse a múltiples transductores dentro del modelo, cada uno de los cuales está controlado electrónicamente. Las mediciones pueden luego salir y superponerse automáticamente en el CAD para comparar CFD y los datos de seguimiento.

También se tomará una medida de presión dentro del enfriamiento lateral y otros intercambiadores de calor surtidos.

Ejemplo de un transductor de presión electrónico de 64 canales (longitud ~ 115 mm), de scanivalve.com.

Visualización de flujo de superficie

Visualizar el flujo superficial es una técnica importante para determinar la dirección del flujo, así como el estado de flujo (es decir, laminar o turbulento) y las regiones de alta vorticidad. Un método común de visualización de flujo serían mechones de lana (o cualquier cuerda ligera, delgada) de unos 15-20 mm de largo que se adhieren a la superficie. Los mechones de lana se sientan planos a la superficie en regiones de flujo laminar, con sus colas que indican la dirección local de flujo. Después de que la capa límite transiciones a una turbulenta, los mechones se aletean un poco, pero todavía indicará la dirección de flujo promedio. En flujo separado, los mechones pueden caer por su propio peso o incluso revertir, mientras que en las regiones de vorticidad los mechones se moverán en espiral. La ubicación de los penachos es importante para capturar todas estas condiciones de flujo ya que las características de flujo se perderán cuando no haya mechones.

La pintura Flow-viz es un método familiar para todos los fanáticos de F1. Está hecho de una mezcla de un tinte en polvo (a menudo resistente a los rayos UV) y aceite de parafina, para crear un líquido de baja viscosidad que fluye fácilmente sobre las superficies. Los equipos tendrán sus propias recetas y colores preferidos, Marussia / Manor favoreciendo el rosa (arriba), a veces utilizando varios colores para mostrar cómo se mezcla el flujo de aire a lo largo del automóvil. A diferencia de los mechones de lana, el flujo fluirá alrededor de todas las superficies (asumiendo una aplicación suficiente) y los aerodinamistas aprenderán a leer los distintos patrones creados y cómo indican las diversas características de flujo mencionadas anteriormente.

Midiendo el campo de flujo

La Velocimetría de Imágenes de Partículas (PIV) fue una técnica que se volvió más fácilmente disponible para los equipos en la década de 2000; antes de esa medición del campo de flujo era posible usar una sonda de presión en un sistema transversal, similar a las sondas en los aero-rastrillos para la prueba de seguimiento. Donde estas sondas de presión se inmiscuyan en el flujo de aire y por lo tanto alteren levemente el flujo alrededor del automóvil, el PIV es discreto y utiliza láseres estroboscópicos y cámaras sincronizadas para rastrear el progreso de una partícula inyectada en el flujo de aire. Las cámaras toman cientos de fotografías y software especializado y luego determina los valores numéricos para la dirección y la velocidad del flujo de aire (vectores). El uso de PIV también es más rápido cuando se recopilan grandes conjuntos de datos en todo el automóvil, que luego se pueden comparar con los datos de CFD y aerotaxis recogidos de la pista.

Esquema de PIV instalado en el túnel de viento de la F1, a la izquierda de Nakagawa et al (2016), desde Ogawa et al (2009).

Otros instrumentos a bordo

• Sensores de distancia láser delantero y trasero para una medición precisa de la altura de manejo.
• Sistemas neumáticos para recrear los flujos de escape.
• Sistemas de circuito cerrado para monitorear las condiciones del automóvil.

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.

Toet W. ¿Qué hice en la Fórmula 1 ? 2015 Oct [Consultado: 7/5/18]

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

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