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CFD (Computational Fluid Dynamics)

La aerodinámica en la F1 ha avanzado muchísimo en los últimos años. Especialmente, gracias a las simulaciones aerodinámicas con CFD y la combinación de éste con el túnel de viento.

Sin embargo, a pesar de que siempre está en boca de todos, hay muchos mitos y ciertas partes importantes que la mayoría de aficionados no conocen.

Es un mundo complejo, pero los conceptos fundamentales los entenderás perfectamente. Qué es, cómo funciona, las dificultades que tiene… Además, estará ilustrado con simulaciones reales de Timoteo Briet, experto aerodinamicista.

¿Qué es realmente el CFD?

El CFD es una herramienta informática utilizada para entender y predecir el comportamiento de un fluido en unas condiciones determinadas.

Este comportamiento se podría estudiar en cada punto del fluido con las ecuaciones de Navier-Stokes, pero son demasiado complejas y por eso se recurre a las simulaciones.

Hay varios “tipos” de CFD, pero el más utilizado es el de “Volúmenes Finitos“, basado en dividir el fluido en pequeños “bloques” y simular el comportamiento en los vértices de cada uno. Es decir, en vez de tratar las “infinitas” moléculas del fluido, se tratarán un número finito.

Este método es el que voy a explicar por ser el más común, pero está bien que sepas que hay otras maneras de simular el comportamiento de los fluidos.

El fluido puede ser cualquier líquido o gas. Los más habituales son aire (gas) en estudios de aerodinámica y agua (líquido) en estudios de hidrodinámica.

Sobre ese fluido, el comportamiento que se busca comprender se basa en el movimiento, velocidad, presión y transferencia de calor, aunque también hay otros parámetros que se pueden estudiar.

Es fundamental saber que siempre se estudia el movimiento de los fluidos, no el de un objeto físico. En el caso de un Fórmula 1, realmente es el coche el que se mueve atravesando el aire, pero lo importante para el estudio es la velocidad relativa entre aire y coche.

Es decir, no importa que el coche vaya a 100 km/h contra el aire estático, que el aire vaya a 100 km/h contra el coche quieto, o que el coche y el aire vayan a 50 km/h ambos uno contra el otro; en todos los casos, la velocidad relativa entre ambos es 100 km/h.

El comportamiento del fluido contra el sólido no variará en esos casos, siempre que el tipo de flujo y las condiciones del fluido sean las mismas, por supuesto.

¿Cómo se hace una simulación de CFD?

Muchos piensan que, partiendo del modelo virtual de un Fórmula 1 en el ordenador, es fácil analizar su aerodinámica gracias al CFD.

Sin embargo, es algo complejo. Se necesitan grandes conocimientos y experiencia para hacer correctamente la simulación. Y sobre todo, para poder interpretarla después.

Iré explicando los pasos a seguir para hacer estas simulaciones y podrás entender las complejidades y el potencial del CFD.

1. Modelado

El primer paso es modelar la pieza u objeto que se quiera estudiar. Si quieres estudiar cómo se comporta el aire alrededor de un F1, tienes que partir de un modelo en ordenador de ese F1. Lógico, ¿no?

, CFD (Computational Fluid Dynamics)

Pero ese modelo sobre el que hacer simulaciones ha de tener una particularidad, tiene que ser una superficie, no un volumen. Para entender esto, te pondré un ejemplo mucho más simple.

Si quieres hacer una simulación CFD sobre un dado, no utilizarías el dado como tal, sino solo las paredes exteriores, como si estuviese hueco:

, CFD (Computational Fluid Dynamics)

Una vez que se tiene la superficie cerrada, se genera un prisma rectangular a su alrededor y se le resta a éste la superficie creada. El resultado sería como un prisma con el hueco del coche.

Además, si el objeto a analizar es completamente simétrico, solo se utiliza una mitad para reducir el tiempo de computación:

, CFD (Computational Fluid Dynamics)

Solo se haría la simulación de la parte del coche que queda dentro del prisma turquesa, en este caso.

Además, como el coche va pegado al suelo, el prisma está al nivel del suelo. No tendría sentido tratar de hacer una simulación sobre cómo se comporta el aire por debajo del nivel del suelo.

La simulación se hará en el nuevo volumen creado, como si de un túnel de viento se tratase.

2. Mallado

Aquí llega uno de los momentos críticos en la simulación.

Como sabes, en la simulación CFD basada en Volúmenes Finitos, hay que dividir el modelo en pequeños volúmenes. Esto es lo que se conoce como “mallado”.

De cada pequeño “bloque”, se calculan las condiciones del fluido en sus vértices (“esquinas”) y, a partir de ahí, se interpola entre todos esos vértices para extraer las condiciones de todo el fluido.

, CFD (Computational Fluid Dynamics)

Cuanto más pequeñas sean las divisiones del fluido, más precisa será la simulación, pero también aumentará mucho el coste computacional.

Es lógico que tardará más en simularse las condiciones en 1000 bloques que en 500. Pero es que, además, cada volumen o bloque afecta a los de su alrededor. Es decir, hacer una simulación con 1000 bloques no tardará el doble que en hacerla con 500, sino muchísimo más.

Lo bueno es que se puede elegir qué tamaño tienen esos volúmenes en cada parte del modelo. Recordemos que la simulación se hace con un prisma con el “hueco” que tendría el objeto a estudiar.

Lógicamente, se busca mayor precisión en el fluido que entraría en contacto con el objeto que en las partes no afectadas por él. Además, se puede observar cómo en las aristas y zonas críticas el mallado es mucho más preciso.

, CFD (Computational Fluid Dynamics)

En el resto del prisma, donde el aire no se ve afectado por el coche, el mallado podría ser más simple aún.

Pero ojo, porque si el coche crea vórtices, estará influyendo en aire de alrededor aunque no entre en contacto directo con él.

Los ordenadores, por mucho presupuesto que tengas, siempre tendrán ciertas limitaciones, y este tipo de computación requieren mucho tiempo. Por eso es tan importante hacer un buen mallado, aunque es algo que solo se puede conseguir con experiencia.

3. Ajuste de parámetros

Ahora que el modelo ya está perfectamente construido y mallado, hay que especificar sus características y las del fluido.

Los parámetros del objeto a estudiar dependen fundamentalmente del material y de si se le someterá a algún tratamiento superficial, por ejemplo.

Lógicamente, los del fluido dependerán del estado en el que esté (gas o líquido) y del material (agua, aceite, aire, hidrógeno…).Pero no solo eso, sino también de las condiciones en las que esté.

Si bien es cierto que esas condiciones son las que se pretenden estudiar en cada punto, hay que especificar unas condiciones “de entrada”. Esto es, las condiciones en las que se encuentra el fluido antes de ser afectado por el objeto.

En el caso concreto del F1, el fluido siempre es aire, pero sus condiciones son muy distintas. Dependiendo del clima, el circuito o el momento específico que se quiera estudiar, variarán la humedad relativa, la presión, la temperatura, la velocidad, el régimen (turbulento o laminar)…

Si estos parámetros no están bien configurados, el resultado de la simulación será inútil.

4. Ejecución de la simulación

Una vez configurados perfectamente el sólido y el fluido, se puede ejecutar la simulación. No tiene más ciencia. Simplemente pulsar el “play” y esperar lo que haga falta.

Eso sí, si el ordenador no tiene unas especificaciones mínimas, ni siquiera empezará a ejecutarse la simulación.

5. Análisis de los resultados

Al terminar toda la computación, hay varios aspectos a analizar. Vamos paso a paso.

En primer lugar, podemos observar el flujo de aire al atravesar zonas concretas del coche. Especialmente útil cuando se quiere desviar el flujo o estudiar los vórtices:

, CFD (Computational Fluid Dynamics)

En esa simulación de Timoteo se ven perfectamente los vórtices que se crean en la zona baja del coche.

Además, las líneas de flujo van coloreadas en función de la presión en cada punto (el rojo es mayor presión y el azul, la menor).

Otro resultado muy utilizado es el de la distribución de presiones, para ver si hay grandes depresiones en la zona posterior o el exceso de presión en la parte frontal, entre otras:

, CFD (Computational Fluid Dynamics)

Con la distribución de presiones se pueden sacar algunas conclusiones para sobre el drag y la downforce del coche, pero para eso hay otros análisis más precisos. De la misma manera que también los hay para desprendimiento de la capa límite, flujos de velocidad, interacciones entre elementos…

En cualquier caso, cada simulación CFD buscará unos resultados concretos, para los que se hará el análisis pertinente. Normalmente se empezará por uno general para todo el coche. Y a medida que se vayan incorporando mejoras, se irán haciendo simulaciones y análisis de partes más específicas.

Software de “CFD Simulation”

Este apartado y el siguiente son sobre todo para quien quiera convertirse en aerodinamicista o simplemente hacer sus propias simulaciones CFD.

Hay varias opciones para hacer estas simulaciones CFD. Éstas son las más importantes:

  • Star CCM+
  • Ansys Fluent
  • OpenFOAM

Las dos primeras son las más famosas. Muy potentes y perfectamente utilizables para simulaciones CFD sobre vehículos. Eso sí, su precio es bastante alto, aunque suelen ofrecer versiones más baratas o gratuitas para estudiantes.

OpenFOAM, por otra parte, es menos intuitiva y nunca va a tener un servicio profesional como el de las otras dos. Es el “precio a pagar” por una herramienta así de código abierto. Es decir, que es completamente gratis.

Por otra parte, hay que tener en cuenta que estas herramientas son solo para la simulación CFD. Para modelar la pieza, necesitarás otros programas como Ansys o Catia, que son los más utilizados. Bastante caros también, pero con versiones estudiante y de prueba.

Aprender más sobre CFD

Cada software te va a ofrecer manuales y tutoriales gratuitos, normalmente. Por el simple hecho de que, si aprendes a usar su programa, te comprarás el suyo y no el de la competencia.

El problema que tienen estos manuales es que se pueden centrar más en presumir de sus funcionalidades que en enseñarte a ser un aerodinamicista de verdad.

Para ello, puedes recurrir a cursos o libros externos.

Como curso externo, te puedo recomendar los de Timoteo, que además ofrece versión online y presencial:

Yo personalmente he asistido a charlas suyas y a un curso presencial de una semana y lo recomiendo de verdad. Es una gran persona y se nota la pasión que tiene sobre su trabajo.

Por último como libro para introducción tienes “Dinámica de fluidos computacional para ingenieros” de J. Xamán, que trata conceptos muy amplios sobre el CFD y es muy barato (sobre todo en versión Kindle):