AERODINAMICA: GENERADORES DE VORTICES

[payoloco]

Este hilo nace del debate mantenido alrededor de este tema entre un grupo de foreros, durante el GP de Hungría de 2014.
Para que no se pierda en la inmensidad del foro y tanto propios como extraños podamos aprender un poco más de este curioso tema, pongo a continuación los distintos post (editados y ordenados) para uso y disfrute del personal. Igualmente, toda información extra y de interés que fuera útil, podeís postearla y la añadiré al post principal.

GENERADORES DE VÓRTICES: ¿qué son y para qué se utilizan?

Durante las distintas evoluciones de los equipos durante 2014, se empezaron a ver unos generadores de vórtices en la parte baja de los difusores. Entonces se hicieron unas preguntas y a partir de aquí nació una serie de explicaciones de distinta índole con más o menos nivel técnico, qué fueron arrojando respuesta a distintas preguntas que surgieron:

Las preguntas a raíz de la que empezó el debate y análisis fueron las siguientes:
¿Qué diferencia hay entre los generadores de vórtices del Ferrari que están formados solo por una pequeña aleta, y los de Red Bull, que son dobles?
Y más aún, ¿qué función tienen los generadores de vórtices?


¿Qué son los generadores de vórtices?

Los generadores de vórtices son unas placas o terminaciones que llevan los F1 que provocan que el aire que está pasando por esa zona salga a partir de ahí en forma de espiral (en plan tornado).
De hecho vórtice significa torbellino, remolino.

Una definición de vórtice podría ser 'flujo turbulento en rotación espiral con trayectorias de corriente cerradas'.
Los vórtices se 'generan' en múltiples puntos, esta imagen CFD de un F1 nos muestra distintos puntos donde se generan vórtices...




FORMACIÓN DE VÓRTICES:

Los vórtices se forman como consecuencia de la interacción de ciertas superficies de un fórmula 1 con el aire a altas velocidades:

"Como resultado, el aire a alta presión que pasa alrededor de las extremidades exteriores del perfil aerodinámico por debajo del plano tiende a ser aspirado en la región de baja presión por encima. La velocidad a la que se produce este proceso provoca una rotación de la masa de aire que se extiende desde el borde de salida del perfil aerodinámico, formando un vórtice alargado. Debido a que existe una fuerza impulsora constante de flujo de aire en sentido contrario, los vórtices continúan formándose a medida que aumenta la velocidad. Cuando la velocidad disminuye, los vórtices se van reduciendo hasta que no se forman en absoluto cuando la velocidad es demasiado baja."



Los vórtices se forman quieras o no. Unos tratas de minimizarlos, y otros de usarlos en tu beneficio. Pero son inevitables. Su estudio ha hecho que las escuderías traten de sacarles el mayor beneficio posible.


¿Cuál es su función?

La función de un vórtice es afectar a la dinámica del aire, consiguiendo diversos efectos como redirigir el aire hacia ciertas zonas, conseguir eliminar o controlar turbulencias, alimentar con más aire una zona concreta del monoplaza, evitar al rotura de la capa límite del aire, sellar aerodinámicamente zonas del coche, generar downforce, reducir el drag de algunas partes de choque como los pontones, etc.

Pensemos cuando vamos en coche y sacamos la mano por la ventanilla. Si la ponemos plana (paralela al suelo) vamos cortando el aire y 'surfeando por el fluido que es el aire', pero si la ponemos en perpendicular al suelo, contraria a la marcha, notamos la enorme fuerza que tiene el aire y lo que "frena" tu mano. Y si uno quiere correr, que algo te frene no es lo suyo.
Es la denominada resistencia del aire o drag, que depende de la incidencia de la superficie y la velocidad.

El drag aumenta en razón al cuadrado de la velocidad y es el causante de que los F1 alcancen una velocidad punta determinada en base a su configuración aerodinámica, aunque las rectas fueran más y más largas. Este el equilibrio que buscan en la configuración de un monoplaza para una carrera.

Toda superficie de un coche genera una resistencia al aire en mayor o menor medida. Los F1 tienen multitud de superficies que generan drag.
Sólo hay que pensar en la imagen frontal de un fórmula 1.... ruedas, morro, casco del piloto, toma de aire, pontones, alerones...

El aire al chocar contra estas superficies (según sea su grado de incidencia), debido a las diferencias de velocidad que se generan por el roce empieza a formar distintas 'láminas' de aire, cada una a distinta velocidad, menor cuanto más cerca de la superficie. Según la forma de la superficie y su resistencia al aire, pueden existir capas de aire que se encuentren detenidas o retrocedan, estorbando al aire que circula correctamente, frenándolo y modificando su dirección, creando al fin y al cabo turbulencias.

Es en estos casos donde un generador de vórtices puede modificar el comportamiento del aire, consiguiendo que el aire no tome direcciones contraproducentes para el aire que llega.

* En las siguientes imágenes podemos ver cómo se coporta el aire que pasa por un generador de vórtices:



En los dibujos de arriba ponen las lineas como enroscadas, y en la de abajo a la derecha indica que la "boundary layer" (la capa límite) permanece pegada sin entrar en turbulencias como si sucede sin los microvortex generators.
Se observa como en la fila superior la 3ª secuencia es muy turbulenta, mientas que la 3ª secuencia de la fila inferior (con los elementos metálicos) el flujo de aire tiene mayor direccionalidad y por tanto es más efectivo.

* Lo que se consigue con esto es que tu difusor pueda tener más pendiente que el de tus rivales sin generar turbulencias por lo que éste trabaja de una forma mucho más efectiva. Pero nada tiene que ver con los vórtices visto en los gifs de red full y Ferrari en Austin. ;)

Mirad que pasa con el flujo que pasa a través de un plano...conforme la pendiente de este va aumentando...



En esta imagen parece un aleron pero se puede aplicar a un difusor, veis como a medida que se aumenta la inclinación del plano empiezan a originarse 'turbulencias'...


¿Dónde se sitúan los generadores de vórtices en un F1?

* En un F1 normalmente se ponen vórtices en la parte alta de los pontones, partes bajas del coche que reciben el aire, alerón delantero, laterales del alerón trasero, y los estamos viendo ahora en la salida central de los difusores.
Cada uno tendrá una finalidad distinta, por ejemplo los del alerón delantero pueden tener como finalidad reconducir el aire para que choque en la menor cantidad posible contra las ruedas delanteras.
El de los pontones normalmente es reconducirlo hacia la parte trasera del coche, la que acaba cayendo a la salida trasera.


* Los más 'comunes' visualmente hablando son los que se generan en el RW.

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* También podemos verlos sobre los pontones, y en el fondo plano. No se hasta qué punto podría considerarse generadores de vórtices propiamente dichos, pero en cualquier caso una de sus funciones es limitar la formación de turbulencias y redirigir el aire.

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Se cree que el primer equipo en montar un VG en los pontones fue Lotus en 2012, si bien el primero que añadió una pareja de VG fue McLaren en el GP de España.


* Los elementos que aparecen en la parte baja de los difusores son unas estructuras con la mínima sección posible para que los flujos de aire que pasan por esa zona tengan una buena direccionalidad y no se creen turbulencias.

Se denominan generadores de microvórtices (o microvortex generators en inglés).

En las siguientes 2 imágenes puede observarse el difusor de Ferrari (izqda) y el de RedBull (dcha) con dichos genadores de microvórtices:

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Se usan desde hace tiempo en aviación e incluso en coches de calle para retrasar la separación de la capa límite.



¿Cuáles son los generadores de vórtices más importantes?

* Se producen diferentes tipos de vórtices en un F1, unos que se quieren evitar a toda costa y otros que se provocan y usan para separar flujos de aire sellando zonas aerodinámicas, para generar downforce o para mantener pegada la capa límite sin turbulencias.


* Ejemplo de vórtices a evitar son los que se forman en los extremos de los alerones delantero y trasero. Para minimizar su efecto de drag, están los endplates y sus ranuras, que tratan de reconducir el aire de la manera más eficiente posible.


* Ejemplo de vórtices para mantener pegado el flujo sin turbulencias son los microvórtices generados en la parte baja del difusor, y los que se ponían en 2013 sobre los pontones cuando estos tenían una inclinación extrema para llevar el aire por efecto coanda hacia los escapes y redirigir los gases hacia abajo y sellar el difusor.


* Ejemplo de vórtice para generar downforce son los que se generan por debajo del monoplaza, bajo el fondo plano. Esos generan carga porque la presión en el interior del vórtice baja de forma extrema y poniéndolo ahí aumenta el efecto suelo. Es el efecto inverso al mecanismo de generar fuerza ascensorial en un caza con ala en delta. En la gráfica se ve además la bajada de presión en la zona central (2 veces el radio) del vórtice:

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* Una serie de vórtices especiales son los que forman las turning vanes:

Las turning vanes son unos deflectores verticales generalmente curvos, montados en cada lado del chasis entre las ruedas delanteras y las tomas de aire de los pontones.
Las turning vanes tienen múltiples funciones, pero se utilizan principalmente para ayudar a controlar la estela turbulenta de las ruedas delanteras, y para depurar el aire del alerón delantero y debajo del chasis, redirigiendo el flujo de aire hacia los pontones, el piso, el difusor o lejos del coche.


Aquí podemos ver las que usaba el BMW de 2007, pilotado en aquel entonces por Nick Heidfeld y Robert Kubica.

En los diseños recientes, las turning vanes fueron reemplazadas por generadores de vórtices que re-dirigen los vórtices bajo el coche con el objetivo de alimentar el difusor trasero con flujos de alta energía, y aumentar la eficacia del difusor.
El borde posterior inferior de las turning vanes crea un vórtice que se desplaza hacia abajo del borde inferior exterior del pontón lateral, actuando como una falda y ayudando a sellar el área de presión inferior por debajo del coche, consiguiendo un 'efecto suelo'.
Asímismo, se utilizan para reducir la velocidad del aire que entra en los pontones laterales - y por lo tanto la velocidad y la cantidad de aire que llega a los radiadores - reduciendo el drag de los pontones laterales.

Aquí podemos ver las turning vanes utilizadas por RB este año, o las usadas por Ferrari el año pasado:
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* Ejemplo perfecto de vórtice para separar flujos y además de los más efectivos es el vórtice Y250, recordar este nombre.

En el FW se generan dos vórtices PRINCIPALES Y250, uno en cada lado del nose. Este vórtice tiene la 'capacidad' de succionar aire del fondo plano con la consiguiente mejora aerodinámica del conjunto (podríamos aproximarlo a un efecto suelo) y sella perfectamente el difusor.

Los ingenieros tienen como objetivo principal generar el mejor Y250 para su monoplaza, para ello diseñan las cascadas del FW, los turning vanes de debajo del nose (de ahí que tengan esa forma redondeada hacia el exterior), los aditamentos en los barge boards y las pestañas en los conductos de freno traseros... para que el Y250 'viaje' a través del monoplaza de la manera más fuerte y limpia posible....y cumpla su función aero.

Esquema de formación de un vórtice Y250....veis que hay una linea ideal de curva de vórtice.



En las siguientes imágenes vemos la zona que genera/provoca el vórticeY250 del FW, y qué elementos del alerón del Ferrari interactúan para formarlo:

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Asímismo podemos ver una imagen CFD del vórtex Y250 del F14T:


Vemos el punto del que nace el vórtice y se desplaza por todo el lateral del monoplaza hasta el difusor, como se observa en la línea azul.



En la imagen se ve como la linea del vórtice se extiende desde el FW hasta el difusor. Cuanto más perfecto sea el vórtice Y250 creado, más aceleración tendrá todo el aire que circula por debajo del monoplaza y mejor sellado estará tu difusor.


En este video del RF en brasil (Webber) se aprecia como en la recta de meta aparece el vórtice Y250 perfectamente definido.




Y en el siguiente gif de imágenes captadas en Austin 2013, podemos ver los vórtices Y250 del RB en interacción con el aire redirigido de las turning vanes. En él se puede ver como el RB evacua el aire de forma ordenada y dirigida, alejándolo de los pontones, mientras que el Ferrari no es capaz de controlarlo.






Espero que os haya gustado la recopilación de información y la manera de contarlo, ójala sirva para aprender algo acerca de este complejo mundo de la F1 y la aerodinámica!

Saludos!!
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AGRADECIMIENTOS: iL Fenomeno, ethernet, motita1974

[motita1974]

Genial PAYO por el trabajo siempre genial.

[trompo]

Gracias Payo, buen trabajo!

[payoloco]

Actualizado con imagen CFD del vórtex Y250 del F14T.

[amanoth]

Gracias payo no descansas ni en agosto!!!

[grutxenka]

¡Gracias payo!
¡Diez días fuera y ya tengo "deberes"!

[txarlitxan]

Pedazo post...muchas gracias Payo

[motita1974]

Destacar esta magnífica imagen, en a que podemos ver la estructura del suelo en su parte inferior del W05 y cómo los deflectores están encaminados a sacar todo el flujo de aire del mejor modo posible para generar el ansiado efecto suelo y la carga aerodinámica, que tiene este coche por los cuatro costados

Payo lo he puesto aquí porque está en relación, me llama poderosamente la atención el fondo plano.

[payoloco]

Guay motita, luego actualizo la info.

Gracias!

[motita1974]

Guay motita, luego actualizo la info.

Gracias!

Gracias a ti