Las Notas de Jero, Un lujo a nuestro alcance... Opciones

[tenista]

[Jero]

Es una representación del flujo dentro de un conducto cerrado, y las flechas rojas son el campo de velocidades. Arriba, el laminar, observa mayor diferencia de velocidades que abajo, el turbulento. Esto es así por lo que he explicado de la fricción.

[tenista]

Gracias Jero

[Jero]

Buenos días y buen jueves.

Continúo con el tema del flujo turbulento, más concretamente con los vórtices. Para que te sitúes mejor, una imagen.



Si recuerdas del anterior post, en aerodinámica, se denomina vórtice a un flujo turbulento en rotación en espiral, con líneas de corriente cerradas (como en un tubo). Este movimiento es circular, o helicoidal (alrededor de una hélice) en el caso de haber desplazamiento en la dirección del movimiento del sólido. Ese desplazamiento del vórtice será de sentido contrario al del sólido, y el giro del mismo vendrá impuesto por las líneas de corriente.

Como con un ejemplo gráfico se ven mejor las cosas, primero un vórtice circular que te sonará muchísimo.



Un huracán es un ejemplo perfecto de vórtice circular, dónde el desplazamiento del mismo se realiza por el propio giro del aire (desplazamiento lateral).

Segundo, un vórtice helicoidal (con líneas de corriente circulares) debido a que el desplazamiento se realiza a lo largo del eje central del "tubo" que forma el aire; por lo que el vórtice se desplaza longitudinalmente en forma de hélice.



Las flechas rojas indican los vórtices de este tipo. Verás que se desplazan longitudinalmente (no lateralmente) y que forman como un tubo, debido al movimiento circular que forma una hélice en su desplazamiento.

En competición automovilística interesan estos últimos. ¿Surgen de manera espontánea o son provocados? En la naturaleza, surgen de manera espontánea. En competición, siempre que se usen superficies alares para generar carga aerodinámica, también surgen de manera espontánea. Esto es debido a la resistencia inducida, que recordarás de un post anterior. Si no recuerdas, te digo que es la resistencia producida por un perfil alar al generar carga aerodinámica (lift o downforce). Esta es totalmente inevitable, y se produce debido a que las corrientes de aire que viajan por el intradós y el extradós, se encuentran en la punta (terminal) del ala (o alerón).



En aviación, y en competición también, interesa reducir esa resistencia inducida porque se pierde eficiencia a la hora de generar carga aerodinámica.



En aviación se usan los "winglets", que no son más que unos perfiles planos colocados en la punta del ala, estos en posición vertical. Lo que hacen es evitar, en la medida de lo posible, que los flujos del intradós y el extradós interfieran entre sí en el terminal del ala. Es imposible reducir a 0 esa interacción, pero se consigue reducir bastante con diseños adecuados.



En competición automovilística, se usan los conocidos como "endplates", que evitan también que interfieran de manera directa los flujos del intradós y el extradós. Además de aumentar la eficiencia, también ayudan a redirigir flujos aerodinámicos para reducir resistencia parásita de otras zonas de un monoplaza, como por ejemplo las ruedas.

Pero los vórtices no son siempre "mala señal", o indeseables. Hay casos en los que son muy interesantes, para reducir resistencia parásita, o conseguir mantener el flujo más energizado y, por ende, llevarlo a dónde interesa.
Un buen ejemplo de esto es el famoso vórtice Y-250, llamado así porque se genera a 250 mm. de separación de la línea de eje central del ala delantera. Este vórtice, que empezó a usarlo y generarlo el equipo RedBull allá por 2009, es un ejemplo del uso de un flujo turbulento para una ganancia aerodinámica.

https://youtu.be/ZlDnd3B1rhs

Como ves, su desplazamiento es en espiral (helicoidal). A mayor velocidad de desplazamiento, más potente será el vórtice. Su uso es, habitualmente, para ayudar a sellar el lateral del fondo plano, y evitar que se cuele flujo aerodinámico por debajo del mismo (provocando una elevación de la presión inferior y pérdida de carga aerodinámica).

Pero, ¿cómo se consigue esto? Usando un elemento llamado "generador de vórtices", o la punta de un flap de un ala para el mismo menester (caso del Y-250).



Un generador de vórtices es un elemento aerodinámico que suele ser una pequeña aleta, cuya superficie es insignificante comparado con el fuselaje o carrocería. La función de este elemento es generar entre sus dos caras una diferencia de presión tal que se forme un vórtice, al igual que en un ala, pero esta vez más pequeño. Esto ayuda a mantener la "capa límite" adherida a la superficie más tiempo, siendo más fácil enviar ese flujo a dónde se necesita.



Las flechas amarillas señalan esos generadores de vórtices. Viendo esa fotografía, ¿hacía dónde crees que se desplazará el vórtice? ¿Hacía afuera o hacía adentro del contorno del vehículo? ¿La rotación será en sentido de las agujas del reloj o al contrario? Un pista, en fluidomecánica (y termodinámica), el flujo siempre se moverá desde la zona con mayor energía a la que menor energía tiene. En el caso de la foto, la mayor presión se genera en la cara que da al exterior del vehículo, la menor en la cara que da al vehículo. Por lo tanto, el giro se producirá en sentido de las agujas del reloj, pero el desplazamiento del vórtice será hacía en interior del vehículo. Tal que así:



Es una imagen un poco "chusca", pero creo que se entenderá bien. Recuerda que los flujos aerodinámicos siempre se desplazan desde la zona con mayor energía a la que menor energía tiene, debido a que todo sistema tiende a un equilibrio de energía.

Espero que te haya gustado, y hasta el siguiente post.

[tenista]

Tremendo Jero!!

Una duda, en la última foto ¿ese vórtice es para generar refrigeración en la tapa motor?... Lo mismo es un chorrada, pero...

[Jero]

Tremendo Jero!!

Una duda, en la última foto ¿ese vórtice es para generar refrigeración en la tapa motor?... Lo mismo es un chorrada, pero...

Esos concretamente sirven para, mediante el efecto Coanda, llevar más aire a la parte superior del difusor. Para refrigerar efcazmente el motor se generan más adelantados en el monoplaza, zona de los espejos y delantera del cockpit.

Me alegra que te haya gustado

[Jero]

Buenos días y buen domingo. Feliz día de Andalucía a mis paisanos, y para celebrarlo me paso por aquí a explicar un efecto aerodinámico muy nombrado, pero a veces no muy bien comprendido.

Hoy voy a hablar del efecto suelo, de sobra conocido por lo nombrado que es en las retransmisiones de competición automovilística. Aunque a veces compruebo que no muy bien comprendido, o explicado. Bien, voy a tratar de explicarlo para todos los públicos, como siempre intento.

El efecto suelo (ground effect en inglés) es un fenómeno aerodinámico que sucede cuando un cuerpo sólido se desplaza muy cerca de una superficie, a velocidad suficientemente alta para que haya una diferencia significativa de presiones entre sus partes superior e inferior, lo cuál altera los flujos aerodinámicos "aguas abajo" (esto es en su parte inferior) y cambia el comportamiento del aire al paso del sólido de una manera distinta a la habitual.



Esta imagen representa muy bien lo que el principio de Bernoulli viene a decir, "un fluido cualquiera, en circulación por un conducto cerrado, no observará variación de su energía total en todo el recorrido de ese conducto, sea cual fuere su forma, sección o secciones, y longitud". Así que si la energía tiene que ser constante, si la sección de paso disminuye el fluido debe acelerar (es decir, disminuir su presión), al igual que si la sección de paso aumenta el fluido se frenará.

En aviación es un efecto muy conocido, ya que se experimenta un aumento de la sustentación generada por las alas si el avión se desplaza a velocidad suficientemente alta y muy cerca de la pista.



Como ves en la imagen, el avión ve "comprimidos" sus vórtices y esto significa que se genera una especie de "colchón de aire" que hace que se genere mayor sustentación aunque no cambie el ángulo de ataque de esas alas.
Esto se usó por parte de la URSS en los años 60 del siglo XX, concretamente en lo que la CIA denominó "el Monstruo del Mar Caspio".



Este aparato que ves aquí, diseñado por el ingeniero soviético Rotislav Alexeiev, es lo que se denomina un Ekranoplano. Este aparato vuela usando el efecto suelo para ello, y se desplaza cerca de la superficie a velocidades elevadas (superior a 500 km/h). Eso sí, sus alas están diseñadas para funcionar bajo efecto suelo, si se eleva por encima de 2-3 metros pierde la sustentación y entra en pérdida.

Bien, en la competición automovilística también se ha usado el efecto suelo en diversas categorías. De hecho, al usar alas invertidas, el efecto suelo aumenta la eficacia de la generación de carga aerodinámica. Esto debido a la disminución de la presión inferior del vehículo, así que es fácil deducir que si se sigue generando la misma carga aerodinámica pero la presión inferior disminuye, la adherencia del neumático aumenta.



El ejemplo más famoso del uso del efecto suelo en competición automovilística, es el de los Lotus 78 y 79 del genial sir Colin Chapman. En Lotus idearon un sistema muy ingenioso y sencillo, usando los pontones a modo de ala invertida y así generar un venturi en la zona frontal de los mismos. Este venturi provocaría una disminución alta de la presión inferior y un aumento de la adherencia del neumático.



En la imagen observas el pontón visto por detrás. El área de entrada de aire es muy inferior al área de salida del mismo, por lo que se genera succión en ese área de entrada. Esto hace que la carga aerodinámica generada sea más eficaz y, por tanto, aumenta la adherencia del neumático. El Lotus contaba con la ventaja del uso del motor DFV Cosworth, esto permitía dejar un buen hueco para que el aire circulara por el pontón. Las faldillas laterales sellaban la zona exterior lateral, para evitar que entrara aire desde fuera y aumentara la presión.

En 2022, la F1 va a volver a permitir el uso de este efecto, prohibido desde el año 1983.



En este diseño presentado por la propia FIA, ves que la entrada de aire a la parte inferior del fondo del monoplaza (que ya no sería plano) se realiza por una abertura con un área relativamente grande. Esta tiene divisores verticales que crean unos "conductos" para dirigir el aire, estrechándose en altura mientras llegan a la zona intermedia del monoplaza.



La zona más estrecha es donde se produce el venturi necesario para que el efecto suelo aparezca. Aquí, y mediante el uso de los canales, se debe evitar la entrada de aire exterior que arruinaría el efecto suelo. El estrechamiento habrá que diseñarlo de tal forma que no se desplace el centro de presiones más de lo deseado, creando un buen balance aerodinámico o arruinando ese mismo balance. Será zona de diseño primordial para los aerodinamicistas.



La sección de salida será de mayor área que la actual, potenciando el trabajo del difusor. A su vez, el ala trasera no tendrá los elementos actuales, para así evitar las distorsiones de flujo actuales y tratar de mejorar los adelantamientos.

En fin, espero que te haya gustado. Hasta el próximo post.

[tenista]

Espectacular, como siempre, Jero.

Muy muy esclarecedor el tema del efecto suelo.

Y muy curiosos los monoplazas de las últimas fotos, yo no los había visto. ¿Cambiara tanto el fondo plano como se ve en la imagen?.

[Jero]

Espectacular, como siempre, Jero.

Muy muy esclarecedor el tema del efecto suelo.

Y muy curiosos los monoplazas de las últimas fotos, yo no los había visto. ¿Cambiara tanto el fondo plano como se ve en la imagen?.

De hecho, para empezar dejará de ser plano. Si, cambiarán mucho su fisonomía los monoplazas de F1 y el fondo será de lo que más cambie, además de todas las superficies aerodinámicas. Ten en cuenta que el uso del efecto suelo hará que la aerodinámica de los monoplazas cambie radicalmente.

Me alegra que te haya gustado el tema.

[jonrodriguez]

Que maravilla leer estos temas por aquí, ¡¡¡¡muy interesante!!!!

[Jero]

Que maravilla leer estos temas por aquí, ¡¡¡¡muy interesante!!!!

Muchas gracias

[revolutionman]

qué interesantísimo!!!

[Jero]

qué interesantísimo!!!

Muchas gracias

[Jero]

Buenas tardes y espero que lleves un buen martes.

Tan solo pasaba por aquí para decir que no me he olvidado de seguir poniendo contenido. A ver si este fin de semana, que ya han sido los test de F1, pongo algunas curiosidades y explico un poco sobre los monoplazas de este año.

Hasta dentro de muy poco, y gracias por visitar estos post.

[tenista]

Buenas tardes y espero que lleves un buen martes.

Tan solo pasaba por aquí para decir que no me he olvidado de seguir poniendo contenido. A ver si este fin de semana, que ya han sido los test de F1, pongo algunas curiosidades y explico un poco sobre los monoplazas de este año.

Hasta dentro de muy poco, y gracias por visitar estos post.

Te lo agradecemos y por supuesto que no nos olvidamos

Entre los hilos de los equipos, las retransmisiones, etc... esperamos gustosos.

[Jero]

Buenos días y buen viernes santo.

Siento haber tardado algo más en escribir de lo que me hubiera gustado. En fin, para compensar espero que el tema que traigo hoy sea de tu agrado.

Aunque la temporada de F1 ya está iniciada, quería hablarte de unos dispositivos que en test suelen verse bastante. Me estoy refiriendo a dispositivos aerodinámicos muy "vistosos", a muchos aficionados llaman la atención, denominados "kiel arrays" o parrillas kiel. Pero antes, mejor comenzar por lo más básico.

Para empezar, hablaré aquí del tubo de Pitot, o simplemente pitot. Invento presentado en el año 1732 por el ingeniero francés Henri Pitot, y que luego ha ido evolucionando mediante implementaciones realizadas en años posteriores... y siglos.
Bien pero, ¿qué es un tubo de Pitot, o pitot? Es un dispositivo usado en mecánica de fluidos, cuya finalidad es medir la velocidad del fluido (líquido o gas) para obtener la presión total del mismo. Aquí te pongo un esquema del dispositivo:



Para no liarte mucho con matemáticas, decirte que en el punto 0 del esquema el fluido tiene una presión y velocidad desconocidas. Pero sabemos que en 1 (embocadura del tubo) se forma la conocida como presión total o presión de estancamiento, consecuencia de que la velocidad en ese punto es 0. Mediante la ecuación de Bernoulli, se puede calcular esa presión, haciendo las simplificaciones pertinenentes:



Para las zonas 1-2, se calcula mediante esta simplificación:



Por lo que se determina que la presión total depende directamente de la altura que alcance el fluido en el punto 2. Todo esto sirve para calcular la presión en ese punto concreto, dónde esté situada la pitot. En los F1 suelen ir situadas en la zona donde el cockpit se une al morro del monoplaza (bulkhead).



En test se colocan en más sitios porque se necesitan obtener más datos en diferentes zonas. Recuerda que la pitot sólo mide en el punto concreto dónde esté situada, un volumen de control muy pequeño.

¿Qué ocurre si un equipo necesita medir esa presión en muchos puntos? Bueno, pues aquí es donde entran en funcionamiento las parrillas kiel (kiel arrays). Esto no son más que emparrillados de pletina de aluminio (habitualmente) que ocupan un área determinada (suele ser para cubrir un volumen significativo de aire) y a los que se les colocan tubos de Pitot con ordenamiento matricial, para que estén bien organizados. Estos tubos de Pitot se "enfundan" para que no haya problemas con las mediciones, en el sentido de que las pitot son sensibles al ángulo de inclinación y también podrían obtruirse en algunas zonas bajas del vehículo.



Las pitot se conectan mediante cables eléctricos a la centralita, para tomar lectura de las presiones. Estos cables tienen que ser lo más finos posible, para interferir lo menos posible en la lectura. Adicionalmente, hay que tener en cuenta el retardo en la toma de datos, por lo que hay que hacer una pequeña correlación matemática de la información obtenida.
Aparte, las lecturas obtenidas sólo sirven para el área ocupada, si se colocan otros sensores más atrás de la parrilla, las lecturas serán erróneas porque el aire viene muy perturbado.

La finalidad de una parrilla kiel es obtener un campo de presiones en un área concreta del vehículo, y después de corregidos los datos, compararlos con los del túnel de viento y los CFD.



Por último, otro ejemplo de un pequeño "kiel array", aquí situado por debajo del alerón delantero para medir que la presión es más baja que por la parte superior del mismo.

En fin, hasta la próxima y espero no tardar tanto. Gracias por tomarte la molestia de leerlo, y no dudes en preguntar cualquier duda que surja.

[tenista]

¡Tremendo! Te juro que como no había mirado ni la procedencia del nombre, no me imaginaba que hacía tantos años del invento. Creía que era mucho más actual.

Me sorprende muchísimo la parrilla debajo del alerón delantero y que además sea más baja, creo que quedo explicado cuando hablaste del tema de los aviones, pq si fuera al revés saldría volando el monoplaza ¿verdad?.

Mil gracias ¡Profe!

[Jero]

¡Tremendo! Te juro que como no había mirado ni la procedencia del nombre, no me imaginaba que hacía tantos años del invento. Creía que era mucho más actual.

Me sorprende muchísimo la parrilla debajo del alerón delantero y que además sea más baja, creo que quedo explicado cuando hablaste del tema de los aviones, pq si fuera al revés saldría volando el monoplaza ¿verdad?.

Mil gracias ¡Profe!

Gracias a ti

[Jero]

Buenos días y buen jueves

Hoy el post va a tratar de como se genera la succión en la parte inferior de un monoplaza, en su suelo. Porque si, es muy importante que se genere dónde debe y de la manera correcta, para el perfecto equilibrio del vehículo.

Para estas explicaciones me voy a apoyar en unos gráficos cortesía del profesor Timoteo Briet Blanes. Puedes seguirle en Twitter, en su cuenta @TimoteoBriet . Tiene material que siempre es interesante.

Al lio, empiezo por un primer gráfico en el que se ve la presión estática debajo del monoplaza. Quiero que observes que la gráfica y el modelo están en la misma escala, así que te harás una idea de como es esa presión inferior en el monoplaza.



La línea roja representa un suelo que no está bien sellado. Ya te expliqué en su día como funcionan los vórtices y que una de sus funciones es sellar ese suelo del monoplaza, precisamente.
La línea azul representa un suelo bien sellado, y como ves su presión estática es inferior en casí toda su longitud. Sin embargo, coincide en la zona frontal y en la zona dónde comienza el difusor. ¿Por qué? Porque esas zonas son de cambio de sección de entrada, es decir que son zonas dónde la sección de paso del aire cambia.
En la zona frontal, el aire es estrangulado (efecto venturi). En la zona dónde comienza el difusor, el cambio es a mayor sección. Ese punto de inflexión se denomina "crack pressure" y es el verdadero responsable de la succión en el fondo plano. El difusor luego aumenta paulatinamente su sección, por lo que el aire aumenta también su presión y disminuye su velocidad.
Esto se ve mejor con un CFD.



En este gráfico observas un monoplaza desde abajo. Y la zona delantera a la derecha de la imagen, por lo que el difusor está situado en la izquierda. Fíjate que te señalo cinco zonas, que son (de derecha a izquierda) la "bandeja del te" o quilla, el comienzo del fondo plano (zona de bargeboards), y el comienzo del difusor o "crack pressure".
En estas zonas el aire ve aumentada su velocidad (color azul) y disminuida su presión, por lo que se consigue un efecto de succión que aumenta la carga aerodinámica útil que ejerce el contorno del monoplaza sobre las ruedas.



Los colores marcan la velocidad del fluido (aire). Las zonas que te señalo son el "crack pressure" y es por esto que están en azul. Como ves, la velocidad va disminuyendo y la presión va aumentando conforme el aire sale del difusor. Esto también es responsable de esta otra imagen.



Observas que el agua sale despedida por el centro del monoplaza y hacía arriba y afuera. Esto es debido precisamente al trabajo del difusor, que no es otro que elevar la presión para que el fondo haga su trabajo de succión.



En este CFD, correspondiente a un Formula E, se aprecian las líneas de corriente y como el difusor trabaja para que se genere succión en la zona delantera del fondo plano. Están señaladas en rojo las zonas de succión, siendo la principal la delantera.



Por último, una imagen excelente en la que se ven las zonas dónde el aire acelera (disminuye su presión), para que la aerodinámica del vehículo permita mantenerlo "pegado al asfalto". Ves como las líneas de corriente se desplazan, y como se concentran en la zona de salida del difusor. Esto es debido a ese aumento de la presión, que hace que se eleve el aire por detrás del monoplaza.

En fin, una curiosidad que quería mostrar y espero que te haya gustado... y te haya enseñado también. Hasta el próximo post, y si te gustan estos temas no olvides seguir a Timoteo Briet en Twitter.

[tenista]

Muchas Gracias Profe.

Pregunta, para no variar

Los canales a la salida del fondo plano que hacen que el flujo vaya hacia el centro, si no estuvieran ¿afectarían a los neumáticos?.