Seguro que si te gusta el motorsport has escuchado alguna vez hablar de la famosa CFD. Esta técnica mediante ordenadores es fundamental para el desarrollo y simulación de la aerodinámica de los coches, pero también lo es para los motores, ya que puede simular el comportamiento de fluidos dentro de éste.
Dada su importancia, merece la pena dedicar este artículo a conocer la CFD un poco más de cerca…
¿Qué es la CFD?
La CFD (Computational Fluid Dynamics) es una técnica de simulación que permite analizar el comportamiento de fluidos en diferentes escenarios, tanto de gases como de líquidos. Por ejemplo, puede servir para simular el comportamiento del aire, del agua, o de cualquier otro líquido o gas.
Esto se consigue gracias a un software como puede ser OpenFOAM, que es de código abierto y gratuito, o también algunos otros de pago como ANSYS Fluent, STAR-CCM+, SimScale, CFX, etc. Gracias a ellos se pueden usar modelos CAD para poder hacer simulaciones de fluidos bajo diferentes condiciones.
Las simulaciones CFD se llevan a cabo utilizando potentes ordenadores que resuelven ecuaciones matemáticas complejas que describen el movimiento de los fluidos. Para ello, se crea un modelo digital del vehículo que se desea analizar, y se divide en pequeñas partes o celdas. A continuación, se calculan las propiedades del fluido en cada una de estas celdas, como la velocidad, la presión y la temperatura. Finalmente, se visualizan los resultados de la simulación, lo que permite a los ingenieros observar cómo fluye el aire alrededor del vehículo y detectar posibles problemas de diseño.
La potencia de cálculo de un supercomputador, medida en FLOPS (operaciones de punto flotante por segundo), juega un papel crucial en el realismo y la complejidad de las simulaciones CFD. A mayor cantidad de FLOPS, mayor capacidad para resolver ecuaciones matemáticas complejas y modelar fenómenos físicos con mayor detalle, lo que se traduce en simulaciones más precisas y realistas. Y esto se debe a:
- Resolución espacial:
- Mayor cantidad de detalle en la malla: permite utilizar más celdas en la malla del modelo, es decir, con mayor realismo.
- Mayor resolución espacial: captura detalles más finos del flujo, como capas límite turbulentas o pequeñas estructuras de los vórtices.
- Simulaciones más precisas: representan con mayor fidelidad el comportamiento real del fluido.
- Resolución temporal:
- Mayor frecuencia de muestreo: permite realizar simulaciones con pasos de tiempo más cortos, es decir, obtener más muestras por unidad de tiempo.
- Mayor resolución temporal: captura cambios rápidos en el flujo, como fluctuaciones turbulentas o impactos transitorios.
- Simulaciones más realistas: representan con mayor fidelidad la dinámica del flujo en el tiempo, ya que en la realidad es algo continuo, y no por fragmentos.
- Modelos físicos:
- Modelos físicos más complejos: permite utilizar modelos físicos más complejos, por tanto, con mejores resultados. Esto se debe a que consideran efectos físicos adicionales que pueden ser importantes para la simulación, como la compresibilidad del fluido o la interacción con estructuras sólidas.
- Simulaciones más precisas: representan con mayor fidelidad la física real del problema.
- Convergencia de la solución:
- Mayor cantidad de iteraciones: se puede realizar más iteraciones en el proceso de resolución numérica.
- Mayor convergencia de la solución: se obtiene una respuesta más precisa a las ecuaciones que gobiernan el flujo.
- Simulaciones más confiables: los resultados de la simulación son menos propensos a errores numéricos.
Por esto la FIA limita la cantidad de FLOPS que pueden usar en las simulaciones de CFD, para que los equipos no derrochen grandes cantidades de dinero en supercomputadores cada vez más potentes… y así los equipos más fuertes obtengan mayores ventajas que los pequeños.
CFD vs Túnel de viento: Ventajas y desventajas
La CFD y los túneles de viento son dos herramientas fundamentales para estudiar el comportamiento de los fluidos, especialmente en el ámbito de la aerodinámica. Ambas técnicas tienen sus propias ventajas y desventajas, y no tienen por qué ser alternativas, sino que muchas veces son complementarias, lo que se prueba en CFD y funciona, luego se pasa al túnel de viento para ratificar los resultados.
Entre las ventajas y desventajas tenemos:
- CFD:
- Ventajas: las simulaciones son generalmente más económicas que las pruebas en túnel de viento, especialmente para diseños complejos o para realizar una gran cantidad de pruebas. Y es que no necesitan fabricar un modelo real a escala, sino que son modelos digitales. El CFD también permite simular una amplia gama de condiciones de flujo, incluyendo flujos turbulentos, transitorios y compresibles, que son difíciles o imposibles de reproducir en un túnel de viento. Además, el CFD permite visualizar el flujo de aire en detalle, incluyendo la distribución de la velocidad, la presión y la temperatura. Esto puede ser muy útil para comprender los mecanismos físicos que subyacen al comportamiento del flujo.
- Desventajas: necesita de un software complejo que requiere formación para saberlo usar de forma correcta. También es necesario tener un supercomputador, lo cual es bastante caro. Mientras más se invierta en este área, más realistas serán las simulaciones como he indicando antes. Por otro lado, tampoco hay que olvidar que los resultados no son precisos, por eso habría que validarlos en un túnel de viento o en la realidad.
- Túnel de viento:
- Ventajas: las pruebas en túnel de viento proporcionan una representación realista y precisa del flujo de aire alrededor de un objeto. Por otro lado, las pruebas en túnel de viento se pueden repetir con facilidad, lo que permite comparar diferentes diseños.
- Desventajas: se trata de una infraestructura cara de construir y mantener. Además, puede tener limitaciones de tamaño, y eso obliga a usar modelos a escala. Pero, mientras más parecido sea el modelo a la escala 1:1, mejores resultados se obtendrán. Otro problema es que no es tan fácil visualizar el flujo, y existen posibilidades de que se vea alterado. Y también se trata de pruebas que suelen ser laboriosas para preparar y lentas.
Aplicaciones de la CFD en el mundo del motor
La CFD tiene una amplia variedad de aplicaciones en el mundo del motor, entre las que se encuentran:
- Aerodinámica: optimizar la forma de la carrocería, alerones y otros elementos para reducir la resistencia aerodinámica, aumentar la carga aerodinámica, y mejorar la eficiencia.
- Refrigeración: estudiar el flujo de aire alrededor del motor y otros componentes para garantizar una refrigeración adecuada.
- Combustión: analizar el proceso de combustión en el motor para mejorar la eficiencia y reducir las emisiones, así como la entrada y salida de gases o del propio combustible, que también es un fluido, en este caso líquido.
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