Análisis Técnico – Dinámica Computacional de Fluidos – CFD

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Desde la introducción de los súper computadores en la década de los 80, el uso de la Dinámica Computacional de Fluidos (CFD) para resolver los problemas del fluido de flujo aerodinámico se ha incrementado dramáticamente como una herramienta numérica en distintas y variadas áreas de la ingeniería.

El trabajo con CFD no sólo se limita a la competición en Fórmula Uno, sino que a través de los años se ha centrado en sistemas aeroespaciales, aeronáutico, deportes aerodinámicos, e incluso construcciones y transporte aerodinámico. De este modo, el campo marino también tiene bastante en común con el campo del aire.

El desarrollo de la tecnología del túnel del viento que la Fórmula 1 ofrece al mundo, palidece de importancia al compararlo con el rápido crecimiento de esta Dinámica Computacional de Fluidos. Con ayuda del túnel del viento, se puede comprobar cómo reacciona un objeto al experimentar la fuerza del aire en un ambiente controlado.

CFD no es más que experimentar el mismo efecto en una simulación por ordenador. Aunque las ecuaciones que gobiernan estos cálculos se han entendido desde 1930, la complejidad a la hora de resolverlas requiere una potencia de ordenador que sólo se ha logrado en los últimos 10 a 15 años.

Una amplia gama de industrias se benefician de la maestría del diseño aerodinámico que un programa CFD aporta, así que no es de extrañar que la industria aeroespacial, coches de calle y turbinas eólicas empleen CFD para sus procesos de diseño.

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Cualquier aplicación donde algún tipo de fluido (gas o líquido) es donde CFD puede traer ganancias. Modelización del clima, la fuerza del viento sobre un edficio corriente, el desempeño de la medicina en un inhalador, la eficacia de un simple aire acondicionado, e incluso el transporte de agua o gas a través de tubos hasta nuestras casas.

Toda esta rentabilidad, en mayor o menor medida, se extiende de la gran inversión que la Fórmula 1 ha estado desembolsando en el crecimiento de la tecnología CFD, ya que a lo largo de 20 años, ha quedado patente la extrema necesidad de triunfo en el deporte.

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Los equipos han patrocinado la investigación de mejores herramientas de programas CFD en las mejores universidades, gastando dinero, además, en proveedores de software que asegure el importante desafío de simular con precisión el comportamiento aerodinámico de un coche de Fórmula 1 ha pasado de ser una aspiración a una realidad. Sería un error pretender que el desarrollo de los códigos subsónicos CFD ha sido el único responsable de la organización de la Fórmula 1, pero ningún observador serio de la industria podría negar que la inversión combinada de los equipos ha sido muy significativo.

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En el campo de la competición de coches, la Dinámica Computacional de Fluidos (CFD) es una ciencia emergente en el área de diseño de la aerodinámica. Durante la última década, los aerodinamistas han encontrado un interés creciente en el uso de métodos de CFD en computadores, para simular pruebas de túnel de viento o las condiciones de un trazado. Los códigos CFD, brevemente, reproducen el trabajo del flujo del aire a través de modelado matemático con una resolución sobre un modelo discreto.

Hay tres pilares fundamentales por los que las escuderías de Fórmula 1 y la industria en general comienzan a usar este tipo de software CFD:

  • Visión: un dispositivo o un diseño difícil o costoso de reproducir a escala para experimentar con él, el análisis CFD permite introducirte virtualmente en el componente y ver cómo actúa. Hay muchos fenómenos que se pueden presenciar a través de la tecnología CFD, que no sería visible a través de cualquier otro medio. CFD dota de una visión más profunda del diseño de cualquier elemento.
  • Previsión: debido a que CFD es una herramienta predictiva que da respuestas a unas circunstancias dadas. En poco tiempo se puede averiguar cómo un diseño se mostrará, y probar distintas variantes hasta llegar a un resultado óptimo. Todo ello sin la necesidad de fabricar un prototipo físico y sus correspondientes pruebas.
  • Eficiencia: la previsión del fruto que aporta CFD ayuda sustancialmente a una mejora y rapidez de la producción de los diseños, ahorrando dinero y cumpliendo con la normativa de la FIA que restringe el uso de túnel del viento. CFD es una herramienta que reduce el tiempo de producción de monoplazas, que comprime los ciclos permitiendo un seguimiento más veloz.

Hoy en día, el uso de herramientas básicas como CFD y FEA (Análisis de Elementos Finitos, que permite el diseño de piezas por ordenador) son necesarias para el plantear y evolucionar coches de carreras, ayudando a la investigación en el túnel del viento. Siendo posible la ayuda sustancial de la comprensión de los fenómenos implicados en los flujos de fluidos, lo que permite la visualización y el análisis de la información precisa, con un nivel de detalle que es difícil proporcionar experimentalmente.

La Dinámica Computacional de Fluidos, aparentemente brinda opciones ilimitadas cuando se lleva a cabo un proceso de cálculo en el progreso de componentes aerodinámicos. Sin embargo, este proceso requiere de una enorme cantidad de cantidad computacional.

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En 2007, BMW-Sauber introdujo el súper computador ‘Albert 2’ a sus oficinas de Hinwil. Contando con uno de los súper computadores más potentes, no sólo de la Fórmula 1, sino de toda la industria de la automoción.

Albert 2, fue construido usando 512 procesadores Intel de 64 bits por la firma suiza DALCO, dotado por el software de la empresa estadounidense especializada en CFD, ANSYS Fluent.

El súper computador está comprendido por 1024 núcleos de procesadores Dual Core Intel Xeon a 3GHz en una arquitectura de clúster con nodos duales. Los procesadores están instalados en recintos de refrigeración de alta densidad suministrados por American Power Conversion (APC). Estos recintos son circuitos cerrados de agua autónomos que proporcionan hasta 15 kW de potencia de enfriamiento por carcasa.

El súper ordenador cuenta con un total de diez recintos, con un metro de ancho, 1,20 metros de profundo y 2,30 metros de altura. Es decir, ocupa 10 metros de ancho pesando 21 toneladas.

Los datos técnicos también son impresionantes. Cuenta con un rendimiento de 12,228 teraflops por segundo. Es decir, como si la población entera de Munich (1,3 millones de habitantes) multiplica dos números de ocho dígitos. Junto a 4 megabytes de memoria caché, 20 terabytes de disco duro y 2 terabytes de memoria física.

Las posibilidades técnicas virtualmente casi ilimitadas que consagra este súper computador son usadas para el análisis en el campo de la aerodinámica. La Dinámica Computacional de Fluidos y el Análisis de Componentes Finitos se utilizan en el cálculo asistido por ordenador de dispositivos aerodinámicos para un monoplaza de F1.

Esto implica el uso de modelos numéricos de cuadrícula que se compone de un máximo de 100 millones de celdas.

El trabajo del CFD se limita a complementar, no sustituir la finalidad del túnel del viento. De hecho, el estudio CFD y el trabajo experimental en el túnel de viento están estrechamente vinculados entre sí generando importantes sinergias en beneficio de ambas partes.

En el desarrollo de un nuevo alerón delantero, más de 100 variables entran en evaluación en dos dimensiones antes de que la mitad de una docena entren en su posterior análisis en 3D. Siendo las versiones más prometedoras las construidas a escala del 60% y testeadas en el túnel del viento. Todo ello es enfocado a un trabajo mucho más eficiente del túnel de viento.

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Cabe añadir que ningún programa CFD es 100% perfecto. Un coche de Fórmula Uno tiene tantos parámetros de flujo, vórtices, vacíos, etc, que son zonas muy sensibles, en el que una variación de 1 centímetro en un vórtice puede cambiar completamente las características del bólido.

La mayoría de las escuderías utilizan CFdesign, Flow Science, Fluent, ANSys, Metacomp Technologies, CD-adapco y FieldView de Intelligent Light como software CFD, dadas las exigencias en la competición.

En 2014, las restricciones en este tipo de pruebas son parte de un apéndice de la normativa deportiva exigidas por la FIA. Más allá de esto, los dos cambios principales y en los que se puede resumir esta limitación son:

  • Una reducción a 30 horas y 30 teraflops en el uso del túnel del viento y CFD semanales.
  • El número de ejecuciones del túnel del viento se limita a 80 y 60 horas semanales.

Antes de esta norma, el túnel del viento probaba piezas y componentes durante 24 horas, 7 días a la semana, donde podía llevarse a cabo más de 200 testeos, por lo que la regla limita esta utilización a un tercio. Esto desembocará en un mayor uso de programas CFD, con un mayor aprovechamiento del tiempo de pruebas de nuevos dispositivos.

fuente: formula1-dictionary

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