Análisis Técnico – Vórtices

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Un vórtice es una corriente de aire que rota en espiral. En particular, un vórtice es una espiral de corrientes turbulentas. Todos ellos tienen ciertas propiedades especiales. La presión del aire (o cualquier otro fluido) en un vórtice es más baja en la zona central elevándose a medida que nos distanciamos desde el centro. Esto está de acuerdo con el principio de Bernoulli.

Dos o más vórtices que se aproximen en paralelo circulando en la misma dirección se terminarán fusionando para producir un sólo vortice, siendo su circulación la suma de ambos vórtices que lo constituyen. Por ejemplo, una superficie de pequeños vórtices fluye desde el borde de salida de un ala o una hélice de avión al producirse un ascenso o las hélices empujan originando un único vórtice.

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Los vórtices continenen una gran cantidad de energía en continuo movimiento circular. En un fluido real, esta energía nunca se disiparía, y el vórtice persistiría para siempre. Sin embargo, los fluidos reales exhiben una viscosidad y la energía que contienen se disipa con lentitud desde el núcleo del mismo.

Los vórtices generados en los extremos de las alas son patrones circulares de aire que se forman justo detrás de las alas al elevarse. Se crea un vórtice por cada punta de ala que existe. Estos vórtices están relacionados con la resistencia inducidadrag – que es un efecto secundario inevitable de la elevación tridimensional o de la formación de carga aerodinámica.

Se crea un vórtice de punta debido a la diferencias de presión que existen entre la parte superior e inferior del flap a la elevación positiva o negativa. Puesto que la presión es una función continua, la presión es igual para todas las punta de flaps.

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La tendencia es que las partículas de aire se muevan desde la superficie de bajas presiones alrededor de la punta del ala hasta una superficie con una presión superior, de forma que la presión sea equivalente a ambos lados de la aleta.

Cuando el aire sale del borde de salida del alerón, el aire que cruza la superficie superior tiende a inclinarse hacia la región inferior y viceversa, formando trayectorias helicoidales, o lo que es lo mismo, un vórtice.

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Aerodinámicamente hablando, un monoplaza de Fórmula 1 funciona mediante un sistema interconectado de vórtices junto con capas de vórtices. La vorticidad es creada por el cizallamiento viscoso de las capas límite delgadas adyacentes a las superficies sólidas del coche.

Rotura de motor de Jaime Alguersuari en Hungría 2010 creando un vórtice gigantesco gracias al conjunto difusor, Monkey Seat, ala viga y alerón trasero.

El downforce que genera un alerón siempre es atribuido a la presencia de flujo de aire que circula alrededor de este componente, ya que la circulación en sí misma no es más que la vorticidad neta en las capas límites por encima y debajo del mismo ala.

Cuando una capa de vórtices se separa de una superficie sólida, se convierte en una capa de vórtices libres. Dicha capa puede enrrollarse con cierto volumen de vorticidad concentrada, denominado vórtice. Este vórtice tiene un núcleo de baja presión en equilibrio con la fuerza centrífuga de los elementos del fluido que en giran en espiral alrededor del vórtice, describiendo trayectorias helicoidales.

Orientados en la dirección y sentido de la corriente, los vórtices son particularmente útiles, tanto para la creación directa de carga aerodinámica, como para actuar como una cortina de aire, sellando áreas de bajas presiones, como por ejemplo la región por debajo del cuerpo del coche.

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También se emplea la gran energía que transporta un vórtice para prevenir la temprana separación del flujo en dos del cuerpo imperfecto aerodinámicamente por la creación de la capa límite. Claro ejemplo de ello son los generadores de vórtices, los cuales son pequeñas aletas que controlan la capa límite, retrasando con éxito la separación de flujo incluso cuando se supera el crítico número de Reynolds.

El número de Reynolds relaciona la densidad, viscosidad, velocidad y dimensión típica de un flujo en una expresión adimensional, siendo la dimensión típica el diámetro del conducto que atraviesa o la longitud de fluido que consideremos escoger, interviniendo en numerosos problemas de dinámica de fluidos:

Re= ρvD/μ

Donde:

ρ: densidad del fluido vs: velocidad característica del fluido D: diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido o longitud característica del sistema μ: viscosidad dinámica del fluido

Además el número de Reynolds permite predecir el carácter turbulento o laminar en ciertos casos.

En conductos o tuberías, tales como en el túnel del viento – en otros sistemas, varía el Reynolds límite – Si el número de Reynolds es menor de 2100 el flujo será laminar y si es mayor de 3000 el flujo será turbulento. El mecanismo y muchas de las razones por las cuales un flujo es laminar o turbulento es todavía hoy objeto de especulación.

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Generadores de vórtices en el Mercedes W05 de 2014.

Los ya mencionados generadores de vórtices en sí mismo crean – al ser un elemento más que el aire tiene que sortear – y reducen la fricción, mediante la prevención de la separación del flujo, fluido abajo. El efecto global del generador de vórtice se puede calcular fácilmente mediante la suma de efectos positivos menos los negativos, ya que el resultado depende en gran medida del tamaño y forma de la aleta o deflector en cuestión. Por lo que el estudio del diseño de este elemento para una funcionalidad correcta y eficiente es importante para lograr el objetivo de la red interconectada de vórtices.

En primer lugar, el aire toca el alerón delantero del monoplaza de Fórmula 1 estableciendo, por tanto, las condiciones que marcarán la travesía de la masa de aire a lo largo del coche, por lo que los vórtices generados son de particular importancia aquí.

Los vórtices del ala delantera son originados por los gradientes de presión dentro del conjunto del alerón frontal, es decir, por el conjunto del endplate lateral en transición con los flaps y la sección interior neutra – eje Y250, que se denomina así por estar a 250mm de la línea central del coche – dictada por las normas, las puntas interiores de las aletas delanteras, y las secciones arqueadas de estas aletas.

La posición y el número de vórtices se calcula con precisión estando colocados en consonancia con el resto de la carrocería, y en especial con las ruedas al girar. El error en estos cálculos puede costar el trabajo de meses y millones de euros en costos de desarrollo.

En la Fórmula, por ejemplo, los bargeboards guían el aire de la estela que deja el alerón delantero y lo aleja del flujo vital que va por debajo del monoplaza. Además, el borde posterior inferior de esta deriva lateral – bargeboard – también crea un vórtice que se desplaza hacia abajo del borde inferior exterior del pontón lateral, que actúa como una presa, ayudando a sellar el área de presión inferior por debajo del coche. Con ayuda de estas técnicas, los ingenieros intentan imitar el efecto suelo que antaño dominaba la parrilla.

El ascenso de un vórtices se ve en numerosas aplicaciones en aeronaves. Este principio explica por qué los insectos, aves y todo aparato aéreo sean capaces de volar. La teoría aerodinámica establece que a medida que una superficie se vuelve más pequeña, se vuelve menos eficiente al ascender.

El ala de un insecto genera un vórtice en la superficie superior – donde predominan las bajas presiones – que aumenta en gran medida la capacidad de la superficie en cuestión para generar un ascenso.

Un avión de combate moderno utiliza esta idea para aumentar el rendimiento aerodinámico subsónico. Las aletas junto al cockpit del F16 o F18 suscitan vórtices que se ejecutan sobre la parte superior del ala ocasionando una elevación más eficiente a través de la inducción de una velocidad más alta y una presión menor. Sin embargo, estos vórtices no están presentes en un vuelo a velocidad normal, tan sólo se generan cuando una aeronave de estas características alcanza cierto ángulo de ataque en sus alas al maniobrar o aterrizar.

Juha Kivekäs, ingeniero del Sisu Racing Truck Team – equipo que participaba en el Campeonato de Camiones Europeo, antes de venderse a Renault a finales de 1995 -, señaló que: “En estas condiciones, el flujo se mantiene unido a los increíbles ángulos debido al fenómeno de la mezcla de energía del vórtice”. O para que nos entendamos, la separación de flujo es retrasada por los vórtices que mezclan el flujo de la capa límite y el flujo de la corriente principal donando energía a la capa límite más estancada.

Uno de los problemas que vienen con la creación de vórtices es el drag inherente. Este drag inducido reduce drásticamente su eficacia.

Los vórtices en sí son bastante frágiles. Cualquier vórtice no tendría por sí mismo una vida muy larga, ya que de por sí es pequeño en sus comienzos, aunque es fácilmente manejable debido su cercano punto de succión. En segundo lugar, la longitud necesaria para que un vórtice afecte al alerón trasero podría ser problemática ya que una espira de este calibre se consume con suma facilidad.

Fuentes: formula1-dictionary, car bibles, google

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