Nuevo rear wing de Aston Martin F1

Aston Martin F1 ha incorporado a su coche, unas innovaciones técnicas en su alerón trasero que merecen una explicación.

Empecemos por algo más sencilla: una tubería de diámetro “R”; vamos a suponer que está circulando aire a una temperatura de 19ºC; imaginemos que este tubo corresponde a la sección de un Túnel de Viento; es algo habitual esta situación y es necesario hacer todo lo que se va a hacer a continuación para diseñar “correctamente” este tramo del Túnel de Viento. El número de Reynolds de esta sección a una velocidad determinada (4 m/s) es:

Este valor es menor que el valor del número de Reynolds crítico; es decir, menor que el número que marca la transición a régimen turbulento (es 5*10^5).

Existe un valor a calcular, denominado espesor de desplazamiento:

Este valor, indica la “reducción” del diámetro de la sección, pues en ese espesor calculado, el aire se comporta mal y no es para nada eficiente; por tanto, el diámetro del tubo o sección del túnel de viento, se ha visto reducida mediante la siguiente expresión:

Es decir: la velocidad en que debe pasar el aire a través de la sección, debe ser un poco mayor que la calculada en un principio; esto afecta lógicamente al diseño final y hay que tenerlo en cuenta; la velocidad debe aumentar en un 2.5%.

Este mismo efecto y cálculo, se debe hacer también en los alerones, no sólo el trasero:
Conocemos perfectamente la razón de la generación de la downforce (debida a la diferencia de presión entre la parte superior e inferior del alerón; dada esta diferencia de presión, es lógico pensar y así sucede, que exista aire que tienda a rellenar la zona del ala (inferior) donde hay menos presión; si ello sucediera, la downforce dejaría de producirse. Este trasvase de aire, se localiza en los extremos de las alas:

La zona marcada con una llave, es la zona donde el aire pasa con “tranquilidad” produciendo downforce; en los extremos de las alas, al ocurrir el trasvase mencionado, la circulación del aire es turbulenta y no genera downforce. Por ello mismo: qué debemos hacer para impedir el flujo de aire desde arriba hacia abajo ¿¿¿¿????: la respuesta es sencilla: colocar unas barreras que lo impidan; ello conlleva varias cosas:

⦁ Aumentar la downforce, aumentando la envergadura efectiva o útil del ala.
⦁ Reducir la drag puesto que se reducen los vórtices.

Lo mejor no obstante, para aumentar la eficiencia del ala, esto es: para que esa parte extremal funcione adecuadamente, es convertir el perfil del extreme del ala, en un perfil simétrico para que no exista diferencia de presión y por tanto, trasiego de aire; esto, lógicamente, reduce la capacidad del ala para producir downforce; además, este sistema, reduce o elimina prácticamente la formación de vórtices:

La utilización de “pantallas extremales”, reduce la Resistencia aerodinámica al reducir, como se ha dicho, la generación de vórtices:

Para un correcto diseño de las endplates, se sigue la regla siguiente: será más grande allí donde el perfil sea más grueso. Con su instalación, la envergadura “real” ha aumentado.

Veamos un ejemplo:

Alerón de 165 cm de envergaduras y 40 cm anchura o cuerda; por tanto, tiene una AR = 4.125=envergadura/cuerda.

Effective Aspect Ratio (AR_effective) = Actual Aspect Ratio (AR_actual) * (1 + 1.9 * (endplate depth (mm)/span(cm)))

Aplicando esta expresion matemática, el alerón se ha convertido en un ala de 193 cm, en lugar de los 165 iniciales. Esto significa que el alerón trabaja como si tuviera 193 cm de envergadura.

Supongamos que:

Caso 1) Alerón sin endplates.
Case 2) Endplates algo mayor que el espesor del ala.
Case 3) Endplates con su altura igual a 4 veces el espesor del ala.
Case 4) Endplates con su altura igual a 5 veces el espesor del ala.

Mediante una simulación CFD, se calcula la downforce y la drag que produce el alerón analizado:

Se observa perfectamente que mientras la downforce aumenta, la drag se reduce:

Como se puede ver, la downforce ha aumentado un 7% y la Resistencia aerodinámica de ha reducido un 2%. En la naturaleza, ocurre lo mismo: muchas especies de pájaros disponen de endplates en los extremos de sus alas; éstos, no sólo actúan como pantallas, sino también como turbuladores que eliminan otras turbulencias:

Y nosotros lo imitamos en los aviones:

⦁ Precioso vórtice en un coche de competición; alucinante la verdad (visible gracias a la arena….):

En el alerón de Aston Martin, se ha intentado variar el extreme del ala, para producer los 2 efectos ya vistos en este pequeño artículo:

⦁ Aumentar la envergadura efectiva del ala, para producir más downforce con la misma envergadura “real”.
⦁ Reducir la resistencia aerodinámica, para entre otras cosas, poder aumentar la velocidad máxima.

CONCLUSIONES

Creemos sinceramente que Aston Martin ha tenido buena idea; no sabemos pues no disponemos del CAD “real” si es un sistema efectivo y en qué medida, pero lo que sí es cierto es que si lo han conseguido y así es el objetivo sin duda, tendrán una ventaja. Más equipos copiando el sistema? No nos extrañaría; al menos copiar la idea, quien sabe si variando el sistema de Aston Martin.

Timoteo Briet Blanes: Aerodynamic and CFD engineer, Mathematicien, Cosmologist, Economist; racecarsengineering@gmail.com; https://www.linkedin.com/in/timoteobriet ; Online Courses CFD and much more; Aero and CFD professor; Twitter: @TimoteoBriet:

Enrique Scalabroni: Dallara Automobile, Williams F1, Ferrari F1 Chief Designer y Lotus F1, Peugeot Group C, entre otros muchos.

Nacho Suárez – PhD Electronics Engineer Vehicle Dynamics, Virtual 7-post rig, Simulation, Autonomous Vehicles, Embedded Systems, Control:
nachosuamar@gmail.com – https://www.linkedin.com/in/nachosuarezphd/