Ventajas de las ruedas lenticulares de Ferrari

Tema en 'Foro BMW F1/Racing/Competición' iniciado por blaki, 9 Jul 2007.

  1. blaki

    blaki Capullo Leader Miembro del Club

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    La Aerodinámica de cualquier coche de competición, hoy en día, es más que importante; se invierten ingentes cantidades de dinero en investigaciones, en software CFD, en Túneles de Viento, etc....
    Me atrevería a decir que el 80% del rendimiento de un coche de competición, proviene del ámbito de la aerodinámica, si bien, y quiero hacer hincapié, que el comportamiento de un coche es un conjunto, y como tal, la aerodinámica, aunque importante, es una pieza más de todo el puzzle. No hay que perder de vista este hecho.
    El estudio del flujo del aire, es trascendental; dicho flujo, origina una dinámica, que condiciona el comportamiento del coche; por tanto, es necesario conocerlo, estudiarlo y optimizarlo.
    Dentro de esta optimización del flujo, conviene no perder de vista, la refrigeración, la down-force y el balanceo; estos son los 3 factores más importantes.
    Posibles explicaciones o utilidades:
    Cualquier flujo que se forme alrededor de un coche en movimiento, es altamente turbulento, desde todos los puntos de vista; en ocasiones, como ya vimos, es interesante y a veces conveniente, hacer que el flujo o régimen, se convierta en turbulento; de todas formas, hay muchas ocasiones que es necesario que el flujo sea laminar (suave). Por desgracia, esto casi nunca ocurre por sí sólo; también es verdad, que oponerse a la dirección tendencia que el aire tiene, es complicarse la vida, en todos los sentidos, y lo que es peor: en la inmensa mayoría de ocasiones, mejorar alguna cosa, implica empeorar otra. Pero en todo caso, esto, forma parte de la ingeniería aplicada sobre un coche.
    Hay un aspecto que no todo el mundo conoce:
    En lo que se refiere a la refrigeración de los frenos, cosa que es muy importante, no hay que refrigerar mucho, puesto que los frenos, fríos, no frenan adecuadamente, y si se refrigera poco, tampoco lo hacen; hay que refrigerarlos en su justa medida. Esto es algo normal en este mundo: el punto medio.
    La toma interior de refrigeración, recoge el aire que le viene desviado convenientemente por parte del alerón delantero. Una buena recepción y un buen flujo incidente marcan, inexorablemente, el desarrollo de una óptima refrigeración; conseguir esto, ya de por sí sólo, es complicado, pero en definitiva, es el primer paso.
    El segundo paso es adecuar el flujo, para que además de hacer lo que se supone que ha de hacer, genere los menos problemas. Dichos problemas son, en la mayoría de los caso, la resistencia y por otro la alteración de flujo que circula hacia la parte posterior del coche.
    Centrándonos en nuestro caso, el flujo que se establece entre la parte interior de la rueda y la exterior, es extremadamente alta e importante:
    Este flujo que se establece, genera mucha resistencia. Hay que tener en cuenta que la rueda está rotando; esta rotación, aumenta la turbulencia y rotacionalidad del flujo saliente; por si fuera poco, el flujo que sale por la parte exterior de la rueda, no sólo proviene de la refrigeración de los frenos; para añadir más complejidad al asunto, el aire que sale habiendo refrigerado los frenos, está caliente. Todo ello, hace que se forme un flujo extremadamente complejo, produciendo mucha resistencia y a su vez, estropeando el flujo hacia la parte trasera. Sería lógico pensar en reducir esta resistencia, haciendo que el flujo saliente sea más "uniforme" y no tan turbulento.
    Esta es la razón principal que se detecta, como función de los nuevos "tapacubos" de las ruedas delanteras del Ferrari. Recordemos que los ruedas lenticulares traseras, se encargaban de aumentar la refrigeración y por otra de reducir la resistencia; de hecho, ya lo cuantificamos en otro artículo.
    En esta ocasión, es algo parecido:
    Por una parte estoy seguro que habrán conseguido una optimización de la refrigeración, pero por otra, además han conseguido reducir la resistencia y optimizar el flujo hacia la popa del vehículo (quizás de ahí la dirección de salida o abertura), uniformizando el flujo a través de las ruedas delanteras. Por último señalar que la forma abombada de dicha tapa, responde a temas de índole estrictamente aerodinámico y de resistencia, haciendo "suave" la transición entre neumático y tapa.
    Espero haber introducido algo de luz en este tema, tan actual y próximo

    os añado esta informacion tambien de cuando las empezaron a usar:

    En el último Gran Premio de F1 de Turquía del 2006, se observó que Ferrari, colocaba cierto dispositivo sobre las llantas de las ruedas traseras. Según la Normativa de la FIA, está totalmente prohibido, el uso de todo tipo de aditamentos a las ruedas, y menos que tengan influencia aerodinámica de cualquier clase o medida.
    • Article 3.15 de la “FIA Formula 1 Technical Regulations 2006, state that all parts of the car must be rigidly secured to the entirely sprung part of the car" y "must remain immobile in relation to the sprung part of the car".
    Ferrari afirma que únicamente ha colocado este sistema, para mejorar la refrigeración de los frenos, extrayendo el aire caliente de los mismos, con mayor eficiencia.
    La controversia radica justamente ahí: si este dispositivo que Ferrari ha usado, posee también, algún tipo de influencia aerodinámica. En este pequeño trabajo, veremos en qué modo afecta a la aerodinámica este dispositivo, además de cuantificar la posible pérdida o ganancia que se consigue, en términos de eficiencia o resistencia.
    Muchos equipos, incluso esta misma temporada, han instalado cosas parecidas:
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    Pero Ferrari, ha ido más allá:
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    Resistencia de una rueda:
    El objetivo básico de una rueda, es lógicamente, la adherencia con el asfalto, de tal forma, que se consiga la máxima transmisión de potencia por parte del motor (eficiencia alta).
    Partiendo de este premisa, su desarrollo implica diversos problemas que hay que mitigar, aunque es imposible eliminarlos por completo. Veamos cada uno de ellos por separado.
    -- Fricción con el asfalto:
    Es función de las propias características del asfalto y del neumático. Al depender del neumático o zona de contacto con el asfalto, depende directamente de las propiedades del contexto, tales como temperatura del aire y del asfalto, humedad, agua o cualquier otro tipo de fluido sobre la pista, tipo de compuesto, setup y algún otro elemento menos importante.
    Esta resistencia siempre va a existir, y tan sólo se puede atacar modificando y estudiando los compuestos de las gomas y el setup del coche. Muy a menudo, aumentar esta fricción no sólo es conveniente si no necesaria. Generar mayor agarre permite por ejemplo aumentar la velocidad de paso por curva y por tanto reducir el tiempo de paso…. De hecho, la fricción o adherencia con el asfalto, es la clave en las carreras. El controvertido Mass-Damper, también actuaba en la misma línea intentando mantener el agarre constante durante fases transitorias.
    -- Fricción aerodinámica:
    Es función de la rugosidad de la goma del neumático y del asfalto, y de las características del aire; todas estas propiedades, a su vez, como ya hemos visto, dependen de la temperatura, humedad, etc. En ensayos en Túneles de Viento antes de una carrera, se intentan simular todas las condiciones de dicha carrera. Incluso, simulando la rugosidad del asfalto donde se vaya a competir.
    Por otro lado, señalar que al encontrarse las ruedas en rotación, existe otro fenómeno que interviene directamente sobre la resistencia por fricción, que es el Efecto Magnus. Este fenómeno implica una alteración en la capa límite del aire, afectando directamente a la fricción.
    Esta resistencia, siempre va a existir, en mayor o menor medida, y sólo se puede atacar estudiando la rugosidad de las gomas, e intentando que no exista “demasiado” flujo de aire en contacto con las ruedas.
    -- Forma:
    Se trata de una resistencia debida a la propia forma de la rueda; es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad, a la densidad del aire y al área; el factor de proporcionalidad, la da un coeficiente llamado coeficiente de resistencia “CD”:
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    Este coeficiente de resistencia, depende básicamente, de la forma que tenga la rueda, pero también de las características del material.
    Lógicamente por tanto, poca cosa se puede hacer respecto esta fuerza, si no es desviar “adecuadamente” el flujo sobre las ruedas.
    -- Turbulencias / Baja presión o depresión:
    Es la resistencia causada por la formación de vórtices, torbellinos, turbulencias en general. En el caso de ruedas no lenticulares, la cavidad de las llantas, originan turbulencias, que a su vez, originen resistencia.
    Por otro lado, también toda rueda produce turbulencias, en su estela; cuanto mayores sean éstas, mayor resistencia producirá la rueda.
    -- Refrigeración:
    Aquí está la clave de todo el dispositivo Ferrari. En cualquier coche de F1, las tomas de refrigeración delanteras están muy visibles, y el aire que se introduce en ellas, es “limpio”:​
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    No ocurre lo mismo en las tomas traseras, que están “escondidas”, y cuyo flujo entrante, es “sucio” y turbulento; de ahí que la refrigeración de los frenos traseros, sea una cuestión compleja:​
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    En primer lugar, veamos si la colocación de este dispositivo por parte de Ferrari, introduce alguna ventaja aerodinámica, obviando la refrigeración de los frenos. Para realizar en ensayos aerodinámico pertinente, emplearemos dos ruedas. En primer lugar realizaremos el estudio sobre la rueda trasera de un F3, para posteriormente realizar dicho estudio sobre la misma rueda pero haciéndola lenticular por ambas caras. El estudio consistirá en una simulación CFD con los siguientes datos:
    Velocidad de las ruedas: 250 km/h
    Temperatura del aire: 25º C
    Tiempo de cálculo real: 0.019 segundos (es poco, pero la tendencia se mantendrá).
    Veamos el campo de presiones:​
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    Veamos el campo de velocidades:​
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    Los datos numéricos de ambas ruedas son los que se presentan en la siguiente tabla:​
    Lenticulares (Final step 0.019 seg.)No lenticulares (Final step 0.019 seg.)Pressure ForcesPFx161.36PFy-1.268PFz-1.3185PFx183PFy18.736PFz-1.340Pressure MomentsPMx-7.794PMy131.31PMz-1072.9PMx-21.2PMy147.7PMz-789.5Total Forces162.21-1.2649-0.59723183.7518.738-0.68609Total Moments-3.0484126.32-1078.5-17.857143.16-793.41
    **** RUEDAS LENTICULARES: (Final step 0.019 seg.)​
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    **** RUEDAS NO LENTICULARES: (Final step 0.019 seg.)​
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    Si observamos los datos, veremos que las ruedas lenticulares ofrecen aproximadamente un 8% menos de resistencia que las ruedas sin lenticular (162 frente a 183); lo cual es bastante apreciable; estamos hablando que en términos totales del coche, la resistencia se reduce en torno a un 3 %, lo cual, también es significativo.
    De todas formas, la cuestión no es tan fácil: desde un principio, Ferrari argumentó su instalación, diciendo que el dispositivo generaba mayor refrigeración de los frenos:​
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    Veamos 2 modelos diferentes de actuación, en cuanto a refrigeración:​
    • Modelo A: Por la toma de aire “interior” de la rueda trasera, se introduce aire a determinada velocidad y presión; lógicamente, al estar la toma “escondida”, está colocada de manera que recibe la mayor cantidad de aire posible a la presión requerida. Según el dispositivo Ferrari, se aprecian como álabes de un ventilador; podría interpretarse de un fan axial: ​
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    Por tanto, nos inducen a pensar, que “ayudan” al aire caliente que ha pasado por los frenos, a salir y a disipar el calor:​
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    La tendencia “natural” del flujo, es ir de dentro hacia fuera, puesto que en la parte exterior, siempre hay menos presión que en la parte interior.
    Cuanta mayor es la velocidad, mayor caudal han de extraer:​
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    De todas formas, esta ayuda a la extracción y disipación de calor, también comporta una pérdida de potencia (aumento de fricción, desviación del flujo, etc); la potencia depende del cubo de la velocidad, con lo que dicho así, haciendo las cálculos pertinentes y necesarios (conociendo la eficiencia de las aspas mencionadas y demás datos), podemos conocer la pérdida de potencia debida a esta ayuda a la extracción.
    Sería posible encontrarnos con la sorpresa, que la pérdida de potencia debida a esta “ayuda” sea mayor que la reducción de resistencia aerodinámica, debida al carenado de la cara exterior de la rueda…. Pero también nos podríamos encontrar que Ferrari gana velocidad punta, ya que es posible que se gane en eficiencia al alterar o variar el flujo de refrigeración, y esta ganancia o mejora, sea mayor que la pérdida aerodinámica.​
    • B: Observando las “aspas” del dispositivo (o al menos lo que parecen aspas….), y según la teoría de mecánica de fluidos “tradicional”, se trata de un ventilador o fan centrífugo; de esta forma, el aire no saldría por el orificio central que se observa en la llanta, si no que estaría entrando ¡¡¡¡.
      Ello sería compatible con el hecho de que Ferrari: ​
    1. Ha suprimido las tomas interiores de refrigeración, o las ha sustituido por otro “sistema”, quizás también centrífugo.​

    2. No las ha suprimido.​
    Caso de que no las haya suprimido, fijémonos en lo siguiente: si la toma interior existe, el aire se introducirá en ella; a altas velocidades, el fan centrífugo introducirá gran cantidad de aire, de tal forma, que es posible que el balance sea positivo hacia el exterior o hacia en interior, pero en poca medida; ello, comportaría que los frenos se refrigerarían menos a grandes velocidades (en recta por ejemplo) y más en curva; ello, convertiría a este sistema en un sistema muy aceptable, por cuanto se conservaría el calor de los discos, para ser aprovechados “convenientemente”; uno de los inconvenientes que siempre existen en circuitos con grandes rectas, es justamente ese: que los discos se enfrían en demasía, para que trabajen bien al final de recta, en curva o cuando sea necesario.
    Conclusiones:
    Como se ha podido comprobar, todo son especulaciones e hipótesis de lo que podría ser y comportarse. No tenemos el dispositivo en cuestión en nuestras manos, con lo que otra cosa, no es posible.
    Con todo lo dicho, es posible que Ferrari pierda resistencia aerodinámica, y por tanto gane velocidad punta, pero también es posible que incluso hasta pierda velocidad punta; todo dependerá del balance entre la potencia que se gana y la que se pierde.
    De todas formas, también hemos apuntado y esbozado un nuevo sistema de refrigeración, que al menos a primera vista, parece viable.
    Como conclusión diremos, que en términos de eficiencia de refrigeración, Ferrari ha acertado con la instalación de este dispositivo, y en cierta forma, prefiere esto, a aumentar la velocidad punta; de todas formas, es posible que incluso, ésta aumente.
    Las posibilidades, como hemos visto, son muchas y muy variadas. En resumen, si atendemos simplemente a cuestiones de carenado del hueco de las llantas, la resistencia se reduce considerablemente; pero no hay que perder de vista, que la refrigeración de los frenos es fundamental.
    Como se ha podido comprobar, todo son especulaciones e hipótesis de lo que podría ser y comportarse. No tenemos el dispositivo en cuestión en nuestras manos, con lo que otra cosa, no es posible. cambio

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