Cómo mejorar la aerodinámica de un monoplaza de Fórmula 1

Dentro de un equipo de Fórmula 1, el departamento de aerodinámica es, si no el más importante de cara a diseñar el monoplaza, uno de los más importantes. Normalmente, estos departamentos se estructuran de manera similar en cada uno de los equipos. Así pues, dentro de éste departamento se pueden encontrar con distintos grupos encargados de distintas tareas como el diseño en 3D de los modelos del monoplaza, simulaciones CFD del diseño o los encargados de manejar el túnel de viento y recoger sus datos.

CFD

El primer paso de cara a diseñar y estudiar la aerodinámica de los monoplazas

El acrónimo CFD proviene del inglés Computational Fluid Dynamics, es decir, el estudio de los fluidos mediante simulación en un ordenador. Esta herramienta es el primer paso en un equipo de Fórmula 1 de cara a diseñar y estudiar la aerodinámica de sus monoplazas.

Así pues, dentro del departamento de aerodinámica, un grupo de ingenieros se encargan de diseñar las distintas partes como puede ser el suelo del monoplaza o los alerones del mismo. Una vez se ha llegado a un diseño prototipo, éste se diseña en un software de diseño 3D como puede ser los programas CATIA V5 o Siemens Nx (dependiendo de el equipo, se emplea uno u otro). Una vez se tiene el diseño del monoplaza listo, éste es importado a un programa de simulación CFD como puede ser OpenFoam o StarCCM+, donde se introducen distintos parámetros con los que simular el flujo en cuestión. Algunos de estos parámetros son la velocidad del aire, su densidad, etc.

Una vez se han realizado las simulaciones pertinentes, se recogen los distintos datos los cuales son analizados por los ingenieros. Tras analizar estos datos, como puede ser el downforce o el drag (entre otros muchos datos), los ingenieros dan o no el visto bueno al modelo, el cual sería replicado en una maqueta a escala que servirá para introducirla en un túnel de viento.

Hay que destacar, que aunque en los últimos años ha habido grandes avances en el campo de la aerodinámica con los que los distintos modelos empleados en las simulaciones se han visto notablemente mejorados, los datos obtenidos de éstas simulaciones no representan la realidad al completo. No obstante, son lo suficientemente fieles como para emplear esta herramienta en el diseño aerodinámico de un monoplaza de Fórmula 1.

Túnel de viento

Se realiza una maqueta a escala y se introduce al túnel de viento para analizar el diseño

Una vez se ha simulado un modelo prototipo y los ingenieros han dado el visto bueno tras analizar los datos obtenidos en las simulaciones CFD, una maqueta a escala (entorno al 60% el tamaño del monoplaza real) es introducida en un túnel de viento. Este tipo de instalaciones presentan uno o dos ventiladores los cuales son los encargados de soplar una gran corriente de aire hacia la maqueta. Las velocidades que alcanzan estos flujos suelen rondar los 180 km/h, que aunque pueda parecer mucho, no es la velocidad máxima que puede alcanzar un Fórmula (como ejemplo, en el pasado GP de Bakú Max Verstappen llegó a alcanzar los 350 km/h).

Si bien los túneles de viento fueron desarrollados en un principio para ser empleados en la industria de la aviación, éstos han ido evolucionando de modo que se puedan adaptar a los requerimientos de la Fórmula 1. Así, un túnel de viento de un equipo de F1 presenta además una cinta móvil que se mueve a la misma velocidad que el flujo de aire, llegando a simular así el efecto de unas ruedas móviles. Además, esto ayuda a obtener datos notablemente más precisos, puesto que hay una gran diferencia de comportamiento en el flujo frente a un suelo estático y frente a un suelo móvil (como en condiciones reales puesto que se es el monoplaza el que se mueve).

El principal objetivo del túnel de viento es el mismo que el de la herramienta CFD, testear el monoplaza de forma previa a su fabricación y puesta en marcha en pista. A diferencia de las maquetas con el monoplaza real, además de su tamaño, es el material del que se constituye la maqueta. Mientras que el monoplaza real es de fibra de carbono en su mayoría, el modelo del túnel de viento se constituye principalmente de aluminio, lo cual permite cambiar un área de la maqueta sin afectar al resto.

Para poder recopilar los distintos datos, en la maqueta se implementan distintos sensores de última generación con los que poder medir las distintas fuerzas de drag o downforce, los distintos momentos causados por tales fuerzas, etc. Estos datos recogidos son redirigidos a un ordenador para su interpretación. Estos datos se comparan con los obtenidos en CFD para su correlación. Si los datos satisfacen el criterio marcado por los ingenieros, se procede a construir la pieza real que se montará en el monoplaza final.

La ciencia detrás de los suelos de Fórmula 1

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Test en pista

Los monoplazas se impregnan de parafina para observar el comportamiento del flujo de aire en la superficie

Esta es la última fase de testeo de las partes de un F1. Normalmente, los test de pretemporada son importantes de cara a, no solo comprobar la fiabilidad del monoplaza, sino para ver que los datos obtenidos en CFD y túnel de viento coinciden con los obtenidos en pista. Durante la temporada, los equipos emplean las sesiones de entrenamiento previas a la clasificación y carrera para testear nuevas piezas además de buscar un set-up óptimo. Durante estas pruebas, los ingenieros impregnan una sustancia viscosa (parafina mezclada con un tinte) con la que poder observar el comportamiento del flujo en la superficie de interés, como puede ser el difusor.

Aunque una vez fabricada una pieza los ingenieros están bastante seguros de cual será su rendimiento, es muy posible que un nuevo alerón o un nuevo suelo no se comporten como se esperaba. Un ejemplo reciente es el caso del porpoising (del cual ya se ha hablado en un artículo anterior), el cual no se observó durante las distintas pruebas de diseño y que durante los test de pretemporada del 2022 sorprendió a toda la parrilla.

El escenario donde la mejora planteada no funcione es un contragolpe muy fuerte para los equipos tras la limitación en sus presupuestos de la temporada, puesto que los gastos llevados a cabo una vez realizadas todas las pruebas y fabricar la pieza son elevados. Es por ello que es muy normal observar múltiples cambios a lo largo del diseño de un monoplaza previo al comienzo de temporada, buscando los ingenieros estar lo más seguros posible del comportamiento del mismo.