Aerodinamica de los coches: el aleron y el difusor
ForoCoches: Miembro
30-mar-2010 09:46
#1
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Este es un post que siempre he querido hacer de la aerodinamica de un coche, a ver si entre todos hacemos un post bueno. Bien lo primero es entender por que vuela un avion y como pasamos eso a un coche para hacer el efecto contrario, el downforce. Una ala tiene un perfil alar con cierta curvatura en su extrados y intrados, esta curvatura es lo que nos generara la sustentacion, normalmente 2/3 de la sustentacion se generan en el extrados, y 1/3 en el intrados.  Tomemos un flujo de aire con dos particulas paralelas a la misma velocidad justo antes de pasar por el perfil, bien estas particulas una vez llegan al pefil recorren caminos diferentes, una ira por el extrados y otra por el intrados, si nos damos cuenta este perfil por debajo es recto, y por arriba curvo, la particula que pasa por el extrados tiene que recorrer mas camino(esta curvado) y como hemos dicho antes las particulas van paralelas siempre, por lo tanto para poder ir igual de rapido la del extrados, tiene que acelerarse, al aumentar la velocidad disminuira la presion(bernoulli) por lo tanto tendremos una fuerza vertical, que sera la que nos genere la sustentacion. Bien ya tenemos nuestra fuerza que nos hace despegar. Existen distintos tipos de perfil, que segun nuestras necesidades usaremos uno u otro  Si os dais cuenta tienen unos numeros en porcentaje, este numero es referido al espesor del perfil, que es la relacion entre el ancho total frente a lo largo del perfil(cuerda) Cuanto menos espesor tenga, menos resistencia tendremos, claro esta, todo con un limite, no podemos hacer un perfil superfino ya que tenemos unos limites de dados por la contruccion y material empleado, si es muy fino se rompe. Tambien tenemos el angulo de ataque, cuanto mas angulo de ataque, mas sustentacion, pero que pasa si le damos demasiado? entra en perdida. Entrar en perdida significa que la corriente de aire que pasa por el extrados se despega del perfil, quedandonos sin fuerza de sustentacion. Esta capa de aire despegada sera turbulenta, y no obtenemos ningun beneficio con ella, acordaos en la F1 cuando un coche va detra de otro, que dicen que tiene aire sucio, ese aire es turbulento.    Aqui podemos observar como varia la sustentacion con el angulo de ataque, si os fijais en la grafica justo despues del pico de max. sustentacion tenemos una caida brusca, significa que hemos entrado en perdida.  Esta curva corresponde a un perfil naca 0012, ya de paso os enseño a leer un perfil, los NACA que son de los mas sencillos. 1ª cifra: expresa la ordenada máxima (Y) de la línea de curvatura, expresada en % de la cuerda, y medida a partir del borde de ataque. 2ª cifra: multiplicada por 10 expresa la posición (X) de dicha ordenada máxima en % de la cuerda 3ª y 4ª cifras: espesor máximo del perfil en % de la cuerda.  Por ejemplo el Naca 0012, el primer 0 significa que que no hay aflechamiento del perfil, osea que la linea de la cuerda y la de curvatura maxima coinciden, esto significa que es un perfil simetrico, el segundo 0, como no hay aflechamiento, no tenemos un punto maximo de aflechamiento,(por ejemplo en un naca 4412, el aflechamiento max. estaria en el 40% de la cuerda), y los 2 ultimos numeros es el espesor del perfil, la relacion cuerda/espesor es del 12% Y como aplicamos todo esto a una ala? Pues bien ahora todas estas fuerzas y efectos las metemos una ala de envergadura finita (longitud del ala), perfecto volamos peeero en el ala ocurren mas cosas, como por ejemplo los torbellinos en las puntas alares.  Estos torbellinos son creados por el avance del ala mas la diferencia de presiones en el extrados/intrados, un fluido siempre tiende a ir de la zona de mas presion a menos presion. a estos torbellinos se les llama resistencia inducida.  Estos torbellinos nos frenan, asi que no nos interesan, como los eliminamos? Poniendo unas placas verticales para evitar que pasen del intrados al extrados. En una ala la distriubucion de la fuerza de sustentacion el eliptica, y aqui tenemos un problema, la forma del ala lo ideal es eliptica tambien, pero es muchisimo mas dificil de construir, a cambio apenas tendriamos torbellinos en las puntas alares, en el caso de una ala rectangular es muy facil de construir pero tendriamos muchos torbellinos, lo que significa que nuestra ala tendria bastante resistencia inducida.  Para el calculo de cuanta sustentacion genera una ala podemos usar esta formula: L=1/2 x p x V² x A x Cl L= lift (sustentacion) Cl= coef. sustentacion V= velocidad A=area p=densidad Con todo esto le damos la vuelta a nuestra ala y tachan tenemos downforce para nuestro coche. DIFUSOR: El difusor basicamente trabaja igual, acelera el fluido generando un depresion que nos pega el coche al suelo, la ventaja es que apenas genera resistencia al avance (drag), eso si para que trabaje bien tiene que ir acompañado de un fondo plano, para que nos canalice aire laminar hacia el difusor( acordaos que el aire turbulento es nuesto enemigo), este fondo plano suele tener como mucho 3º de inclinacion, que nos dara un poco de downforce  Si os fijais tambien tiene curvatura, y unas aletas para redireccionar el flujo, consigiendo un flujo de salida algo mas limpio. Por ejemplo en el clio rs genera unos 70kg de downforce, y el difusor va desde la mitad de atras del coche hasta el difusor, con los escapes enrasados para evitar que los gases de escape y la onda sonora afecten lo menos posible al flujo.  El ferrari enzo genera en su totalidad 775 kg a 355 km/h (el difusor solo no, sino todo el conjunto)  Como se puede observar incluso los anclajes estan enrasados para evitar turbulencias Lotus exige S 100Kg todo el conjunto, a 160 km/h  Un exige mk1 a 200 km/h genera un downforce atras de unos 58 kg, y delante unos 20kg.  Aqui se ve como afecta el difusor al flujo de aire, en este caso un 599 gtb y un gumpert apollo, el apollo a 200 km/h genera 176 kg de downforce en la parte trasera.   En el caso del focus rs mkII tiene difusor pero no tiene fondo plano, aunque si que tiene un pequeño labio delantero, creando asi downforce en la parte frontal, este labio genera a 200 km/h un downforce de unos 8kg.  ALERON DELANTERO: En los turismos de competicion, si os fijais estan tirados al suelo, y tienen un labio frontal, ese labio frontal lo que nos hace es evitar que el aire pase por debajo del coche, y el poco que pasa se acelera, bajando su presion, al igual que en una ala si conseguimos tener baja presion por la zona de debajo del coche y alta presion por el techo, basicamente tendremos al coche funcionando como una ala invertida. A este labio y al faldon delantero del coche se le dice caja de aire.    En este Mclaren F1 se aprecia todo el labio delantero funcionando como un divisor de flujo, este labio puede llevar una forma de perfil alar o una inclinacion, generandose justo encima del labio una presion alta ya que es una zona de remanso del fluido, y justo cuando pasa el flujo por debajo una presion baja ya que se acelera el fluido. Aqui hay que matizar una cosa, a veces una caja de aire o un splitter no tienen por que generar una fuerza total negativa sobre el morro, a veces lo que se consigue es disminuir la fuerza vertical sobre el morro, esa fuerza sigue levantando el morro, pero en mucha menor medida. En los F1 tenemos un aleron delantero en el que trabaja tambien como una ala invertida generando downforce, pero si os fijais en los borde tiene tambien unas placa verticales, para evitar la resistencia inducida, y ademas tienen pefil para canalizar el aire hacia fuera y que no de contra las ruedas, que puede suponer el 40% de resistencia total de un F1  Otra de las cosas que se usa en el aleron delantero es el flap gurney, que es una lamina muy pequeña que se pone en el borde de salida del pefil alar, lo que nos hace es que cuando tenemos la capa limite despegada (nos entra en perdida el perfil) genera una depresion haciendo que el flujo vuelva a apegarse al perfil generando sustentacion de nuevo.   USO DE VARIOS PERFILES EN EL ALERON TRASERO: A la hora de usar solo un aleron, tenemos que conforme aumenta la velocidad, aumenta el numero de reynolds, cuanto mas alto sea mas turbulento, como lo evitamos? poniendo sucesivios alerones para seguir teniendo un flujo laminar y consiguiendo mas downforce.     Como podemos observar en el grafico a mas alas mas sustentacion (CL, coef. lift, coeficiente se sustentacion) Tambien podemos añadir otro perfil pequeño delante del perfil principal, haciendolo funcionar como slat, mas los posteriores flaps. Este slat lo que nos hace es apegar el flujo al perfil, evitando el desprendimiento de la capa limite a altos angulos de ataque.    Aqui se puede observar como al añadir mas flaps la sustentacion aumenta considerablemente, esi los angulos de ataque son menores, si los aumentamos demasiado entraria en perdida, para poder aumentar el angulo habria que añadir un slat, tambien hay que tener en cuenta que conforme añadimos mas elementos, mas resistencia tendremos. Ya que estamos con alerones traseros, voy a explicar como funciona el f-duct del mclaren  Como podemos observar en la toma de arriba parte del aire es canalizado hacia el aleron, y en la toma del morro tenemos un tubo que va hacia el susodicho, pero tiene un agujero el cual podemos tapar o no dejando pasar el aire o no hacia el aleron respectivamente. Bien como influye eso? tal que asi   Como se ve en la primera "foto" el aleron genera la maxima carga aerodinamica posible consiguiendo nuestro querido paso por curva, que es cuando el piloto no tapa el conducto, en la segunda "foto" permitimos que el aire pase hacia el aleron tapando el conducto por lo tanto rompemos la capa laminar del aleron, haciendola turbulenta y disminuyendo su resistencia, toooomaaa 7 km/h mas de velocidad punta, quien decia que un aleron no daba potencia?, y si lo pintan de amarillo ya si que no les coje nadie... (imagenes de F1aldia, y encontradas gracias a manzanera...) Como curiosidad en los F1 incluso las barras de suspension y direccion tienen perfil alar para mejorar la aerodinamica  En los coches de calle lo normal es que tiendan a generar sustentacion positiva, casualmente si mirais de lado un coche tiene forma de perfil alar.  Una de las cosas que se usan en aviones es el turbulador, en este caso en forma de zig zag, que lo que nos hace es "añadir" energia al fluido para que lleguea donde queremos, en este caso que no se creen pompas en el extrados del ala  Como veis en la zona del centro de la ala tiene como un "hueco", ese hueco es una pompa que se crea al separarse el aire  Como lo solucionamos? pues con el turbulador  Veis la linea en forma de zig zag en el borde de ataque? eso es el turbulador  Y como cojones le da mas energia al fluido el turbulador? facil, haciendo el flujo turbulento. Coomooo??? pero alwaysgreen no habias dicho que el turbulento es nuestro enemigo???? Si peroda la casualidad de que un flujo turbulento tiene mas energia y por lo tanto llega mejor hasta el final del perfil... CX, RESISTENCIA AL AVANCE: Cualquier cuerpo sumergido en un fluido tiene una resistencia al avance, como podemos comprobar si sacamos la mano por la ventanilla del coche y la ponemos primero horizontal y luego vertical, claramente cuando esta vertical tiene mucha mas resistencia. En los coches a la hora de avanzar a altas velocidades influyen basicamente 3 cosas: Superficie frontal, Cx y la potencia disponible, para este caso hay una formulita que nos dira cuanta potencia necesitamos unicamente para avanzar: 1/2 x densidad x Cx x S x V³= potencia Por ejemplo para un A3 S= 2.13 m² Cx=0.32 V=120 km/h  Solo para avanzar a 120 km/h a traves del aire usamos 21.03 cv De aqui deducimos que la resist. aerodinamica es exponencial, si aumentamos la velocidad en 10 km/h necesitaremos 30 cv mas no 10.(es un ejemplo sin calcular)  Lo que podemos hacer para conseguir mas velocidad punta es aumentar la potencia( habria que tener en cuenta tambien desarrollos, curva de potencia, etc.. pero esto es ya a nivel mecanico y este post es de aerodinamica), rebajar el Cx o la superficie frontal, como la superficie frontal apenas podemos tocarla, nos centraremos en el Cx. Para rebajar el Cx podemos añadir pequeños aditamientos aerodinamicos que hagan fluir el aire alrededor de grandes superficies, tambien hay que intentar que el aire pase de la forma mas laminar posible sobre todo el coche, como por ejemplo el uso de las placas verticales en el aleron frontal del F1 para evitar que el aire incida directamente sobre las ruedas. Las formas y dimensiones de las distintas partes de la carroceria tambien influyen en la resistencia, como la inclinacion de los parabrisas delantero y trasero, nervaduras de la carroceria, retrovisores etc.  Por ejemplo en este e90 las nervaduras del capo si os fiajis tienden a ir hacia fuera consiguiendo asi que el aire vaya hacia la zona de los retrovisores y puertas y evitando que incidan directamente sobre el parabrisas. Tambien nos influyen las entradas de aire del morro, a un flujo le cuesta mucho menos recorrer el contorno que pasar entre las rejillas. En la zona de la union entre el parabrisas y el capo, por la zona de los limpias, se crea una turbulencia, generando tambien una depresion en la zona, ya tenemos ahi mas resistencia y encima una pequeña sustentacion. Otra forma de mitigar la resistencia es enrasando las ventanillas, puertas, capo, tambien se puede usar unos deflectores pequeños en las ruedas.  Esto tambien se puede hacer, pero es un poco bestia.  Como se ve, se puede carenar ruedas, perfilar el morro hacia abajo, alargar el culo.... Si os fijais tiende a la forma de una gota de agua en caida, que es la forma mas perfecta aerodinamicamente hablando. Aqui un ejemplo de la influencia que tiene la forma del morro en el Cx  Conforme mas agachamos el morro, mas disminuye el Cx. Tambien influye la forma del morro  Tambien inflyue la forma del culo.  La elevacion del fondo del coche  RECORDAD QUE TODOS LOS ELEMENTOS AERODINAMICOS TRABAJAN EN CONJUNTO (paro aqui y luego sigo, voy a seguir recopilando info...) Libro que os recomiendo de aerodinamica: http://rapidshare.com/files/99085624...ompeticion.zip  Por favor si alguien quiere añadir algo que lo ponga, y entre todos hacer un buen post de aerodinamica. Gracias |
Editado: 03-abr-2010 23:23 -
club aeromodelismo FC nº 10 !!Shureste Racing!! Con guantes y a lo loco Nº7
ForoCoches: Miembro
30-mar-2010 09:51
#2
| hay que decir que el difusor canaliza el aire y "rellena" el vacío de rebufo que deja el alerón. |
ForoCoches: Miembro
30-mar-2010 09:56
#3
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En la zona del difusor se crea una depresion, asi que si no me equivoco creo que no es asi en, toda la parte posterior del coche hay una depresion... CONTINUO AQUI EL POST, QUE NO ME DEJA PONER MAS FOTOS EN EL PRIMERO. INFLUENCIA DEL RADIADOR Y SU SALIDA. En el caso de las tomas de los radiadores, lo ideal seria que no hubieren aberturas, pero claro hay que enfriar el aire de alguna manera....  Como vemos la forma ideal es la C, es la que menos nos incrementa el drag, y de las peores es como la que llevan normalmente los coches... He aqui un ejemplo de la C  Calculos relativos al tipo C, sutentacion y arrastre  EFECTO SUELO Como hemos visto en los coches lo que nos interesa es crear una depresion por debajo del coche, evitando que entre por la zona de abajo, en este caso la mayor expresion de este efecto con el chaparral 2J y el lotus 78 y el brabham bt46b.    El lotus usaba unas faldillas de goma en los laterales para evitar que entrara el aire, ademas estas faldillas se iban regulando en altura para ir adaptandose al firme, conseguia un paso por curva espectacular. Lo malo es que cualquier bache o salto hacia que se levantara el coche rompiendo el efecto suelo y lo hacia ingobernable, como paso con villenueve. El chaparral y el brabham usaban ademas unos ventiladores para succionar el aire, la putada es que despedia las piedras y les daban a los pilotos que iban detras.  INFLUENCIA DE LA ALTURA Y INLINACION DEL SUELO EN EL DOWNFORCE  Grafica de tres coches de la elevacion del morro en el Cz, cada linea son coches distintos 
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Editado: 03-may-2010 16:11 -
ForoCoches: Miembro
30-mar-2010 11:13
#7
| Si alguien tiene formulas de calculo de alerones,difusores o calculos de sustentacion que los ponga... |
ForoCoches: Miembro
30-mar-2010 11:37
#10
| muy currado, pero en cuanto a las formulas, como mucho te puedo poner la formula de bernuilli para fluidos,xD |
ForoCoches: Miembro
30-mar-2010 12:00
#11
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una chincheta no vendría mal al post!! 5 estrellas por este trabajazo |
ForoCoches: Miembro
30-mar-2010 12:19
#13
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Hola. Yo tengo un Clio y quería saber cuántos km/h puedo ganar si le pongo el difusor del Clio Sport. Saludos y buen forro. |
ForoCoches: Miembro
30-mar-2010 12:36
#14
 por favor los troles al general.Pero te voy a contestar: 0 patatero, para colocar un difusor lo ideal es hacerlo en conjunto con el fondo plano, y como he dicho mas arriba, el fondo plano con una inclinacion de unos 2º, al ser posible desde la parte de delante, ya que todos los tubos y conductos crean turbulencias, que son nefastas para el buen funcionamiento del difusor, tambien si os fijais los tubos de escape estan recortados a ras del difusor, para que los gases de escape influyan lo menos posible en el flujo laminar. Para cojer mas velocidad punta una de las cosas que se pueden hacer es bajar el coche, pero tampoco creas que vas a rebajar mucho el Cx, y si lo bajas ten en cuenta que a veces agrabamos el comportamiento del coche ya que puede aumentar la distancia del CG al centro de balanceo, y eso significa que fuerza x distancia = par, tendrias que jugar con la suspension y amortiguadores para minimizar las distancias del CG y CB Ala ahi tienes.... |
ForoCoches: Miembro
30-mar-2010 12:46
#15
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Perdona la coña, en parte era para subirte el hilo y en parte es porque cada vez se ven más coches con "difusor" y me pregunto yo cuántos de esos tienen de verdad un fondo plano. Saludos 
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ForoCoches: Miembro
30-mar-2010 13:03
#16
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a vale creia que eras un troll, lo siento Pues si no me equivoco, el 458 italia por ejemplo si que lleva, ademas en la zona del difusor lleva unos ventiladores que lo que hacen es succionar aire para pegar mas todavia el aire Gracias por la idea, a ver si recojo info de cuales lleva y cuales no |
ForoCoches: Miembro
30-mar-2010 14:18
#25
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5 estrellas alwaysgreen. Por cierto, si intersa como apunte, el nuevo CLio RS restyling consiguequeel SCx (factor de resistencia aerodinámica) disminuya 0,02 con respecto al anterior y llegue a 0,75 gracias a la lámina aerodinámica delantera que lleva en el Frontal. De la nota de prensa de Renault: Aerodynamics derived from Formula 1 technology Clio Renaultsport 200's aerodynamics include a new frontal blade, front-wing air-extractors and a rear air diffuser, a development which is unique for this segment. Thanks to these features which take their inspiration from Formula 1, Clio Renaultsport 200's aerodynamic drag has been cut by 0.02 compared with that of its predecessor to 0.753. www.renaultsport.co.uk El difusor del Nuevo CLio RS restyling, pese a ser de distinto diseño al del anterior al restyling, consiguen los mismos valores que el anterior ( 40kg de carga a velocidades medias, y 70 kg a altas velocidades). Un saludo. |
Editado: 30-mar-2010 14:37 -
ForoCoches: Miembro
30-mar-2010 14:27
#27
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En esta foto se puede apreciar bien: la lámina.  Un saludo. |
