¿Qué es la simulación CFD?

En este artículo del IAD vamos a volver a hablar de aerodinámica, uno de los parámetros más importantes a la hora de construir un auto de competición.

Con el pasar de los años y los avances de la tecnología, la simulación en CFD (Computational fluid dynamic) o dinámica de fluidos computacional se ha convertido en un aliado muy fuerte junto al túnel de viento para mejorar la aerodinámica de un auto de carreras, vamos a ver como funciona.

La simulación CFD es, junto con el túnel de viento, una de las principales herramientas de desarrollo aerodinámico tanto en la competición como en la industria. Esta herramienta permite simular el comportamiento de cualquier fluido (en nuestro caso el aire) en un sistema mediante el cálculo computacional. Dicha herramienta se fue desarrollando lentamente durante el siglo pasado, pero cobró una gran importancia en la Fórmula 1 y en categorías de mucho presupuesto a finales de los años 90 y principios del nuevo siglo.

Ahora bien, ¿Por qué es necesario el empleo de computadoras? El comportamiento de los fluidos viene determinado por una serie de ecuaciones (ecuaciones de Navier-Stokes) muy complejas, que sólo se pueden resolver directamente en casos muy específicos y sencillos. Como ya se imaginaran, el comportamiento del aire alrededor de un auto de carreras no es nada sencillo, y mucho más de un auto de Fórmula 1, que es un auto exclusivamente creado para correr. Por tanto, las ecuaciones no se pueden resolver analíticamente. Para ello, se lleva a cabo una aproximación del problema, que vamos a explicar a continuación.
Nuestro sistema es el aire que rodea al auto, también conocido como campo fluido. El volumen total que ocupa dicho aire se divide en bloques muy pequeños, que llamamos celdas. Es decir, donde antes teníamos un gran volumen lleno de aire, ahora tenemos millones de pequeñas celdas. Tras esto, las ecuaciones que modelan el comportamiento del fluido se aproximan mediante un método matemático (no vamos a entrar a explicarlo) y se resuelven para cada una de las celdas. Finalmente, se obtienen los resultados en cada una de las celdas de algunos parámetros aerodinámicos como la densidad, la presión o la velocidad del aire. Trabajando con estos resultados, se puede obtener fácilmente las fuerzas y la distribución de presiones sobre el monoplaza. Es decir, conseguimos obtener los mismos resultados que en el túnel de viento.

Cómo se realiza una simulación CFD

Cualquier simulación CFD se divide en tres etapas, que son el preproceso, cálculo y postproceso.

Preproceso.

Durante el preproceso se define el sistema que se va a simular. Para ello, se especifica qué material se emplea (en este caso aire) así como las físicas que afectan al problema. Todos los parámetros que permitan calcular el número de Reynolds se indicarán de una u otra forma. Dentro de este apartado se deben elegir los distintos modelos de turbulencia o de energía que se van a resolver durante la simulación, así como sus condiciones de contorno. Lo que hará el ingeniero en esta fase será preparar la simulación para que reproduzca cómo se comportaría el aire en la realidad.

Tras esto, partiendo del modelo en 3D del auto a analizar, se crea un prisma que rodea a dicho vehículo. Este será el túnel de viento virtual y representará el aire que rodea al automóvil. Una vez que se tiene dicho túnel de viento, se procede a crear el mallado, es decir, dividirlo en pequeñas celdas. Dichas celdas pueden ser bidimensionales (triángulos o cuadriláteros) o tridimensionales (tetraedros, hexaedros, etc).

Cálculo.
Una vez que se ha terminado el preproceso con la creación de la malla, se comienza el cálculo, resolviendo automáticamente todas las ecuaciones en cada una de las celdas. Este paso es, junto con la creación de la malla, el que más tiempo necesita y varía en función de la capacidad de cálculo de la computadora que se utiliza. Generalmente, a pesar de que los equipos emplean grandes servidores o supercomputadoras, esta etapa tarda unas cuantas horas.

Postproceso.
Finalmente, cuando el cálculo ha finalizado, se puede realizar el postproceso de los resultados. En esta etapa se comprueba que la solución es fiable y se analizan los distintos valores aerodinámicos. Además, se puede estudiar mediante imágenes 3D el camino que sigue el aire alrededor del auto, en qué zonas se despega la capa límite o si los vórtices generados benefician al funcionamiento del auto de carreras.

Software de CFD Analysis más conocidos.

Algunos de los software de CFD que se suelen utilizar son:

ANSYS FLUENT
VS AERO
CATIA
AUTODESK
PHOENICS

Hardware utilizado para CFD análisis.
Como comentamos en la parte del cálculo, para realizar los mismos, los grandes equipos utilizan computadoras de mucha capacidad de procesamiento para lograr resolver las miles de ecuaciones que se formaron en las celdas. Veamos un ejemplo de lo que se utiliza.