Técnica: Difusores y pontones

Cuando los reglamentos técnicos de 2012 se publicaron el año pasado el mayor cambio fue en torno a la posición de salida de los gases de los escapes. Desde 2010 cuando Red Bull volvió a introducir el difusor soplado por el escape ( Exhaust Blowed Diffuser o EBD), los equipos fueron progresivamente adaptando sus salidas de escape y en el difusor obtuvo un efecto aerodinámico adicional.
Para el año 2012 la posición de los escapes se reguló en una posición más alta con salida apuntando hacia arriba y ligeramente hacia afuera. Sobre el papel las normas aparentaban evitar cualquier efecto de los escapes sobre el difusor.


Sin embargo, dos efectos aerodinámicos se han aprovechado para dirigir hacia abajo el penacho o estela del escape recreando algunos de los beneficios que estos efectos producían en el difusor soplado: El efecto Coanda y el de la Corriente Descendente (o Downwash).









Aunque inicialmente los equipos habían adoptado soluciones y cantidades diferentes de estos dos efectos. McLaren encontró una manera de darle forma a un carenado que cubriera al tubo y que sobresalía del pontón y nuevamente los escapes volvieron a utilizar estos efectos porque fueron capaces de dirigir constantemente la estela del escape hacia la brecha entre el difusor y el neumático trasero.






La solución de estos escapes en el pontón lateral, a la que llegó McLaren, ha demostrado ser la más ampliamente adoptada y se ha denominado por los medios una solución para los escapes de tipo"Coanda" . Aunque es sin duda un término inexacto, ya que el efecto de la corriente descendente es probablemente mayor que lo que produce el efecto Coanda en comparación con otras formas de pontones como los de Sauber, Red Bull o Lotus (abajo).









El flujo de los escapes saliendo como lo hacen actualmente tienen la particularidad de que a medida que el auto va ganando velocidad la acción de los dos efectos mencionados hace que la estela se vaya curvando hacia abajo hasta discurrir por los lados del difusor junto al talón de los neumáticos.



Como cualquier dispositivo aerodinámico un difusor requiere un flujo de aire en movimiento para crear su efecto antisustentante (downforce). Dado que a un coche de carreras la velocidad del aire en torno a él varía constantemente a largo de la pista, el enigma a resolver es la carga aerodinámica que va a necesitar en las curvas lentas justo cuando el flujo de aire es más lento por lógica.
Si artificialmente se podría hacer más rápido el flujo de aire que pasa por el coche, entonces se podría crear más carga aerodinámica para girar más rápido en las curvas. Mediante el uso de los gases de escape, los equipos están literalmente usando el motor como si fuera un ventilador para acelerar el flujo de aire sobre las superficies aerodinámicas.
El penacho o estela de los escapes crean un rápido movimiento del aire y que si es soplado sobre el difusor produce dos efectos: en primer lugar el caudal de aire que pasa a través del difusor es mayor y más carga aerodinámica generará.











El segundo factor en importancia es que ese flujo caliente está sellando el borde del difusor esto es el principal beneficio para los difusores soplados y aunque ya no se puede soplar directamente en el difusor con los cambios en las reglas, ahora se sopla a lo largo de los lados del difusor y esto sirve para sellar como si fuera una faldilla



En la medida que el difusor tiene baja presión en su interior,y el flujo de aire que pasa por el exterior al mismo crea una zona de alta presión la mezcla de ambas zonas lleva a la reducción de la carga aerodinámica. Además los neumáticos produce otro efecto no deseado en el flujo de aire del difusor y ese fenómeno es conocido como el "chorro de los neumático".
Tener la salida de los gases calientes a lo largo de los bordes del difusor permite mantener a estas regiones de presiones separadas y al mismo tiempo permite prevenir el chorro del neumático alterando la función del difusor.
La prevención de estos efectos significa tener un difusor más eficiente con el beneficio adicional de tener una altura superior haciendo que el difusor tenga un volumen más grande que aumenta su potencial para crear más carga aerodinámica. Todos estos efectos multiplican la posibilidad de crear más carga aerodinámica en la parte trasera del coche haciéndola más eficiente.




Las reglas para 2012 obligaron colocar los tubos de escape a un mínimo de 25 cm por encima del plano de referencia y muy por delante del difusor y también prohíben cualquier artificio sobre la carrocería que podría ser utilizado para desviar hacia abajo la estela de los escapes.
Desde el 2009 el pontón lateral ya estaba restringido por las reglas y carrocería debía tener un radio de curvatura mínimo por lo que los equipos están muy restringidos sobre lo que pueden hacer para manipular la pluma de los gases calientes. Varios equipos acudieron al pensamiento lateral en la búsqueda de una solución y la aplicación del efecto Coanda fue concebido por McLaren.






Con esta configuración de la salida del canal (en amarillo) con el extremo curvado hacia abajo, una vez en velocidad, la estela del escape se curvará hacia abajo siguiendo la forma de la parte posterior del canal del tubo de escape por el efecto Coanda y arrastrado por el flujo de aire que pasa por encima y por el lateral del pontón por deflexión de ambas corrientes de aire.









La mayoría de los fenómenos relacionados con fluidos muchas veces superan nuestro sentido común, cimentado por nuestra experiencia previa con los sólidos. El Efecto Coanda es uno de ellos. Si vertimos sal desde cierta altura sobre un cilindro cualquiera tendido horizontalmente, veremos que cada partícula experimentará un choque inelástico y cambiará su dirección en correspondencia con su ángulo de incidencia sobre la superficie. Pero si cambiamos la sal por el humo producido por una varita de incienso, y acercamos éste al cilindro, que puede ser de cualquier material, colocado de manera horizontal, veremos algo totalmente diferente: el flujo de humo se pegará y seguirá el contorno de la superficie del vaso:; entonces:





El Efecto Coanda se puede definir formalmente como la tendencia de un fluido a adherirse y a seguir el contorno convexo de un cuerpo adyacente.

El nombre es en honor a Henri Coandă (1886-1972), ingeniero rumano, quien lo descubrió en 1910.



La cosa fue así: Este gran inventor ideó el primer avión a reacción que ven en la foto en ese mismo año, 1910, cuando le aplicó a un motor "normal" sendas cámaras de combustión que inflamaban el combustible y los gases producidos se despedían hacia atrás produciendo el lógico impulso obedeciendo a la ley de Newton.
Mientras probaba el motor a plena marcha el avión salió empujado hacia adelante que levantó vuelo ante la desesperación de su creador que ¡no era piloto! y entre corcovos antes de estrellarse despidió a su ocasional jinete terminando envuelto en llamas.
Coanda aún en la desesperada situación tuvo la visión de aquellos gases y llamas que, salidos del motor, no se alejaban sino que se adherían al estrecho fuselaje que fue el motivo para que él pasara a la historia como su descubridor y no como el creador de ese primer reactor tres décadas antes del primer avión reconocido como tal.

Este efecto ha servido para el desarrollo de la ingeniería aérea y automotriz, la construcción de aparatos de aire acondicionado, y ha servido, entre otras muchas cosas, para explicar los efectos en la agricultura y vegetación debido al cambio de dirección de los vientos producido por la orografía.
En otro caso curioso, los escarabajos bombarderos (Paussinae) repelen a sus enemigos por medio de un spray químico que es secretado por una glándula situada en la parte trasera de su abdomen. Cuando deciden atacar, el flujo químico resbala a través de su abdomen desde atrás haciendo que salga disparado hacia el frente. Un extraordinario ejemplo de como los animales utilizan el Efecto Coanda para sobrevivir.




Es esta pruebas libres de Yeongam por primera vez se obtuvieron fotografías del orificio que alimenta el conducto en el alerón del Red Bull RB8 al que se lo considera un doble DRS y sobre el que lo describo en el post anterior sobre el mismo.




Es evidente que este sistema, muy simple, ha sido lo suficientemente efectivo como para que el RB8 haya recuperado su superioridad ya vista en Suzuka donde Vettel logró todo lo que se propuso









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Aunque la novedad se hace presente en Suzuka, en realidad el sistema había sido ensayado en Monza en el mayor de los secretos pero dada lo veloz del trazado italiano sus uso era inviable debido a la escasa carga aerodinámica con la que se ajustan los alerones. Usarlo allí no da ninguna ventaja y en Singapur por ser lo opuesto, una pista lenta, tampoco aconsejaba su uso pero en los dos grandes premios siguientes sus ventajas están a la vista.



























Lo mismo que otros equipos, Adrian Newey se avino a realizar modificaciones en la parte final del pontón para aprovechar el efecto Coanda sobre la salida de los gases de los escapes.
Abajo vemos la disposición primitiva de esa salida...


Pero ya para Corea la salida del tubo de escape tiene otra forma que se asemeja más a la salida de los McLaren...







Durante las últimas carreras Lotus ha tenido su "dispositivo de reducción de arrastre" (ó DRS) con un prototipo instalado en el alerón. Se trata de un sistema basado en conductos y no está vinculada al funcionamiento normal del DRS que mueve el flap superior.
Misteriosamente descrito por Lotus como el "prototipo", la mayoría de la gente en el paddock siguen llamándolo DDRS (Doble DRS), ya que, aunque no es parte de ese dispositivo,, su objetivo es reducir la resistencia al avance, o arrastre, en las rectas y en las curvas de alta velocidad.




El dispositivo puede ser reconocido por las dos entradas a los lados de la toma de aire del motor en lo alto del arco antivuelco y por los conductos que salen de la cubierta del motor entre las partes superior e inferior del alerón.
Esto fue probado por primera vez en los entrenamientos libres del viernes en Hungría y otra vez en Alemania, aunque sólo en el coche de Raikkonen. Para el Gran Premio de Bélgica y desde entonces el sistema se ha aplicado a los dos coches.



A diferencia de Mercedes cuyo sistema se basa en la acción sobre el spoiler para equilibrar la aerodinámica cuando el DRS actúa sobre el alerón cuando se utiliza en la clasificación y más limitado en la carrera, el sistema Lotus es pasivo y no está vinculada a un interruptor externo. En cambio, el sistema utiliza la velocidad creciente para enviar un mayor flujo hacia las ranuras debajo del cuerpo del alerón para detener la continuidad el flujo de aire y reducir la resistencia (y la carga aerodinámica).






Tener un sistema pasivo significa que el dispositivo de Lotus se puede utilizar para detener el flujo bajo el ala por encima de una determinada velocidad en cada vuelta, es decir, la pequeña ventaja de esos 5 a 8 km/h en la velocidad punta, está disponible en cada curva y recta rápidas y la pequeña diferencia se va acumulando.
Como el sistema está en sintonía con la velocidad aerodinámica, el ala se pueden diseñar para funcionar a velocidades lo suficientemente altas como para permitir que para las curvas rápidas se adopta el alerón adecuado ya que a estas velocidades el difusor proporciona suficiente carga aerodinámica y un alerón demasiado cargado aerodinámicamente no es necesario. Normalmente los equipos calculan que esta desestabilización se produce a una velocidad de más de 250 kmh.










Hay dos efectos aerodinámicos que se utilizan con este dispositivo, el método para «cambiar» el aire pasante: el efecto de soplado por encima de ciertas velocidades y el efecto de paralizar la acción deportante del alerón trasero.






El efecto 'disyuntor' como se ha descrito anteriormente es pasivo, sin partes móviles o interacción externa pero es evidente que hay algo inteligente dentro de la canalización entre las entradas de aire hasta el conducto central de salida por la cola y su vinculación con el conducto en "L".
Se sospecha que estos están relacionados con las dos bridas de salida en el conducto unido a la caja de aire del motor. No está claro si este conducto está de alguna manera relacionado con esa cámara tranquilizadora de la admisión y las presiones creadas dentro de ella.
Las sospechas es que un interruptor completamente pasivo puede estar siendo utilizado sin la interferencia de las presiones de la caja del motor.



A velocidades bajas, el flujo a través del conducto permanece unido a la superficie de los conductos para dirigir el flujo a través de una de las salidas de las brida y hacia la salida del conducto principal en el sector de la viga central de soporte saliendo por la sección permitida por reglamento.




A mayores velocidades el flujo se separa y penetra es el conducto vertical saliendo por las ranuras a ambos lados de la torre central y actúa sobre la base del cuerpo alar principal del alerón desestabilizando el aire adherido a esa superficie produciendo una reducción en el arrastre.





Se ha visto ensayos por parte de Mercedes un dispositivo similar en su coche en Spa, y los otros equipos adoptaron sistemas similares. La ganancia del sistema es pequeña pero todo lo que mejora la eficiencia aerodinámica será útil, si se permite una mayor velocidad máxima para un nivel de carga aerodinámica dada, o a la inversa, un aumento en el nivel de carga aerodinámica para una velocidad limitada. La ganancia es probable que no vale más de una décima por vuelta y limitada sólo a los circuitos rápidos y semirrápidos..
Un problema que enfrenta la FIA y los otros equipos es que la solución del DDRS de Mercedes se prohibirá en el año 2013, a través de la redacción expresa para evitar el uso secundario de una abertura en el DRS pero al ser pasivo, el sistema Lotus no emplea esta solución para disminuir el arrastre y como destacan en Lotus el sistema será legal para 2013 pero la FIA es probable que encuentre fuera de la ley a este método de reducción de la resistencia.













En comparación, abajo vemos la versión anterior desde distintos ángulos...






El escape de los Lotus también aprovecha el efecto Coanda y para medir sus posibilidades en Yeongam se colocó un dispositivo de recogida de datos en la entrada al techo del difusor como se ve en la imagen inferior...



Los cuadraditos celestes son de un material termosensible para registrar las temperaturas incidentes en ese sector y de esa manera saber si el efecto Coanda se produce y hasta qué punto.


En esta otra toma se ve la saliente del carenado del tubo de escape para que sea similar en aspecto y en funcionalidad a la solución de McLaren

El LotusE20 Renault en imágenes












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