¿Qué es la resistencia?
La resistencia aerodinámica es una fuerza de resistencia que se opone al movimiento de un objeto cuando se desplaza en un fluido, como el aire o el agua.
Se genera por la interacción entre el objeto y el fluido, y se manifiesta en forma de fuerzas de rozamiento fluido y de presión. La resistencia se expresa generalmente en Newtons (N) y se cuantifica a menudo mediante una magnitud llamada coeficiente de resistencia.
El uso del coeficiente de resistencia se remonta a siglos, con las primeras observaciones y esfuerzos por entender las fuerzas de resistencia en el contexto aerodinámico. Sin embargo, fue en el siglo XIX cuando científicos como George Gabriel Stokes comenzaron a formalizar el concepto y a desarrollar teorías matemáticas para cuantificar la resistencia. Desde entonces, la investigación sobre la resistencia ha desempeñado un papel esencial en el desarrollo de la aviación, del automóvil, del diseño de los edificios y de numerosas actividades deportivas.
En resumen, la resistencia es una fuerza de resistencia encontrada durante el desplazamiento de un objeto en un fluido; el coeficiente de resistencia permite cuantificarla. Comprender y dominar la resistencia es esencial para optimizar el rendimiento, la eficiencia y la seguridad de los objetos en movimiento.
Importancia del coeficiente de resistencia
El coeficiente de resistencia es una medida que permite cuantificar la resistencia del aire o de un fluido frente al movimiento de un objeto. Desempeña un papel clave en aviación, automóvil, en los deportes de deslizamiento o incluso en la arquitectura de los edificios. Comprender y dominar esta fuerza de resistencia es crucial para optimizar el rendimiento y la eficiencia de numerosas aplicaciones.
En el ámbito de la aviación, reducir la resistencia es una preocupación mayor: al minimizar esta resistencia, los ingenieros pueden aumentar la velocidad y la eficiencia energética de los aviones, reducir el consumo de combustible y mejorar su autonomía. También se han logrado avances en la mejora de la sustentación de las aeronaves (detallada más adelante), conduciendo a progresos significativos en el diseño de las alas.
La industria automovilística también busca minimizar esta resistencia para reducir el consumo energético de los coches y mejorar su autonomía — una problemática aún más de actualidad con la aparición de los vehículos eléctricos. Los deportes de motor (como la Fórmula 1) buscan por su parte maximizar la aerodinámica para mejorar la estabilidad, el agarre y el rendimiento.
Del mismo modo, en los deportes de deslizamiento (esquí alpino, snowboard) o el ciclismo, la reducción de la resistencia permite alcanzar velocidades más elevadas minimizando las fuerzas de resistencia y optimizando la penetración en el aire. Esto conduce a avances en el diseño de cascos de ciclismo y de otros equipos deportivos.
La arquitectura de los edificios también se ve influida por los principios de la resistencia: al diseñar estructuras aerodinámicas, los arquitectos reducen las fuerzas ejercidas por los vientos violentos y mejoran la seguridad y la estabilidad de las construcciones (los puentes, por ejemplo).
El coeficiente de resistencia es, por tanto, una medida crucial en todos los ámbitos que requieren una interacción entre un objeto y un fluido.
Cálculo del coeficiente de resistencia
Definición
La fuerza de resistencia, denotada D (por Drag en inglés), viene dada por la siguiente fórmula:
Donde
- ρ — la densidad del fluido
- v — la velocidad relativa entre el objeto estudiado y el fluido
- S — la superficie de referencia (proyección del objeto sobre un plano perpendicular al flujo)
- Cx — el coeficiente de resistencia (a veces denotado CD)
Esta fuerza depende, por tanto, de las características del fluido (densidad), del objeto (forma y rugosidad) y de la velocidad relativa entre el objeto y el fluido. El coeficiente de resistencia Cx se obtiene relacionando la fuerza de resistencia con la presión dinámica y con la superficie de referencia:
Hay que señalar que el coeficiente de resistencia no es una magnitud constante: depende de las propiedades del fluido en flujo, de la forma del objeto y de la rugosidad de la superficie. De manera más avanzada, se demuestra que el coeficiente CD depende del número de Reynolds.
Nota — el coeficiente de sustentación (o de carga aerodinámica en algunos casos) se define de la misma manera:
Donde
- ρ — la densidad del fluido
- v — la velocidad relativa entre el objeto y el fluido
- S — la superficie de referencia del objeto
- CL — el coeficiente de sustentación (Lift): sustentación si FL > 0, carga aerodinámica si FL < 0
Coeficiente de resistencia y número de Reynolds
El número de Reynolds (Re) es una magnitud adimensional que caracteriza el régimen de flujo de un fluido. Se calcula dividiendo el producto de la velocidad, de la longitud característica y de la densidad del fluido entre su viscosidad:
Donde
- v — la velocidad del fluido
- L — la longitud característica
- ρ — la densidad del fluido
- μ — la viscosidad cinemática del fluido
El número de Reynolds permite determinar si el flujo es laminar (Re bajo) o turbulento (Re elevado). Un flujo laminar corresponde a partículas de fluido que se desplazan en capas regulares y ordenadas; un flujo turbulento se caracteriza por movimientos caóticos e irregulares.
Se demuestra que el coeficiente de resistencia depende del número de Reynolds. Para una esfera lisa (curva roja de abajo), el Cx disminuye primero cuando el Reynolds aumenta, y luego se estabiliza en torno a un valor constante. Existe un rango restringido a alto Reynolds para el que el Cx cae y luego vuelve a aumentar: este fenómeno, llamado crisis de resistencia, marca la transición de un flujo laminar hacia la turbulencia — ligado a un desprendimiento de la capa límite más tardío sobre la superficie.
Tomemos el ejemplo de la pelota de golf: los hoyuelos en superficie favorecen la transición hacia la turbulencia y permiten una readherencia de la capa límite. Con un Reynolds comprendido entre 10⁴ y 10⁵, la pelota se sitúa en el dominio de la crisis de resistencia, lo que le permite recorrer distancias mayores.
Influencia de la forma de un cuerpo en la resistencia
La forma de un cuerpo tiene una influencia mayor sobre la fuerza de resistencia. Los objetos de forma perfilada o aerodinámica (aviones, coches de carreras) tienen generalmente coeficientes de resistencia más bajos, gracias a la reducción de la superficie de interacción con el aire y a un flujo más liso y laminar.
En cambio, los objetos de forma plana o angular (camiones, edificios) tienen coeficientes más elevados: estas formas crean más turbulencias y remolinos de aire, aumentando la resistencia al flujo y la resistencia aerodinámica.
Aerodinámica de los vehículos
Noción de capa límite
La capa límite es una fina región cerca de la superficie de un objeto donde los efectos de la viscosidad del fluido se vuelven importantes: la velocidad del fluido cerca de la superficie se ve ralentizada por el rozamiento. Desempeña un papel crucial en la transición entre flujos laminar y turbulento, y en la formación de la estela detrás de los objetos en movimiento.
La noción de capa límite, desarrollada por Ludwig Prandtl en 1905, debe ajustarse según las situaciones prácticas, en particular en presencia de flujos turbulentos aguas arriba de un cuerpo: estas condiciones modifican los perfiles de velocidad, con la aparición de una capa límite turbulenta.
Cuando los cuerpos sólidos están mal perfilados, esto puede conducir al desprendimiento de las capas límite, generando una estela turbulenta aguas abajo. El flujo deja entonces de comportarse como un fluido perfecto, provocando un aumento notable de la disipación de energía y de la fuerza de resistencia.
Ala de avión — control de capa límite
La fuerza aerodinámica importante para un ala de avión es la fuerza de sustentación. Se genera por efecto Magnus gracias a la circulación de la velocidad alrededor del ala. Para mantener la aeronave en vuelo, la fuerza de sustentación (FL) debe compensar su peso. Esta fuerza crece proporcionalmente al cuadrado de la velocidad y de forma lineal con el ángulo de incidencia (α) cuando este es pequeño:
Donde
- ρ — la densidad del fluido
- b — la envergadura del ala
- l — la cuerda del ala
- v — la velocidad del ala en el aire (velocidad del avión)
- α — el ángulo de incidencia
Cuanto más aumenta el ángulo α, más aumenta la sustentación — es el efecto buscado. Sin embargo, cuando α supera un valor crítico αc, se produce el fenómeno de entrada en pérdida: la sustentación disminuye fuertemente y la fórmula deja de ser válida. Por tanto, hay que evitarlo, en particular en la aviación civil.
Dos enfoques habituales para mejorar el rendimiento de las alas: aumentar el ángulo crítico de incidencia mediante slats de borde de ataque, y aumentar el coeficiente de sustentación para un ángulo dado mediante flaps de borde de fuga.
Los slats de borde de ataque aumentan el ángulo crítico de incidencia reactivando la capa límite del extradós mediante la inyección de aire tangencial proveniente del intradós, lo que reduce el efecto del gradiente de presión inverso a gran incidencia.
Los flaps de borde de fuga aumentan la circulación alrededor del perfil del ala, elevando la sustentación para un ángulo de incidencia dado. En los grandes aviones, estos flaps pueden usarse en serie para aumentar la sustentación en el despegue y el aterrizaje: reactivan la capa límite en el extradós e inducen una fuerte desviación de la velocidad del flujo hacia abajo.
Caso de los vehículos terrestres
Retos — para los vehículos terrestres, la minimización de la fuerza de resistencia es crucial para mejorar la eficiencia energética. Esta fuerza se genera principalmente por la diferencia de presión entre la parte delantera y la trasera del vehículo. A diferencia de los aviones, donde el rozamiento con el aire domina, la presión desempeña aquí un papel predominante.
Una característica importante de los coches es que la fuerza de sustentación debe orientarse hacia abajo para mantener un buen agarre de los neumáticos. Esto contribuye a una mejor estabilidad; pero una sustentación excesiva puede provocar un desgaste prematuro de los neumáticos y rozamientos excesivos. Encontrar el equilibrio adecuado entre reducir la resistencia y mantener una sustentación suficiente es un reto para los ingenieros de automoción.
Reducción de la resistencia — el esfuerzo se concentra en particular en formas de carrocería más aerodinámicas. Con los años, los fabricantes han reducido el coeficiente de resistencia (Cx), pasado de más de 0,5 para los coches antiguos a menos de 0,3 para los vehículos modernos, mejorando la eficiencia energética y reduciendo el consumo.
Sin embargo, la reducción de la resistencia debe equilibrarse con otras exigencias (habitabilidad, visibilidad), lo que requiere compromisos. Gran parte de la resistencia se genera en la parte trasera del vehículo, donde los desprendimientos de capa límite y la formación de remolinos influyen en la resistencia. Los ingenieros utilizan modelos estándar como el cuerpo de Ahmed para estudiar el impacto de parámetros como el ángulo de la luneta trasera.
Los estudios revelan que la resistencia varía de manera no monótona según el ángulo de inclinación: a ángulos pequeños, la contribución de la recirculación transversal puede reducirse mientras que el efecto de los remolinos axiales se amplifica. Esto subraya la complejidad de la aerodinámica de los vehículos. Por último, mantener una carga aerodinámica negativa suficiente garantiza una buena estabilidad a alta velocidad. Para los Fórmula 1, que ruedan a unos 250 km/h, sistemas como los alerones mejoran el apoyo — a costa de una resistencia mayor.
Control activo o pasivo de la resistencia o de la sustentación
Las mejoras aerodinámicas — añadir deflectores de techo en los camiones, modificar la forma de los retrovisores — pueden reducir la resistencia de manera pasiva, sin aporte de energía. En control activo, la acción se ajusta en tiempo real según las condiciones del flujo, ya sea manualmente por el piloto (bucle abierto) o automáticamente por un ordenador (bucle cerrado).
Por ejemplo, para evitar el desprendimiento de las capas límite, se puede aspirar o inyectar aire cerca de la pared para mantener un flujo estable — aunque esto requiere una potencia adicional y se usa poco en la práctica. El control reactivo en bucle cerrado, aún en fase de investigación, implica dispositivos como generadores de vórtices motorizados, con aplicaciones potenciales en particular en aeronáutica.
El cálculo del coeficiente de resistencia en simulación CFD
Ventajas de la simulación CFD
El uso de la dinámica de fluidos numérica (CFD) presenta varias ventajas frente a los ensayos en túnel de viento tradicionales. En primer lugar, la CFD permite realizar simulaciones virtuales, evitando los costes y los plazos asociados a la construcción y la explotación de túneles de viento físicos (instalaciones especializadas, maquetas costosas, equipos de medición precisos).
Además, la CFD ofrece una mayor flexibilidad en el diseño y los parámetros de estudio: es más fácil modificar la geometría del objeto, las condiciones de flujo o las propiedades del fluido. Esto permite explorar un mayor número de escenarios y optimizar el diseño de forma más eficaz.
Además, la CFD ofrece una mejor visualización y un análisis más detallado: líneas de flujo, zonas de turbulencia, gradientes de presión… toda una información que permite comprender mejor los fenómenos aerodinámicos e identificar las áreas de mejora.
Por último, la CFD permite explorar una gama más amplia de condiciones de flujo: condiciones extremas, velocidades elevadas, temperaturas diferentes… ofreciendo una mayor flexibilidad para probar y validar el rendimiento en condiciones reales — algo que EOLIOS está en condiciones de realizar.
Determinación de los coeficientes aerodinámicos
Para determinar el coeficiente de resistencia (y el coeficiente de sustentación), ya sea en simulación CFD o por método experimental, hay que comprender la distribución de presión sobre la superficie del cuerpo. Las fuerzas viscosas de cizalladura también deben tenerse en cuenta sobre la totalidad de la superficie.
Integrando la distribución de presión sobre la superficie del objeto, se puede remontar a la fuerza de resistencia y al coeficiente de resistencia. Gracias a los programas CFD, se puede predecir el valor de los coeficientes aerodinámicos directamente tras la simulación.
La determinación de los coeficientes aerodinámicos es una etapa crucial en el diseño y la optimización de todo objeto sometido a fuerzas aerodinámicas. Esta información mejora el rendimiento en términos de resistencia, de sustentación y de estabilidad, y es esencial en aeronáutica, automóvil o deporte.
Simulación CFD de un Fórmula 1
Contexto
La aerodinámica desempeña un papel crucial en el rendimiento de los coches de Fórmula 1, donde cada milisegundo cuenta. Un coche bien diseñado puede generar niveles de carga aerodinámica elevados, mejorando el agarre de los neumáticos y permitiendo velocidades en curva más elevadas; la reducción de la resistencia permite alcanzar velocidades punta más elevadas en recta.
En este contexto, la simulación por CFD se ha convertido en una herramienta indispensable para los equipos de Fórmula 1. Permite modelar numéricamente el comportamiento del flujo de aire alrededor del coche (velocidad, presión, turbulencia) y aporta información crucial sobre cómo las configuraciones aerodinámicas afectan al rendimiento — en particular los valores de los coeficientes aerodinámicos y de las fuerzas.
En este contexto, EOLIOS realizó simulaciones sobre un Fórmula 1 para determinar estos coeficientes aerodinámicos y poner de manifiesto los fenómenos responsables de las distintas fuerzas.
Campo de velocidad
La observación principal es que la presencia del coche perturba significativamente el campo de velocidad circundante, particularmente en la parte trasera donde el flujo es « muy perturbado y desordenado » — características típicas de un flujo turbulento.
El flujo turbulento se distingue por su irregularidad y su complejidad, resultante de la formación de remolinos, de fluctuaciones de presión y de movimientos caóticos. Puede generarse por la separación de la capa límite alrededor de la carrocería y las interacciones con el aire circundante. Estas características aumentan la resistencia aerodinámica, reducen la eficiencia energética e incrementan la inestabilidad a alta velocidad: su comprensión es esencial para optimizar el diseño.
Fuerza de resistencia
Se observa detrás del coche una zona de depresión que está en gran parte en el origen de la resistencia. El flujo turbulento detrás del fórmula es nocivo para la aerodinámica: al aire le cuesta contornear el objeto, creando una sobrepresión delante y luego una depresión detrás.
En competición, en las rectas, los pilotos aprovechan esta depresión en la parte trasera del vehículo que les precede para adelantar: el coche que sigue ya no debe « hendir » el aire, la diferencia de presión entre delante y detrás — y por tanto la resistencia — se ven reducidas. Se dice que aprovecha el « rebufo ».
El programa de simulación CFD permite determinar los valores de las fuerzas y de los coeficientes aerodinámicos. En nuestras simulaciones, el coeficiente de resistencia se evalúa en torno a 0,92 (valor estándar para un F1) y la fuerza de resistencia vale F = 1900 N. El cálculo teórico con una superficie S = 1,5 m² da Fd = 2070 N, próximo al valor simulado (siendo la superficie S adoptada para este orden de magnitud aproximada).
Vorticidad
La vorticidad mide la rotación de un fluido alrededor de un eje local. Cuando un objeto atraviesa un fluido, perturba su flujo y crea remolinos donde la velocidad y la dirección cambian; estos remolinos generan vorticidad, indicando la intensidad y la localización de las rotaciones.
En los planos de vorticidad, se observa cómo la presencia del coche influye en el flujo: las zonas de fuerte vorticidad corresponden a los lugares donde los remolinos son más intensos, a menudo aguas abajo y en los laterales del coche.
El análisis visual realizado con ayuda de estas simulaciones permite comprender mejor la interacción entre el coche en movimiento y el fluido circundante — crucial para la aerodinámica de los Fórmula 1.
Efecto « rebufo »: un F1 en fase de adelantamiento
Otra simulación busca estimar la fuerza de resistencia de un coche de carreras cuando sufre el rebufo del vehículo que va delante, justo antes de adelantarlo. La configuración examinada se muestra a continuación.
Cuando un Fórmula 1 adelanta a otro, las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre cada coche están muy influidas por su posición relativa. El coche en fase de adelantamiento aprovecha una reducción significativa de la resistencia al aire gracias al efecto de rebufo generado por el coche que va delante: gana velocidad necesitando a la vez menos potencia.
Por otra parte, el coche adelantado sufre un aumento del coeficiente de resistencia debido a la perturbación del flujo de aire causada por la proximidad del coche que va detrás. Estos fenómenos muestran hasta qué punto la dinámica de carrera está ligada a las interacciones aerodinámicas, y subrayan la importancia del posicionamiento y de la gestión de la resistencia en la estrategia de adelantamiento.
Optimizar la aerodinámica gracias a la CFD
Las fuerzas aerodinámicas, en particular la resistencia, desempeñan un papel crucial en numerosos ámbitos — de la aeronáutica al automóvil, pasando por los deportes y los edificios. Comprender y minimizar estas fuerzas mejora la eficiencia, la seguridad y la durabilidad de los vehículos y de las estructuras. La simulación por CFD emerge como una herramienta esencial, mucho más accesible y económica que los ensayos en túnel de viento.
Permite un análisis detallado de los fenómenos aerodinámicos, abriendo el camino a diseños más eficientes y a innovaciones más rápidas en diversos sectores.
Deporte, automóvil, aeronáutica, edificio: nuestros ingenieros CFD calculan tus coeficientes aerodinámicos y optimizan tus formas.
