Túneles de viento de cinta rodante: Por qué los datos aerodinámicos de automoción necesitan un suelo móvil

En la carretera, el coche se mueve y el suelo permanece inmóvil. En un túnel de viento, el aire se mueve y tanto el coche como el suelo permanecen inmóviles; esta única inversión es la responsable de la mayor parte de la diferencia entre los números del túnel y la realidad.

Un túnel de viento de cinta rodante existe para eliminarla. Todo lo demás en la aerodinámica de automoción (el flujo en los bajos, las estelas de las ruedas, la resistencia de refrigeración, la recuperación de presión en la parte trasera) depende de que la simulación del suelo sea correcta.

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1. Lo que un suelo fijo le hace a sus datos

Con un suelo fijo, una capa límite crece a lo largo del suelo del túnel y llega al coche. En lugar de aire limpio y a máxima velocidad bajo el vehículo, los bajos reciben un flujo ralentizado y engrosado. De esto se derivan tres consecuencias inmediatas:

• El flujo en los bajos es incorrecto. La sensibilidad a la altura libre al suelo, el rendimiento del difusor y los vórtices de los bordes del suelo dependen de un perfil de velocidades que ya no está ahí.
• Las ruedas son incorrectas. Las ruedas estáticas generan una estela diferente a las que están en rotación. La aerodinámica de las ruedas y los pasos de rueda puede representar una parte importante de la resistencia aerodinámica total, y nada de esto se representa correctamente.
• La estela es incorrecta. Los errores de los bajos y las ruedas se desplazan aguas abajo y alteran la presión base, el factor que domina la resistencia aerodinámica en la mayoría de los coches de calle.

El resultado es una medición repetible de la configuración equivocada. La repetibilidad sin fidelidad es exactamente la razón por la que los programas acaban optimizando un coche que solo existe en el túnel.

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2. La escala de simulación del suelo

La simulación del suelo no es una característica única, sino una serie de pasos, y las instalaciones modernas se construyen para que puedan activarse uno a uno, que es también la forma de cuantificar el valor de cada uno. En los túneles del IVK (Instituto de Motores de Combustión Interna y Automoción de la Universidad de Stuttgart), por ejemplo, la secuencia se documenta así: sin simulación del suelo, luego succión de la capa límite, después la cinta central y, por último, rotación de las ruedas con minicintas.

Succión de la capa límite (BLS). Una toma y una succión distribuida aguas arriba eliminan la capa límite del suelo antes de que llegue al coche. Se puede añadir soplado tangencial para reenergizar el flujo cerca de la pared. Esto por sí solo recupera gran parte del error y es el paso más económico.

Cinta central. Una cinta móvil bajo la línea central del vehículo proporciona el movimiento relativo correcto allí donde se encuentra el flujo de los bajos.

Rotación de ruedas con minicintas. Cuatro cintas pequeñas, una bajo cada rueda, hacen girar las ruedas mientras el coche permanece apoyado. Junto con la cinta central, esto forma el sistema de 5 cintas , la configuración que utilizan hoy en día la mayoría de los túneles a escala real para coches de producción.

Cinta ancha única. Una sola cinta bajo todo el vehículo, con el coche sujeto por puntales desde arriba o por fijaciones en los bujes de las ruedas. Es la simulación más fiel y la más exigente: alta velocidad y potencia de la cinta, refrigeración, cojinetes de aire, control preciso de la tensión y un sistema de balanza que funcione alrededor de la cinta. Las instalaciones de automovilismo deportivo y de desarrollo aerodinámico dedicado la prefieren.

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3. El bloqueo: la otra mitad del problema

Un coche en una sección de ensayo desplaza una fracción significativa del área de flujo. En una sección cerrada , esto restringe las líneas de corriente y aumenta la velocidad local, exagerando las fuerzas. En una sección de chorro libre , el chorro puede expandirse, pero se forma una capa de cizalladura en el límite del chorro y sus inestabilidades pueden provocar una resonancia que altera la distribución de presiones en la sección de ensayo.

Ninguno de los dos comportamientos es un defecto que deba eliminarse; ambos son fenómenos físicos que deben corregirse. La práctica en automoción ha convergido en los métodos de corrección desarrollados por Mercker, Wiedemann, Cooper y sus colaboradores, que tienen en cuenta la interferencia de la tobera, la expansión y deflexión del chorro, la interferencia del colector y el gradiente de presión estática a lo largo de la sección de ensayo, y que han demostrado acercar los coeficientes de resistencia aerodinámica medidos a los valores en carretera.

La implicación práctica es incómoda e importante: un coeficiente de resistencia aerodinámica no es una propiedad exclusiva del coche. Es una propiedad del coche, del túnel, del estado de simulación del suelo y del método de corrección. Comparar un Cd de una instalación con un Cd de otra sin conocer los cuatro factores es un error común y costoso.

Al citar una cifra, indique la configuración. Al recibir una, pregunte por ella.

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4. Qué más permite el suelo móvil

Una vez que existe la simulación del suelo, otras mediciones cobran sentido en la misma instalación:

• Resistencia de refrigeración y gestión térmica. El flujo de aire a través de la toma delantera, el bloque del intercambiador de calor y el compartimento del motor o de la batería solo se comporta de forma realista si el flujo en los bajos es correcto, una cuestión cada vez más dominante en los vehículos eléctricos.
• Sustentación y distribución del equilibrio. La sustentación delantera y trasera, y su variación con la altura libre al suelo, son las cifras que determinan la estabilidad a alta velocidad.
• Aeroacústica. La evaluación del ruido del viento requiere que el campo de flujo sea correcto y que el nivel de ruido de fondo del propio túnel sea bajo.
• Ensuciamiento y gestión del agua. La dirección que toma la pulverización de agua depende de la rotación de las ruedas.

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5. Implicaciones para las instalaciones

Si está especificando o actualizando una instalación de este tipo, el sistema de simulación del suelo determina una cantidad sorprendente del diseño:

• Velocidad, potencia y refrigeración de la cinta. Las cintas que funcionan a velocidad de carretera durante horas generan calor y exigen un control preciso de la tensión y el seguimiento.
• Integración de la balanza. El sistema de medición de fuerzas tiene que funcionar alrededor de las cintas, las fijaciones de las ruedas y los plenos de succión sin contaminar la trayectoria de carga.
• Planta de succión. La eliminación de la capa límite es un verdadero sistema de tratamiento de aire, no una simple ranura.
• Geometría de la sección y estrategia de corrección. Elegir entre una sección de chorro libre o cerrada es una decisión que determina con qué método de corrección convivirá y hasta qué punto sus datos serán comparables con los de otros.
• Escala. Los túneles a escala reducida (comúnmente entre 1:2 y 1:4) ofrecen muchas más horas de ensayo por unidad de energía y se utilizan ampliamente para el desarrollo, reservando la escala real para la validación.

Las ventajas y desventajas generales de la arquitectura del circuito se aplican aquí como en cualquier otro lugar; consulte

túneles de circuito cerrado frente a circuito abierto

y nuestra

comparación de tipos de túneles de viento

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6. Cinco errores

• Comparar cifras sin corregir. Dos túneles, dos métodos de corrección, una comparación sin sentido.
• Informar del Cd sin el estado de simulación del suelo. «Solo con BLS» y «5 cintas, ruedas en rotación» son coches diferentes desde el punto de vista aerodinámico.
• Ignorar el gradiente de presión. Un gradiente de presión estática a lo largo de la sección de ensayo produce una fuerza de flotabilidad horizontal que se refleja directamente en la resistencia aerodinámica.
• Realizar ensayos con una altura libre al suelo incorrecta. Las cargas aerodinámicas cambian la altura libre al suelo, lo que a su vez cambia las cargas aerodinámicas. La geometría estática no es la geometría en movimiento.
• Tratar los fallos de correlación de CFD como errores de CFD. Con frecuencia, la simulación es correcta y la configuración del túnel no era la que suponía la simulación.

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7. Integración desde el diseño

La simulación del suelo no es un accesorio; es la parte de un túnel de automoción que decide si los datos describen un vehículo de carretera. Decida pronto qué nivel necesita (solo succión, 5 cintas o cinta única), porque cada uno implica un diseño diferente de estructura, potencia, refrigeración y balanza.

Diseñamos, fabricamos y ponemos en marcha túneles a medida en torno al programa de medición, con la simulación del suelo, la balanza y la instrumentación integradas desde el concepto aerodinámico en lugar de añadirse a posteriori.

Díganos los vehículos y las velocidades que necesita ensayar , y le devolveremos un concepto: tipo de sección, nivel de simulación del suelo, potencia de accionamiento y espacio necesario.

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Fuentes y notas

• Simulación de carretera de 5 cintas con succión de la capa límite, soplado tangencial y cuatro unidades de rotación de ruedas, y la secuencia de activación paso a paso (sin simulación del suelo → succión de la capa límite → cinta central → rotación de ruedas): "The New 5-Belt Road Simulation System of the IVK Wind Tunnels", SAE 2003-01-0429.
• Práctica de corrección en chorro libre, incluyendo interferencia de la tobera, expansión y deflexión del chorro, interferencia del colector y efectos del gradiente de presión estática: "The necessity for boundary corrections in a standard practice for the open-jet wind tunnel testing of automobiles".
• Inestabilidades de la capa de cizalladura y resonancia en secciones de ensayo de automoción de chorro libre: Hu et al., "The low frequency pressure pulsation and control of the open-jet wind tunnel", Scientific Reports 12, 19090 (2022).
• Efectos de la simulación del suelo y la relación de bloqueo en la aerodinámica prevista del vehículo: MDPI Vehicles, 2(2), 18.
• Los rangos de escala reducida de aproximadamente 1:2 a 1:4 reflejan la práctica común de la industria y varían según la instalación.
• La orientación sobre el diseño de instalaciones es práctica de ingeniería de TunnelTech.