CFD en automoción: cómo se diseña un coche contra un enemigo que no se ve

Con la colaboración de Yousef Hassanpour, ingeniero aeroespacial y químico (Sharif University of Technology). El estudio CFD, las simulaciones y las imágenes que acompañan este artículo son suyos.

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Hay un dato que debería inquietar a cualquiera que confíe en la ingeniería moderna: las ecuaciones que gobiernan el movimiento del aire —las mismas que se usan para diseñar coches, aviones y hasta para predecir el tiempo— no están resueltas.

Se llaman ecuaciones de Navier-Stokes. Describen cómo se mueve un fluido. Navier las dedujo en 1822 y Stokes les dio su forma moderna en 1845. Y en el año 2000, el Clay Mathematics Institute las incluyó entre sus siete Problemas del Milenio, con un millón de dólares esperando a quien resuelva una pregunta aparentemente sencilla: ¿producen siempre soluciones limpias y predecibles, o pueden llegar a romperse?

Nadie ha cobrado ese millón. A día de hoy el problema sigue abierto. De los siete Problemas del Milenio solo se ha resuelto uno, y el matemático que lo hizo, Grigori Perelman, rechazó el dinero.

Mientras tanto, en Maranello, en Woking, en la sede de Mercedes y en el portátil de cualquier ingeniero con la licencia adecuada, esas ecuaciones se resuelven de forma aproximada millones de veces al día para decidir la forma de un capó. Funciona. Los coches que salen de ahí funcionan. Lo que no existe es la demostración matemática de que siempre vayan a funcionar. Usamos a diario una herramienta que las matemáticas todavía no han terminado de entender.

Eso es el CFD: dinámica de fluidos computacional. Y es probablemente lo que más ha cambiado el diseño del automóvil en las últimas décadas sin que casi ningún aficionado sepa qué hace exactamente.

Para explicarlo hemos recurrido a alguien que lo hace. Yousef Hassanpour es ingeniero aeroespacial y químico formado en la Sharif University of Technology, la referencia técnica de Irán. Contactó con NEC tras la serie AeroNEC compartiendo sus propias simulaciones, y nos ha cedido su flujo de trabajo completo y un estudio propio sobre un coche muy concreto: un Ford Taurus. Sobre por qué ese coche, y no un superdeportivo, volveremos. Tiene más miga de la que parece.

El enemigo invisible

Cuando un coche se mueve, aparta aire. El aire parece nada, pero se comporta como un fluido y opone resistencia. Esa resistencia es el drag, la resistencia aerodinámica.

A velocidades bajas, lo que más frena al coche es la resistencia de los neumáticos contra el asfalto. Pero conforme sube la velocidad, el aire pasa a mandar, y lo hace de una forma que engaña a la intuición: la resistencia aerodinámica no crece de forma proporcional a la velocidad, sino mucho más rápido. Ir un 25% más rápido no cuesta un 25% más de energía. Cuesta bastante más.

Por eso el Departamento de Energía estadounidense señala que el consumo se dispara por encima de los 80 km/h, y por eso su propia valoración es que todavía se puede recortar la resistencia aerodinámica entre un 20% y un 30% en las formas actuales. El mismo organismo da un contraste que lo deja claro: en un turismo, mejorar mucho los neumáticos apenas sube la eficiencia un 1%. La aerodinámica tiene muchísimo más recorrido.

La diferencia entre ciudad y autopista lo remata. En ciudad, el aire se lleva una parte pequeña de la energía. En autopista se convierte en el principal consumidor del coche, por encima de cualquier otra pérdida. El mismo vehículo, la misma mecánica, y el aire pasa de comparsa a protagonista solo por ir más rápido.

Reducir ese drag da beneficios que se acumulan: menos consumo, más autonomía en los eléctricos, más velocidad punta, mejor estabilidad, menos ruido y menos emisiones. Por eso la aerodinámica dejó de ser un adorno para convertirse en una disciplina central de la ingeniería del automóvil.

Ahora bien, ¿cómo se mide lo aerodinámico que es un coche? La fuerza de resistencia en bruto no sirve para comparar, porque depende de la velocidad, de la densidad del aire y de otras variables: el mismo coche da un número distinto según el día y la marcha. Por eso los ingenieros usan una cifra limpia y sin unidades, el coeficiente aerodinámico o Cd, que aísla lo que de verdad importa: la forma. Cuanto más bajo es el Cd, mejor se lleva el coche con el aire, y ese «mejor» se traduce en todo lo de antes: menos gasto, más autonomía, más punta. Es la nota que le pones a una carrocería en su pelea contra el viento. No nos extendemos aquí porque el Cd lo desmenuzamos a fondo en otro artículo; basta con quedarse con la idea: número bajo, coche que corta bien el aire.

Y hay una cifra que lo aterriza mejor que ninguna otra. Mercedes-Benz, que lleva más de tres décadas peleando récords de coeficiente aerodinámico, lo cuantifica así: reducir el Cd en una sola centésima aumenta la autonomía en trayecto largo alrededor de un 2,5%. Sobre los kilómetros que hace un conductor medio en un año, esa centésima se traduce en unos 375 kilómetros extra. Una centésima. Eso es lo que se pelea en un túnel de viento y en un ordenador durante meses.

El histórico de la propia marca da la escala del asunto: en 1984, su W124 fue el primer coche de producción en bajar de 0,30 de Cd. El EQS eléctrico llegó a 0,20 y reclamó el récord de coche de serie más aerodinámico del mundo, una cifra que la marca vinculó directamente a su autonomía. De 0,30 a 0,20 hay un tercio menos de resistencia, y a la industria le costó cuatro décadas recorrer ese camino. Así de cara sale cada porción de aire que le quitas de encima al coche.

Qué hace realmente un CFD

En lugar de meter cada versión del diseño en un túnel de viento, el ingeniero construye un modelo digital del coche y deja que el ordenador calcule cómo se movería el aire a su alrededor.

El resultado es un mapa completo de algo que en la realidad no se ve: dónde se acelera el aire, dónde se frena, dónde empuja con más fuerza contra la carrocería y dónde se desordena. En un túnel de viento esa información se mide solo donde hay sensores. En el CFD se tiene en cada punto del coche y del aire que lo rodea. Esa es la gran ventaja.

Los contornos de presión son una de las salidas más útiles. Enseñan dónde el aire aprieta más contra la chapa. Casi siempre, el punto de máxima presión está en el morro, donde el aire se encuentra de frente con el coche por primera vez y se frena en seco. A partir de ahí, conforme recorre capó, parabrisas, techo y zaga, la presión va cambiando según la forma. Las zonas donde el aire aprieta de más son avisos: marcan dónde la carrocería está peleándose con el aire en lugar de acompañarlo, y ahí es donde un pequeño cambio en el paragolpes, el ángulo del capó o la caída del techo puede recortar resistencia.

Los contornos de velocidad cuentan la otra mitad. El aire se frena en el morro, acelera al pasar sobre capó y techo, y detrás del coche se desprende de la carrocería y forma una zona revuelta y lenta: la estela. Esa estela es una de las mayores fuentes de resistencia. El coche va arrastrando tras de sí una bolsa de aire desordenado que nunca termina de cerrarse. Cuanto más grande y más caótica, más frena.

Los vórtices: lo que no se ve pero se paga

Un vórtice es aire girando sobre sí mismo. Se forma cuando el flujo, que venía limpio, se despega de la carrocería y empieza a dar vueltas. En la vida real es invisible. En el CFD se ve con total claridad.

Se generan alrededor de los retrovisores, en los montantes, en los pasos de rueda, en los bajos y, sobre todo, detrás del coche. Y cada uno cuesta dinero: aumentan la resistencia, generan ruido y restan estabilidad. En el estudio de Yousef sobre el Taurus, los gráficos revelan varias de estas zonas de aire revuelto, con especial presencia en la estela. Identificarlas es el paso previo a rediseñar la carrocería para calmarlas.

Aquí conviene entender algo que se malinterpreta a menudo: un coche aerodinámicamente bueno no es un coche «liso». Es un coche que controla dónde se desordena el aire. El desorden es inevitable; lo que distingue un buen diseño es decidir en qué punto ocurre y cómo de grande es la estela que deja. Por eso existen los bordes afilados en la zaga, los alerones que parecen decorativos y los difusores: no eliminan el desorden, lo ordenan.

Fórmula 1: el único deporte donde la simulación está racionada

Todo coche moderno se beneficia del CFD, pero hay un sitio donde su importancia es tan bestia que ha habido que limitarla por reglamento. Y esto, para nosotros, es lo más revelador de toda la historia.

En 2020, la FIA introdujo un sistema de restricciones al desarrollo aerodinámico en la Fórmula 1. Funciona desde 2021 como un lastre invertido: cuanto mejor va un equipo, menos puede simular. El líder del campeonato dispone de bastante menos tiempo de túnel de viento y de ordenador que el último clasificado. La idea es evitar que el rico se haga infinitamente más rico y que el campeonato se convierta en una competición de presupuesto de supercomputación.

El nivel de detalle del reglamento es de otro planeta. La FIA cuenta las horas de cálculo, obliga a los equipos a declarar exactamente qué ordenadores usan, prohíbe trucos para exprimir más potencia de la declarada, y hasta ha metido dentro del cupo restringido cualquier uso de inteligencia artificial sobre los resultados de las simulaciones. Cerró esa puerta antes de que a alguien se le ocurriera abrirla. Incluso hay fecha para el futuro: la norma que permitirá usar cierto tipo de hardware más potente no entra en vigor hasta 2028.

Piénsalo un momento. No hay ningún otro deporte donde se regule cuántos cálculos puede hacer un ordenador. En la F1 sí, porque la simulación se ha vuelto tan decisiva que dejarla libre rompería la competición. La FIA no limitó el CFD por impreciso. Lo limitó por demasiado eficaz.

En este mundo el objetivo no es solo reducir la resistencia, sino generar carga aerodinámica —downforce—, que empuja el coche contra el asfalto y le permite pasar por curva a velocidades que de otro modo lo mandarían a la grava. Alerones, difusores, el fondo del coche, los conductos de freno: todo pasa por el CFD y luego se valida en el túnel de viento. Y muchas de esas soluciones acaban filtrándose, años después, en coches de calle.

Por qué un Ford Taurus y no un Ferrari

Aquí está la parte bonita. Yousef no simuló un hiperdeportivo. Simuló un Ford Taurus, y la elección tiene más sentido del que parece.

El Taurus de primera generación, lanzado a finales de 1985, fue el coche que literalmente salvó a Ford de la quiebra. Con su carrocería redondeada, apodada «jellybean» —caramelo de goma—, rompió con toda la estética cuadriculada del coche americano de la época. Se inspiró en los Audi de aquellos años, montó faros integrados en la carrocería y una parrilla casi inexistente para no estorbar al aire, y logró un coeficiente aerodinámico de 0,32 en la versión sedán. Conviene marcarlo bien, porque circula mucho el dato equivocado: ese 0,32 es el del Taurus original. Las cifras más bajas que a veces se le atribuyen corresponden a generaciones posteriores, no a este.

Que la referencia de Yousef en su flujo de trabajo fuera un Audi tiene su gracia, entonces: es exactamente la marca en la que se miró Ford para dar el salto. El círculo se cierra solo.

Un 0,32 no impresiona hoy, cuando un eléctrico moderno anda por 0,20. Pero en 1986, sobre un sedán familiar americano, era una pequeña revolución, y vendió millones. Y ese es justo el argumento para elegirlo: la aerodinámica no va solo de Fórmula 1 y de coches de un millón de euros. Va también del coche más corriente del aparcamiento, del sedán que lleva a los niños al colegio. Todos pelean contra el mismo enemigo invisible. Simular un Taurus no es simular menos: es recordar dónde vive de verdad esta batalla.

El flujo de trabajo real, del papel al ordenador

Lo interesante del planteamiento de Yousef es que el CFD no aparece al final, como un examen que el diseño aprueba o suspende. Está metido desde el principio.

Todo empieza en papel, con bocetos a mano. Antes de tocar el ordenador se dibujan varias ideas que fijan las proporciones, el estilo y la dirección aerodinámica del coche. Cuando el concepto cuaja, se levantan los planos con las medidas y las curvas de referencia. Después viene el modelado en 3D, donde el coche se construye digitalmente con la precisión suficiente para poder analizarlo. Las capturas de su Audi y de su Lamborghini que acompañan este texto son ejemplos de esta fase: su forma de trabajar la superficie de un coche, no el coche que se simuló.

Con el modelo listo llega el paso que casi nadie ve y que lo decide todo: preparar la malla. El ordenador no puede calcular el aire de golpe sobre todo el coche; necesita trocear el espacio que lo rodea en una cantidad enorme de piezas diminutas y resolver el aire en cada una. Esa retícula es la malla. Y aquí está la trampa: si la malla está mal hecha, el resultado es un mapa de colores precioso que no describe nada real. Una buena simulación con una mala malla no existe. Es, con diferencia, la parte más delicada del proceso, y la que separa un trabajo serio de un dibujo bonito.

Con la malla en condiciones, el modelo entra en el programa de simulación —en este caso ANSYS Fluent— se le dice a qué velocidad sopla el aire y se deja calcular.

La decisión más sincera del estudio

Y aquí viene lo que más nos gusta de todo el trabajo de Yousef, porque enseña algo que casi ningún artículo cuenta: el CFD siempre es un equilibrio entre lo ideal y lo que tienes.

Existen dos formas de calcular el aire. Una, más simple, va rápida y pide menos ordenador. Otra, más fiel a cómo se comporta el aire de verdad a gran velocidad, captura mucho mejor todo ese desorden y esos remolinos, pero exige una malla mucho más fina, muchísimo más tiempo de cálculo y una máquina considerablemente más potente. Yousef corrió este estudio en su portátil personal. Y con esa herramienta, tomó la decisión sensata: usar el método simple.

Es exactamente el tipo de compromiso que se toma en ingeniería real todos los días. No siempre se hace lo ideal; se hace lo mejor posible con los recursos que hay. Por eso conviene ser claro con lo que estas imágenes son y lo que no son: son una demostración excelente de cómo se ve y cómo funciona un CFD —los contornos, la estela, los remolinos, todo el proceso— hecha en un ordenador de andar por casa. No son el desarrollo aerodinámico oficial del Taurus ni una predicción milimétrica de su comportamiento real. Y no falta nada por decir eso; al revés. Que un ingeniero enseñe el proceso completo con la máquina que tiene en su mesa vale más, como lección, que un render perfecto salido de un superordenador al que casi nadie tiene acceso.

Hay otro detalle que lo refuerza. La velocidad de aire de la simulación es altísima, muy por encima de la que alcanzaría jamás un Taurus por la autopista. Es una condición de ejercicio, elegida para ver bien los fenómenos, no para reproducir un viaje real. Saberlo no le quita valor a las imágenes: se lo da, porque las coloca en su sitio. Son una herramienta para entender, no una ficha técnica.

Lo que NEC piensa de todo esto

El CFD tiene una trampa, y no es técnica: es cultural.

Cuando una herramienta te devuelve un mapa de colores con pinta de verdad absoluta, es facilísimo confundir la simulación con la realidad. Pero el CFD no calcula lo que hace el aire. Calcula lo que hace el aire según el método que elegiste, la malla que construiste y las condiciones que escribiste. Cambias una cosa y cambian los números. Por eso la Fórmula 1, que tiene los mejores recursos de simulación del planeta, sigue gastando fortunas en túneles de viento reales y sigue midiendo en pista: porque la única prueba de fuego es contrastar el cálculo con el mundo. La simulación propone; la realidad dispone.

Y ese es el fondo del asunto. Durante un siglo, la ventaja en el diseño de un coche vivió en el taller: quien tenía mejor ojo y mejor mano, ganaba. Hoy una parte enorme de esa ventaja vive dentro de un ordenador y en saber preparar bien una malla. No es peor ni mejor. Es distinto, y conviene mirarlo de frente en lugar de fingir que el coche sigue naciendo donde nacía antes.

Lo que no ha cambiado es la naturaleza del rival. Sigue siendo el aire. Sigue sin verse. Y sigue cobrando su peaje en cada centésima de Cd que no le quitas, lo mismo en un Fórmula 1 que en el Taurus que salvó a Ford.

¿Cuántos de los coches que te parecen bonitos tienen esa forma porque alguien la dibujó así, y cuántos porque un ordenador le dijo a un ingeniero dónde estaba perdiendo el aire?

Comprueba que sigues vivo.