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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD PROFESIONAL TICOMAN “DISEÑO CONCEPTUAL Y ANALISIS CFD DEL ALERON TRASERO DE UN AUTOMOVIL TIPO SEDAN” TESINA QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EN AERONAUTICA PRESENTAN GIL GARDUÑO JOSE MANUEL RENTERIA ALVARADO ISMAEL ASESOR M. EN C. ARMANDO OROPEZA OSORNIO MEXICO, D.F. FEBRERO 2013 1 2 Indice Página Lista de términos 4 Lista de símbolos 4 Lista de tablas y figuras 5 Resumen 7 Introducción 9 Justificación 9 Objetivo general 10 Objetivos específicos 10 Alcance 10 Capítulo 1 Marco teórico 12 1.1 Conceptos generales aerodinámicos 12 1.1.1 Ecuación de Bernoulli 12 1.1.2 La ecuación de continuidad 13 1.1.3 Flujo laminar y flujo turbulento 14 1.1.4 Conceptos de resistencia al avance y carga aerodinámica 15 1.1.5 Resistencia al avance 15 1.1.6 Carga aerodinámica 16 1.2 Dispositivo aerodinámico – Alerón trasero 18 1.2.1 Los alerones a lo largo de la historia 19 Capítulo 2 Creación del modelo 21 2.1 Establecer parámetros del alerón 21 2.1.1 Traducción de los requerimientos del cliente 21 2.2 Proceso de diseño 23 2.3 Propuesta de la sección transversal del ala 24 2.3.1 Comparación de las propiedades aerodinámicas 25 2.3.2 Selección del perfil 28 3 2.4 Alerón en 3D 29 Capítulo 3 Análisis 40 3.1 Creación de geometría 40 3.2 Mallado 41 3.3 Condiciones de contorno 42 3.4 Solución 44 Capítulo 4 Resultados 46 Conclusión 50 Bibliografía 51 Referencias 52 Anexos 54 4 Lista de términos CAD Diseño Asistido por Computadora CFD Dinámica de Fluidos Computacional 3D Tridimensional Re Número de Reynolds Ma Número de Mach Lista de símbolos Símbolo Descripción Unidades P Presión Pa ρ Densidad del aire Kg/m3 µ Viscosidad del aire Kg*s/m V Velocidad m/s Α Angulo de ataque ° (grados) D Fuerza de arrastre o resistencia al avance N L Fuerza de levantamiento N CD Coeficiente de resistencia al avance Adimensional A Área de una superficie m² CL Coeficiente de levantamiento o sustentación Adimensional T Temperatura °C 5 Lista de figuras y tablas Figuras Página Figura 1.1 Gradiente de presión y velocidad del flujo de aire alrededor de un cuerpo (Gillespie, 1992) .......... 13 Figura 1.2 Flujo laminar y flujo turbulento ........................................................................................................ 14 Figura 1.3 Descomposición de la fuerza aerodinámica ..................................................................................... 15 Figura 1.4 Principales cargas aerodinámicas sobre un automóvil (Katz, 1995) ................................................ 17 Figura 1.5 Terminología del perfil. .................................................................................................................... 18 Figura 1.6 Porsche Type 550 de Michael May (http://type550.com/racing/drivers/on-a-wing-and-a-prayer/ visitada 18/02/13) ............................................................................................................................................. 19 Figura 2.1 Perfiles propuestos para la sección transversal ............................................................................... 24 Figura 2.2 Perfil NACA 6712 .............................................................................................................................. 29 Figura 2.3 Propuesta de alerón 1 ...................................................................................................................... 31 Figura 2.4 Propuesta de alerón 2 ...................................................................................................................... 32 Figura 2.5 Propuesta de alerón 3 ...................................................................................................................... 32 Figura 2.6 Análisis de propuesta 1 .................................................................................................................... 33 Figura 2.7 Análisis de propuesta 2 .................................................................................................................... 34 Figura 2.8 Análisis de propuesta 3 .................................................................................................................... 34 Figura 2.9 Importación de imágenes en CATIA ................................................................................................. 35 Figura 2.10 Vistas principales del automóvil ..................................................................................................... 35 Figura 2.11 Vista superior automóvil ................................................................................................................ 36 Figura 2.12 Vista frontal automóvil .................................................................................................................. 36 Figura 2.13 Creación de superficies ................................................................................................................... 37 Figura 2.14 Creación del automóvil en el software CATIA ................................................................................ 37 Figura 3.1 Geometría del automóvil sin alerón ................................................................................................. 39 Figura 3.2 Geometría del automóvil con alerón ................................................................................................ 40 Figura 3.3 Mallado del automóvil sin alerón ..................................................................................................... 40 Figura 3.4 Mallado del automóvil con alerón ................................................................................................... 41 Figura 3.5 Contorno del automóvil sin alerón ................................................................................................... 42 Figura 3.6 Contorno del automóvil con alerón .................................................................................................. 42 Figura 3.7 Resultados de velocidad del análisis del automóvil sin alerón ......................................................... 43 Figura 3.8 Resultados de velocidad del análisis del automóvil con alerón ........................................................ 43 Figura 4.1 Distribución de presión alrededor del automóvil sin alerón ............................................................. 45 Figura 4.2 Distribución de presión alrededor del automóvil con alerón ............................................................ 45 Figura 4.3 Mapa de presiones del automóvil sin alerón instalado .................................................................... 46 Figura 4.4 Mapa de presiones del automóvil con alerón instalado .................................................................. 46 6 Tablas Página Tabla 2.1 Traducción de los requerimientos...................................................................................................... 22 Tabla 2.2 Metas de diseño ................................................................................................................................ 22 Tabla 2.3 Comparación de CL y CD del perfil NACA 0012 a diferentes ángulos de ataque ................................. 25 Tabla 2.4 Comparación de CL y CD del perfil NACA 6712 a diferentes ángulos de ataque ................................. 26 Tabla 2.5 Comparaciónde CL y CD del perfil NACA 57012 a diferentes ángulos de ataque ............................... 27 Tabla 2.6 Comparación de CL y CD del perfil NACA 68012 a diferentes ángulos de ataque ............................... 28 Tabla 2.7 Comparación de fineza entre los perfiles propuestos ........................................................................ 28 Tabla 2.8 Comparación de L de las diferentes propuestas ................................................................................ 33 Tabla 4.1 Comparación de CD del automóvil con y sin alerón instalado ........................................................... 47 Tabla 4.2 Comparación de D para el automóvil con y sin alerón instalado a una velocidad de 110 km/h ....... 47 Tabla 4.3 Valores de CD y CL del alerón instalado en el automóvil .................................................................... 47 Tabla 4.4 Resultados de D y L para el alerón instalado en el automóvil a una velocidad de 110 km/h ............ 48 7 Resumen En el proyecto realizado se presenta el diseño aerodinámico conceptual de un alerón trasero para automóvil tipo sedán. Como primer paso se realizó el marco teórico, el cual permite entender de forma general cómo es que la aerodinámica afecta a los cuerpos así como las principales fuerzas aerodinámicas que afectan a los mismos. Así mismo se describió como fue el origen del alerón y como ha ido evolucionando hasta nuestros tiempos. Teniendo como base las características generales sobre los alerones se dio inicio al diseño del alerón y como primer paso se buscó un perfil para la sección transversal del ala, éste se seleccionó de un grupo de cuatro propuestas, para cada una de las geometrías de los perfiles se obtuvieron su Cl y Cd. Una vez teniendo estos valores se compararon para así seleccionar el perfil con el valor más alto de fineza (Cl/Cd). Con una geometría seleccionada para la sección transversal del ala, el siguiente paso fue modelar propuestas de los alerones en el software CATIA, las propuestas se crearon con variantes en la punta del ala con la finalidad de ser comparados y seleccionar la mejor propuesta. El siguiente paso fue modelar un automóvil tipo sedán en el software CATIA con dimensiones muy similares a los automóviles actuales en el mercado, y debido a las propiedades de simetría del automóvil sólo se modeló la mitad, para así poder analizar el conjunto de automóvil-alerón por medio del software de análisis por medio de elemento finito ANSYS CFX. Una vez creados los modelos, se importaron a ANSYS. Ya con las geometrías en ANSYS, éstas fueron malladas y posteriormente se establecieron las condiciones de contorno, para de esta forma poder realizar el análisis CFD en ANSYS CFX. Finalmente con los resultados, se pudo comprobar el efecto que tiene el alerón sobre la carrocería del automóvil. 8 INTRODUCCION 9 Introducción Hoy en día los automóviles son modificados por los propietarios de los mismos para incrementar la potencia y crear una apariencia más deportiva. Tener más potencia en el motor tiene como consecuencia poder viajar a velocidades más altas, por lo que las características aerodinámicas del vehículo que originalmente fueron dadas por los diseñadores no podrían ser suficientes para ofrecer el control necesario del automóvil. El rendimiento, manejo, seguridad y comodidad de un automóvil se ven significativamente afectados por sus características aerodinámicas. Algunas piezas adicionales se añaden a la carrocería como lo son alerones traseros, nuevas fascias delanteras y traseras, deflectores de aire y algunos otros accesorios, que pueden ayudar a dirigir el flujo de aire de tal forma que se pueda obtener una ventaja aerodinámica con respecto al automóvil de serie. El elemento más conocido en el mercado para obtener alguna ventaja aerodinámica es el alerón trasero. Por lo tanto en este trabajo se pretende diseñar un alerón trasero de un automóvil tipo sedán. Justificación Este trabajo se realiza debido a la necesidad de comprender a fondo el comportamiento dinámico de un alerón trasero instalado en un automóvil. Ya que en la actualidad, las personas conducen sus automóviles a altas velocidades, especialmente en las autopistas, donde normalmente se alcanzan velocidades superiores a 110 km/h, y debido a dichas velocidades los efectos aerodinámicos tienen mayor influencia sobre el automóvil. Actualmente no hay una normativa específica sobre como diseñar un alerón trasero para un automóvil comercial, de este modo se realizará un diseño en el cual se toman en cuenta los resultados obtenidos por medio de software de análisis de elemento finito. 10 Objetivo general Obtener el diseño aerodinámico conceptual de un alerón trasero para un automóvil tipo sedán y determinar las ventajas y desventajas de montar un alerón trasero en un automóvil por medio de un análisis de CFD. Objetivos específicos Recopilar información sobre el alerón trasero Establecer parámetros del alerón Proponer 4 diferentes geometrías para la sección transversal del ala Comparar las características aerodinámicas de las 4 geometrías seleccionadas mediante el uso de software CFD Seleccionar un perfil, de los anteriormente propuestos. Generar el alerón en 3D mediante el uso de software CATIA Analizar el alerón propuesto mediante el uso de software ANSYS CFX. Analizar la geometría de un automóvil tipo sedán con y sin alerón, mediante el uso de software ANSYS CFX. Comparar los resultados y obtener conclusiones. Alcance Con la realización de este trabajo se busca obtener el diseño aerodinámico conceptual de un alerón trasero para automóvil por medio de un software de Diseño Asistido por Computadora (CAD por sus siglas en inglés), para realizar pruebas numéricas en un software especializado en Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) para conocer las características aerodinámicas y el comportamiento del mismo cuando fluye aire a través de éste y comparar los resultados con los de un automóvil sin alerón instalado. 11 CAPITULO I MARCO TEORICO 12 1 Marco teórico 1.1 Conceptos generales aerodinámicos 1.1.1 Ecuación de Bernoulli La ecuación de Daniel Bernoulli define la ley física sobre la cual la mayoría de los conceptos aerodinámicos existen. Esta ecuación es fundamental para el estudio del flujo de aire. La ecuación de Bernoulli, se obtiene mediante la integración de F = ma (Munson, Young & Okiishi, 2006). Considere el movimiento de una partícula de fluido en un campo de flujo en estado estacionario. Aplicando la segunda ley del movimiento de Newton (ecuación de momentum lineal) en la dirección s, sobre una partícula moviendo a lo largo de una línea de corriente. ss maF [Ec. 1.1] En regiones de flujo donde las fuerzas friccionales netas son despreciables, no hay fuente o sumidero, y no hay transferencia de calor a lo largo de la línea de corriente, las fuerzas significativas actuando sobre la dirección son la presión (actuando sobre ambos lados) y el componente del peso de la partícula en la dirección, debido a esto: ds dv mvWsendAdPPPdA gdAdsmgWdAdsVm , W es el peso de la partícula de fluido y ds dz sen Sustituyendo. ds dV VdAds ds dz gdAdsdPdA Reduciendo dA de cada término y simplificando. ds dV Vds ds dz gdsdP vdvgdzdP Se debe notar que 2 2 1 vdvdv y dividiendo cada término por la densidad, 13 0 2 1 2 1 22 dvgdz dP dvgdzdP Las últimas dos expresiones son diferenciales exactas. En el caso de flujo incompresible, el primer término también llega a ser una diferencial exacta e integrando. CONSTANTEgdz vP 2 2 [Ec. 1.2] Esta, esla ecuación de Bernoulli para flujo incompresible en estado estacionario a lo largo de una línea de corriente en regiones de flujo no viscosas. La ecuación de Bernoulli también puede ser escrita entre dos puntos de la misma línea de corriente como: 2 12 1 2 11 22 gz vP gz vP [Ec. 1.3] Analizando la ecuación 1.3 es posible deducir que al incrementar la presión del flujo la velocidad del mismo disminuye y viceversa. Figura 1.1 Gradiente de presión y velocidad del flujo de aire alrededor de un cuerpo (Gillespie, 1992) 1.1.2 La ecuación de continuidad La ecuación de continuidad describe el comportamiento de un flujo dentro de un conducto. Si dentro de éste no hay ninguna fuente ni sumidero, el flujo de masa entrante 14 al conducto será igual al saliente. Sabiendo la fórmula del flujo de masa, para un fluido incompresible, se puede ver que si el área del conducto aumenta, la velocidad del flujo disminuye y viceversa. [Ec. 1.4] Donde A es el área del conducto (m²), V la velocidad del flujo (m/s), ρ la densidad en (kg/m3). 1.1.3 Flujo laminar y flujo turbulento Uno de los mayores problemas de la aerodinámica es la turbulencia, ya que es difícil de calcular. La turbulencia se debe a los gradientes de presión y velocidad que hay en torno una superficie. Cuando un fluido fluye por la superficie de un perfil, la capa del fluido que está tocando con la superficie del perfil tiene velocidad nula y las capas que están más lejanas tienen cada vez más velocidad puesto que hay menos fricción con la superficie. Llega un instante en que una capa de flujo no percibe que hay una superficie que hace que la velocidad varíe, esa capa tiene la misma velocidad que el flujo libre. En un flujo turbulento hay cambios en la presión y en la velocidad, el movimiento de las partículas es aleatorio, caótico y forman remolinos. En cambio en los flujos laminares el flujo se mueve de forma continua, ordenada y en láminas paralelas. Figura 1.2 Flujo laminar y flujo turbulento Un recurso utilizado para saber si el flujo es laminar o turbulento, es conocer el número de Reynolds. Un número de Reynolds menor o igual a 500,000, significa un flujo laminar. La transición ocurre normalmente para valores de número de Reynolds entre 500,000 y 10,000,000 y se producirá antes o después dependiendo en gran medida de la rugosidad de la superficie, de la turbulencia de la corriente libre de aire y de la distribución de presiones. 15 El número de Reynolds se define en la Ec. 1.5 y donde ρ es la densidad (kg/m3), v es la velocidad (m/seg), l la longitud característica del objeto considerado (m) y µ la viscosidad del fluido en el que éste se mueve (Kg/m.seg). [Ec. 1.5] 1.1.4 Conceptos de resistencia al avance y carga aerodinámica Hay dos categorías básicas de las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre el automóvil. La primera es la resistencia al avance, que es la que se opone al movimiento del automóvil. La segunda es una fuerza que actúa perpendicular al plano en el que se mueve el automóvil, la cual es llamada carga aerodinámica. Figura 1.3 Descomposición de la fuerza aerodinámica 1.1.5 Resistencia al avance La fuerza aerodinámica de resistencia al avance es la fuerza que se opone al movimiento del automóvil cuando éste está movimiento. La fuerza aerodinámica de resistencia al avance actúa externamente sobre el cuerpo del vehículo. La resistencia al avance afecta al 16 rendimiento del automóvil en la velocidad tanto como en el ahorro de combustible, ya que se necesita más potencia para vencer a la fuerza de oposición. Dado que el flujo de aire sobre un automóvil es tan complejo, es necesario desarrollar modelos semi-empíricos para representar este efecto. Por lo tanto, la fuerza de resistencia al avance queda representada por: [Ec. 1.6] Donde: CD = coeficiente de resistencia al avance A = El área frontal ρ = La densidad del aire v = La velocidad relativa entre el flujo de aire y el automóvil El CD es una función de otros parámetros dimensionales como el número de Reynolds (Re), y la rugosidad relativa de la superficie, ε / l. La densidad del aire, ρ, está relacionada con la humedad, la altitud, la presión y la temperatura. En condiciones de temperatura (0°c) y presión de (1 atm), la densidad del aire es 1.293 kg/m3. La densidad en otras condiciones puede ser estimada por la presión existente, y la temperatura Pr, Tr, con la siguiente ecuación: (Gillespie, 1992) [Ec. 1.4] Donde: Pr = La presión atmosférica en kPa Tr = La temperatura del aire en °C 1.1.6 Carga aerodinámica La fuerza de resistencia al avance actúa en dirección del movimiento del automóvil y existe otra componente, la componente en sentido perpendicular a la fuerza de resistencia al avance, llamada en el caso de automóviles carga aerodinámica. 17 Estas cargas son importantes en la optimización aerodinámica de un vehículo, debido a su influencia en la estabilidad de conducción. La fuerza L, se cuantifica mediante la ecuación: [Ec. 1.5] Donde: L = Carga aerodinámica. CL = El coeficiente de levantamiento A = El área frontal La carga aerodinámica o sustentación negativa depende de la forma total del vehículo. Con un ángulo de ataque de cero grados, el coeficiente de levantamiento normalmente cae en el rango de 0.3 a 0.5 para los vehículos de pasajeros modernos (Gillespie, 1992), pero bajo condiciones de vientos cruzados el coeficiente puede aumentar considerablemente hasta llegar a valores mayores a 1. Para algunos cuerpos de tres dimensiones (3D) también puede existir fuerza lateral, la cual es perpendicular al plano que contiene D y L. Esto es importante en los casos con vientos cruzados fuertes. Para el presente estudio, los vientos cruzados se consideran despreciables y sólo se consideran las cargas aerodinámicas mencionadas anteriormente. Figura 1.4 Principales cargas aerodinámicas sobre un automóvil (Katz, 1995) 18 1.2 Dispositivo aerodinámico – Alerón trasero El alerón es un elemento importante en la aerodinámica del automóvil, que frena a éste en las rectas, pero a la hora de tomar las curvas es el que hace al vehículo estable y el que permite ir a más velocidad en ellas. Un alerón es un cuerpo que al moverse por el aire crea carga aerodinámica sin crear un valor resistencia elevado. A lo largo de su envergadura un alerón puede tener diferentes secciones, en el caso de esta investigación tendrá la misma sección en toda la envergadura. En la figura 1.5 se puede observar la terminología que se utiliza en un alerón, igual que la de un ala, ya que éste es un ala invertida. El borde de ataque es la parte delantera del alerón, el borde de salida es la parte trasera del alerón, la cuerda es la línea recta que une el borde de ataque y el borde de salida. El espesor máximo (t), se suele expresar en función de la cuerda, si la cuerda mide 5cm y el espesor máximo es 1 cm., éste grosor máximo quedaría expresado por 0.2c. Un perfil de un alerón puede ser simétrico o asimétrico, si es el primero tendrá carga aerodinámica nula para un ángulo cero y si es asimétrico tendrá carga aerodinámica para un ángulo cero. En caso de que sea asimétrico tendrá curvatura, la parte inferior llamada intradós tendrá más curvatura que la parte superior llamada extradós. Figura 1.5 Terminología del perfil. 19 1.2.1 Los alerones a lo largo de la historia Cuando se construyeron los primeros automóviles a principios del siglo XX, sólo tenía importancia la potencia y cilindrada del motor. La aerodinámica del automóvil no tenía relevancia para el diseño y la forma que se daba a los automóviles era puramente estética. En los años 50’ se empezó a realizarel World Sport Car Championship, considerada la primera competición automovilística. En esta competición los vehículos eran pequeños, ligeros y con formas afiladas para minimizar la resistencia con el aire, se puede considerar como una de las primeras formas de mejorar la aerodinámica, pero el problema era que a altas velocidades el automóvil perdía estabilidad. En el año 1956 el ingeniero suizo Michael May colocó un alerón invertido encima de la cabina de su Porsche Type 550, de esta forma se creaba una fuerza de sustentación negativa que pegaba el automóvil al suelo y le permitía ir a más velocidad en las curvas sin salirse de ésta. Figura 1.6 Porsche Type 550 de Michael May Los alerones no fueron tan relevantes hasta la carrera de 24 horas de Le Mans del 67. Ya que Jim Hall logró ganar la carrera con un motor menos potente y un alerón, desde entonces se introdujo el alerón en la mayoría de carreras automovilísticas. El último paso en la historia de los alerones fue el descubrimiento del efecto suelo, lo que hizo que los alerones estuvieran situados lo más bajos posible y de esta forma crear todavía más carga aerodinámica. 20 CAPITULO II CREACION DEL MODELO 21 2 Creación del modelo 2.1 Establecer parámetros del alerón 2.1.1 Traducción de los requerimientos del cliente Cliente: Cualquier persona que cuente con algún automóvil tipo sedán. Alguna ensambladora que quiera introducir el alerón en alguno de sus modelos. Marcas especializadas en accesorios automotrices. Requerimientos del Cliente: Que la fineza del alerón sea lo más alta posible (CL/CD). Que también ayude a la estética del automóvil. Que la forma de instalación sea sencilla. Que los materiales utilizados para la fabricación se encuentren disponibles en México. Que brinde seguridad al manejo. Ponderación de Requerimientos Obligatorios Que la fineza del alerón sea lo más alta posible (CL/CD). Que brinde seguridad al manejo. Deseables Que también ayude a la estética del automóvil. Que la forma de instalación sea relativamente sencilla. Que los materiales utilizados para la fabricación se encuentren disponibles en México. Que tenga una buena durabilidad. 22 Tabla 2.1 Traducción de los requerimientos No Requerimientos del cliente Requerimientos técnicos Unidad 1 Fineza del alerón Fineza Adimensional 2 Dimensiones principales. Dimensiones m 3 Medir la fuerza que genera. Carga aerodinámica N 5 Contar con seguridad. Factor de seguridad N 6 Contar con un diseño innovador Innovación 7 Precio competitivo Precio $ 8 Se utilicen materiales disponibles en México Materia prima mexicana. Nacional 9 Fácil instalación. Elementos totales del dispositivo. # de elementos Establecer metas de diseño. Tabla 2.2 Metas de diseño No Requerimientos técnicos Magnitud Unidad 1 Fineza > 130 Adimensional 2 Dimensiones 1.8 x 0.25 x 0.05 m 3 Carga aerodinámica 120 – 160 N 4 Resistencia al avance D<300 N 23 2.2 Proceso de diseño Determinación del objetivo Revisión de literatura, libros, revistas, páginas de internet Estudios sobre software de CAD y CFD Obvervar diseños de alerones traseros Encontrar las dimensiones para el alerón Creación de bosquejos Crear el modelo en el software de CAD Analizar en software de CFD Refinamiento Análisis e interpretación de los datos obtenidos Conclusiones Documentación Presentación final NO SI 24 2.3 Propuesta de la sección transversal del ala Los perfiles propuestos fueron seleccionados en base a la tesis llamada THE FRONT WING (F MORTEL), en esta tesis utilizan el perfil NACA 68012 para un alerón frontal de un automóvil de la categoría Fórmula uno. Para el estudio se comparan cuatro tipos de geometrías para la sección transversal. Estas geometrías son del mismo espesor y cuentan con variaciones en su curvatura, la primer geometría será simétrica, y las restantes con diferentes valores en la posición de curvatura máxima, como se muestra en la siguiente figura. Figura 2.1 Perfiles propuestos para la sección transversal 25 2.3.1 Comparación de las propiedades aerodinámicas A continuación se presenta los valores de CL, CD y CL/CD para los perfiles propuestos a diferentes ángulos de ataque, en un rango de -5° hasta 12°. Tabla 2.3 Comparación de CL y CD del perfil NACA 0012 a diferentes ángulos de ataque α CL CD CL / CD -5 -0.594 0.0107 -55.5140 -4 -0.475 0.0093 -51.0753 -3 -0.357 0.0083 -43.0120 -2 -0.238 0.0075 -31.7333 -1 -0.119 0.007 -17.0000 0 0 0.0069 0.0000 1 0.119 0.007 17.0000 2 0.238 0.0075 31.7333 3 0.357 0.0083 43.0120 4 0.475 0.0093 51.0753 5 0.594 0.0107 55.5140 6 0.712 0.0124 57.4194 7 0.83 0.0141 58.8652 8 0.948 0.0164 57.8049 9 1.065 0.0188 56.6489 10 1.181 0.0218 54.1743 11 1.298 0.0248 52.3387 12 1.413 0.0282 50.1064 26 Tabla 2.4 Comparación de CL y CD del perfil NACA 6712 a diferentes ángulos de ataque α CL CD CL / CD -5 0.525 0.0062 84.6774 -4 0.644 0.0055 117.0909 -3 0.763 0.005 152.6000 -2 0.882 0.0061 144.5902 -1 1.001 0.0065 154.0000 0 1.119 0.0071 157.6056 1 1.237 0.0083 149.0361 2 1.355 0.0097 139.6907 3 1.473 0.0113 130.3540 4 1.59 0.0131 121.3740 5 1.706 0.0153 111.5033 6 1.822 0.0175 104.1143 7 1.937 0.0201 96.3682 8 2.051 0.023 89.1739 9 2.165 0.0264 82.0076 10 2.278 0.0297 76.7003 11 2.39 0.0335 71.3433 12 0 0.0375 0.0000 27 Tabla 2.5 Comparación de CL y CD del perfil NACA 57012 a diferentes ángulos de ataque α CL CD CL / CD -5 0.001 0.013 0.0769 -4 0.12 0.0114 10.5263 -3 0.239 0.0101 23.6634 -2 0.358 0.0092 38.9130 -1 0.477 0.0084 56.7857 0 0.596 0.008 74.5000 1 0.715 0.0079 90.5063 2 0.834 0.008 104.2500 3 0.953 0.0086 110.8140 4 1.071 0.0091 117.6923 5 1.189 0.01 118.9000 6 1.307 0.0113 115.6637 7 1.424 0.0131 108.7023 8 1.541 0.0156 98.7821 9 1.657 0.0185 89.5676 10 1.773 0.0214 82.8505 11 1.888 0.0243 77.6955 12 2.002 0.0275 72.8000 28 Tabla 2.6 Comparación de CL y CD del perfil NACA 68012 a diferentes ángulos de ataque α CL CD CL / CD -5 0.209 0.0125 16.7200 -4 0.328 0.0109 30.0917 -3 0.447 0.0097 46.0825 -2 0.567 0.0089 63.7079 -1 0.686 0.0082 83.6585 0 0.805 0.0081 99.3827 1 0.924 0.008 115.5000 2 1.042 0.0081 128.6420 3 1.161 0.0086 135.0000 4 1.279 0.0094 136.0638 5 1.397 0.0104 134.3269 6 1.514 0.0121 125.1240 7 1.631 0.014 116.5000 8 1.747 0.0166 105.2410 9 1.863 0.0196 95.0510 10 1.978 0.0225 87.9111 11 2.092 0.0255 82.0392 12 2.206 0.0287 76.8641 2.3.2 Selección del perfil A continuación se presenta una comparación de los valores máximos de fineza (Cl/Cd), de los perfiles propuestos. Tabla 2.7 Comparación de fineza entre los perfiles propuestos De la tabla anterior se selecciona el perfil que mejores características ofrece para generar la sección transversal del alerón, así como el ángulo de ataque que tendrá. Perfil NACA α CL CD CL / CD 0012 7 0.83 0.0141 58.8652 6712 0 1.119 0.0071 157.6056 57012 4 1.071 0.0091 117.6923 68012 4 1.279 0.0094 136.0638 29 Por lo tanto la sección transversal del alerón será un NACA 6712, como muestra la figura 2.2. Figura 2.2 Perfil NACA 6712 2.4 Alerón en 3D El modelo del alerón será creado mediante el uso del software CATIA, este programa sirve de apoyo para la concepción del diseño hasta la generación de planos del mismo. Para iniciar el modelado en el software CATIA V5, las coordenadas de los puntos que generan al perfil fueron exportadas del software SNACK V2.2. Figura 2.3 Software SNACK V2.2. Una vez teniendo las coordenadas de los puntos, fueron importados al software CATIA, posteriormente se unieron mediante el uso del comando “spline” como muestra la figura 2.4 30Figura 2.4 Creación del perfil en el software CATIA. Una vez concluido esto, se extruyó el perfil, y con la herramienta “fill” se crearon las superficies de los extremos, de esta forma se obtuvo el ala principal del alerón como muestra la figura 2.5. 31 Figura 2.5 Creación del ala principal en el software CATIA De la misma forma se crearon tres propuestas de alerones con la misma geometría para la sección transversal. Las propuestas hechas del alerón se pueden observar en las siguientes figuras. Figura 2.3 Propuesta de alerón 1 32 Figura 2.4 Propuesta de alerón 2 Figura 2.5 Propuesta de alerón 3 Obtenidas las propuestas, se analizaron mediante software de análisis por medio de elemento finito (ANSYS CFX), para determinar cuál será la propuesta a analizar instalada en el automóvil. A continuación se muestra una tabla con los resultados de carga a aerodinámica que generan cada uno. 33 Tabla 2.8 Comparación de L de las diferentes propuestas L(N) Propuesta 1 -79.98 Propuesta 2 -80.55 Propuesta 3 -107.2 Con los datos obtenidos se eligió la propuesta del alerón, la propuesta 3 fue la seleccionada debido a la mayor aportación de L con respecto a las otras propuestas. A continuación se muestra imágenes de los resultados obtenidos en ANSYS CFX para cada una de las propuestas de los alerones. Figura 2.6 Análisis de propuesta 1 34 Figura 2.7 Análisis de propuesta 2 Figura 2.8 Análisis de propuesta 3 Una vez teniendo modelado el alerón, se importó las imágenes del plano de un automóvil tipo sedán en el módulo “Sketch Tracer” de CATIA, el primer paso fue seleccionar la vista en el software CATIA correspondiente a la vista que será sobrepuesta del plano del automóvil, como se observa en la figura 2.9. 35 Figura 2.9 Importación de imágenes en CATIA Este paso se repite para las vistas restantes, sin olvidar que se debe parametrizar el largo, ancho y alto de las imágenes, en la figura 2.10 es posible observar las imágenes sobrepuestas correspondientes a cada vista. Figura 2.10 Vistas principales del automóvil 36 Una vez teniendo la vistas principales se empezará el trazado de las líneas “3D Curve”, primero en una vista base, posteriormente se trabajará en otra vista auxiliar que permita su desarrollo, se hará uso de todas las vistas para tener un mejor trazado de estas líneas, como se observa en las figura 2.11 y 2.12. Figura 2.11 Vista superior automóvil Figura 2.12 Vista frontal automóvil El siguiente paso es crear las superficies con las “3D curves” previamente realizadas como se puede observar en la figura 2.13. 37 Figura 2.13 Creación de superficies Creadas las superficies solo falta cerrar la superficie para crear un sólido como se muestra en la figura 2.14. Figura 2.14 Creación del automóvil en el software CATIA Este modelo servirá para el siguiente capítulo ya que se analizará en ANSYS CFX con y sin alerón, de esta forma comparativa se concluirá la aportación del alerón a un automóvil tipo sedán. 38 CAPITULO III ANALISIS 39 3 Análisis 3.1 Creación de geometría El modelado de la geometría se realizó con el uso del software CATIA, sólo se consideró la mitad de la geometría de los modelos, ya que tanto el alerón como el automóvil son simétricos y es posible hacer uso de esta propiedad para reducir los tiempos de análisis. Una vez creada la geometría en el software CATIA, se importó la geometría al software ANSYS, como muestra las figuras 3.1 y 3.2. Figura 3.1 Geometría del automóvil sin alerón 40 Figura 3.2 Geometría del automóvil con alerón 3.2 Mallado Con la geometría importada en ANSYS se realizó el mallado para las dos geometrías, de esta forma, en CFX será posible resolver las ecuaciones de Navier-Stokes en cada vértice de la malla. La malla que se ha utilizado es de forma tetraédrica ya que se adopta mejor la forma del alerón y del automóvil. Cuanto más refinado sea el mallado, más precisos son los resultados pero más tiempo de simulación se requiere. En las figuras 3.3 y 3.4 es posible observar los mallados. Figura 3.3 Mallado del automóvil sin alerón 41 Figura 3.4 Mallado del automóvil con alerón 3.3 Condiciones de contorno Para el análisis de todas las geometrías, las condiciones para cada análisis son las siguientes: Velocidad de entrada de 30m/s (108km/h, velocidad aproximada en autopistas) Presión de salida de 0 Pa Una vez malladas las geometrías, hay que indicar en el software ANSYS CFX que función corresponde para cada elemento, de igual que un túnel de viento hay una entrada de aire y una salida. Para el análisis se utilizaron las siguientes condiciones: Recordando que sólo se modelo la mitad de las geometrías, también se utilizó el elemento “symmetry” para definir el eje de simetría en el análisis. En las figuras 3.5 y 3.6 se observan las condiciones de contorno. 42 Figura 3.5 Contorno del automóvil sin alerón Figura 3.6 Contorno del automóvil con alerón 3.4 Solución Una vez teniendo las condiciones de contorno se manda a resolver, y de esta forma se conocen las velocidades sobre las geometrías como se muestra en la figura 3.7 y 3.8 43 Figura 3.7 Resultados de velocidad del análisis del automóvil sin alerón Figura 3.8 Resultados de velocidad del análisis del automóvil con alerón 44 CAPITULO IV RESULTADOS 45 4 Resultados Comparando las representaciones de la velocidad y presión en torno el automóvil y automóvil con alerón, en las figuras 3.7, 3.8, 4.1 y 4.2 se puede observar que existe una variación en el movimiento del flujo alrededor del automóvil. Figura 4.1 Distribución de presión alrededor del automóvil sin alerón Figura 4.2 Distribución de presión alrededor del automóvil con alerón 46 Figura 4.3 Mapa de presiones del automóvil sin alerón instalado Figura 4.4 Mapa de presiones del automóvil con alerón instalado A partir de esta simulación, se obtienen del software los valores de CD para el automóvil con y sin alerón instalado, los cuales son reflejados en la siguiente tabla. 47 Tabla 4.1 Comparación de CD del automóvil con y sin alerón instalado Sin alerón Con alerón CD 0.316 0.373 Con lo cual se puede calcular la fuerza de resistencia al avance que genera el automóvil a cierta velocidad. En el caso del proyecto se planteó una velocidad de 110 km/h (30.555 m/s), el área frontal del automóvil es de 1.99 m2 y la densidad de aire es de 1.205 kg/m³ que corresponde a una atmosfera de presión y una temperatura de 20 °C. Utilizando la fórmula ( ) para calcular la resistencia al avance se obtienen los siguientes resultados para el automóvil sin alerón instalado: [ ] Ahora se realiza el cálculo para el automóvil con el alerón instalado. [ ] Tabla 4.2 Comparación de D para el automóvil con y sin alerón instalado a una velocidad de 110 km/h Sin alerón Con alerón D (N) 353.850 417.157 Por su parte los resultados obtenidos por medio del software de análisis de CL y CD relacionados al alerón fueron los siguientes: Tabla 4.3 Valores de CD y CL del alerón instalado en el automóvil CD CL Alerón 0.015 -0.946 De igual forma que se calculó la fuerza de resistencia al avance para el automóvil, se obtiene las fuerzas aerodinámicas producidas por el alerón. En este caso la superficie del alerón es de 0.394 m2. [ ] 48 [ ] Tabla 4.4 Resultadosde D y L para el alerón instalado en el automóvil a una velocidad de 110 km/h D (N) L (N) Alerón 3.376 -209.592 Con los resultados anteriores, se puede observar que la carga aerodinámica aportada por el alerón es de 209.592 N, lo cual está por encima de la meta propuesta en el principio del proyecto, que era de 160 N. Por otra parte la resistencia al avance que éste genera se le añadirá a la resistencia al avance que genera el automóvil con el alerón montado, la cual es de 417.157 N para el automóvil y 3.376 N para el alerón lo cual da como resultado una resistencia al avance total de 420.533 N. 49 Conclusión Una vez obtenidos todos los resultados de las dos simulaciones realizadas se obtienen las siguientes conclusiones. El alerón genera una carga aerodinámica elevada sobre el automóvil tipo sedán aunque la resistencia al avance se incrementa debido a que altera la forma en que el aire fluye a través de la superficie del mismo, ya que la resistencia al avance generada por el propio alerón es poca comparada con la que genera la carrocería del automóvil. Además se ha demostrado que el efecto de la aerodinámica es un los factores más importantes tanto en los automóviles de carrera como en los autos comerciales, ya que por medio de un componente, en este caso un alerón trasero se pueden mejorar o perjudicar muchos aspectos que influyen en el desempeño del automóvil. Recomendaciones Como trabajos futuros se ha identificado la necesidad de optimizar la distancia relativa al a la que se localizará el alerón con el automóvil, además de crear un dispositivo que permita cambiar el ángulo o bien que el alerón tenga al menos dos posiciones de trabajo. A medida que se siga desarrollando en esta interesante área, se irá perfeccionando e innovando en ella y así mismo los automóviles se volverán más seguros y rápidos. 50 Bibliografía [1] Stolarski, T., Nakasone, Y. & Yoshimoto, S., “Engineering analysis with ANSYS software”, Elsevier Butterworth-Heinemann, USA, 2007. [2] Munson, B.R., Young, “Fundamentos de mecánica de fluidos”, Limusa, México, 2006. [3] Hucho, W-H., Gilhaus, A. & Hoffmann, “Aerodynamics of a Road Vehicle”, SAE International, USA, 1998. [4] Potter, M. C., Wiggert, D. C., “Mecánica de fluidos”, Prentice Hall, México, 1998. [5] Katz, J., “Race Car Aerodynamics”, Bentley Publishers, USA, 1995, paginas 197-215. [6] Gillespie, T.D.,”Fundamental of Vehicle Dynamics”, Society of Automotive, USA, 1992. [7] Yuan, S. NW., “Foundations of Fluid Mechanics”, Prentice-Hall International, London, 1976. 51 Referencias [1] Munson, B.R.,” Mecánica de Fluidos Fundamentos de mecánica de fluidos”, 2006. [2] Potter, M. C., Wiggert, D. 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