Análise CFD do Aleron Traseiro de um Sedan

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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 
 
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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. C. ,” Mecánica de fluidos”, 1998. 
[3] Katz, J., “Flow over bodies and the pressure coefficient. Race Car Aerodynamics”, 1995, 
paginas 40-43. 
[4] Katz, J., “Drag, lift and side force. Race Car Aerodynamics”, 1995, paginas 45-47. 
[5] Gillespie, T. D., “Drag, Fundamental of Vehicle Dynamics. Fundamental of Vehicle 
Dynamics”, 1992, paginas 97-98. 
[6] Gillespie, T. D.,” Lift force, Fundamental of Vehicle Dynamics”, 1992, pagina 103. 
[7] Gillespie, T. D., “Pressure distribution on a vehicle, Fundamental of Vehicle Dynamics”, 
1992, paginas 84-87. 
 
52 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ANEXOS 
 
53 
 
 
54 
 
 
 
 
 
55 
 
 
 
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