UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
FACULTAD: CIENCIAS FISICAS E.A.P: INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOS CURSO : AERODINAMICA PROFESOR:
M.Sc Ing .EMILIO .EMILIO ALVARADO TORRES
ALUMNO : HERHUAY HUAMAN JENRRI RASCOLNIKOV
TRABAJO:
AERODINAMICA DE AUTOS
AERODINAMICA DE VEHICULOS AERODINAMICA AERODINAMICA EXTERIOR 1 .Introducción 2. Fuerzas y Momentos en Aerodinámica Externa 3. Resistencia de Presión y Resistencia de Fricción 4 .Aerodinámica de Vehículos
1. Introducción Hoy en día existen 3 técnicas para el estudio de l os flujos externos: Soluciones numéricas Técnicas Experimentales Teoría de Capa Límite La mecánica de fluidos computacional (CFD) está muy desarrollada y actualmente es la técnica más utilizada para el estudio de la aerodinámica externa (especialmente en las fases iniciales de diseño), lo cual no d escarta la utilización de técnicas experimentales para el análisis y validación final de los diseños. Mediante el uso de técnicas CFD se puede analizar el e fecto tanto del flujo laminar como del turbulento y existen numerosas metodologías de análisis que incluyen el análisis del tamaño de malla (desratización espacial), condiciones de contorno, modelado de la turbulencia etc. Las técnicas experimentales suponen el método más común y más exacto dentro de los métodos de análisis, y se basa en el uso de túneles de vien to en condiciones perfectamente controladas. La tercera herramienta es l a “teoría de capa límite ”, formulada por Prandtl en 1904.
2. Fuerzas y Momentos en Aerodinámica Externa Cualquier cuerpo, de cualquier forma, al introducirse en un fluido experimenta fuerzas y momentos procedentes de dicho fluido. Si el cuerpo tiene una forma arbitraria arbi traria y una orientación arbitraria, experimentará fuerzas y momentos en todas las direcciones del espacio.
Si nos fijamos en un eje en la dirección del flujo, la fuerza que sufre sufr e el cuerpo contra el AERODINÁMICA”, y el fluido en ese eje se denomina “ DRAG” o “ RESISTENCIA AERODINÁMICA momento respecto de dicho eje se denomina “ ROLLING MOMENT” o “MOMENTO DE VUELCO ” (Momento en el eje X que puede hacer volcar el coche). Otra fuerza importante es la que se produce en dirección perpendicular a la resistencia, esta AERODINÁMICA”. El momento fuerza se denomina “ LIFT” o “SUSTENTACIÓN AERODINÁMICA alrededor de ese eje se denomina “ YAW” o “MOMENTO DE GUIÑADA” (Este momento puede ser el responsable de lo conocido comúnmente como “trompo”). Esta fuerza es de vital importancia ya que se utiliza para reducir e l peso del vehículo y por tanto las pérdidas debidas al rozamiento, o en otros casos para aumentar el peso y por tanto la fuerza de rozamiento contra el suelo y po r tanto mejorar la capacidad de tracción del vehículo. Si la sustentación se produce hacia arriba se denomina sustentación positiva, y si se produce p roduce hacia abajo, sustentación negativa o “Downforce”. También es la fuerza encargada de conseguir la elevación o descenso de los aviones . La tercera componente de fuerzas corresponde al “ EMPUJE LATERAL AERODINÁMICO ”, y el momento respecto a ese eje se denomina “ PITCHING MOMENT” o “MOMENTO DE CABECEO ” Cuando el cuerpo presenta una simetría respecto al plano formado por el eje de resistencia y sustentación, el problema se reduce al caso bidimensional, con 2 fuerzas (Resistencia y Sustentación) y un momento (Cabeceo) Si el cuerpo presenta dos ejes de simetría (cilindro, esfera u otro cuerpo de revolución), si el flujo tiene la dirección del eje formado por la intersección de ambos planos, dicho cuerpo experimentará únicamente fuerza de arrastre (ni sustentación, sustentación, ni momentos). En caso de fluidos a baja velocidad, la resistencia aerodinámica será función únicamente del número de Reynolds. Si se hace uso de la denominada Presión Dinámica
() ∗ ∗ , que procede del
término de energía cinética de la ecuación de Bernoulli, se relacionan las seis componentes con seis coeficientes adimensionales muy útiles para el estudio aerodinámico. Estos coeficientes se mantienen prácticamente constantes para el rango de números de Reynolds habituales en un vehículo. Los coeficientes aerodinámicos se definen respecto a un área característica (A), cuya definición depende de la forma que tenga el objeto de estudio. Para el caso de resistencia aerodinámica, la expresión adopta la siguiente forma:
= 1 (2) ∗ ∗ ∗
Normalmente el área característica se corresponde con uno de estos tres tipos: Área Frontal: El área del cuerpo vista desde la corriente fluida. Se utiliza en el caso de esferas, cilindros, coches, misiles, proyectiles, etc. Área de Planta: El área del cuerpo vista desde arriba. Se utiliza para cuerpos anchos y estilizados, como el caso de perfiles alares. Área Mojada: Usada en el caso de embarcaciones. En el caso del cálculo de momentos, se añade una l ongitud característica, característica, para que los coeficientes sean también adimensionales, adimensionales, que suele ser, para el caso de vehículos, la batalla o distancia entre ejes.
= 1 (2) ∗ ∗ ∗ ∗ Potencia requerida para contrarrestar el arrastre: a rrastre: La potencia se define como la rapidez para realizar un trabajo. Cuando una fuerza se ejerce de manera continua sobre un objeto mientras este se está moviend o a una velocidad constante, la potencia es igual a la fuerza por la velocidad. Por tanto, la fuerza que se requiere para contrarrestar el arrastre se define como:
= ∗ → = . . = = /735 Resistencia de Presión y Resistencia de Fricción La resistencia de un cuerpo al avance tiene dos componente s principales, la componente de presión (Resistencia (Resistencia de Forma) y la componente de fricción (Resistencia de Superficie). La diferencia entre la zona de alta presión que se produce en la zona frontal de estancamiento, y la zona de baja presión que se produce en la parte posterior de separación del flujo causa una contribución contribución a la l a resistencia al avance denominada Resistencia de Presión. La componente debida al esfuerzo cortante debido a los esfuerzos v iscosos sobre la Resistencia de Fricción: superficie del cuerpo se denomina Resistencia
= + La contribución de uno u otro efecto depende de la forma del cuerpo y especialmente de su espesor. En cuerpos muy perfilados (cuando el espesor tiende a cero), la co ntribución de la resistencia de fricción tiende al 100%. Esto se debe al efecto del desprendimiento d esprendimiento de la capa límite.
En la parte BC de esfera se produce un efecto de desprendimiento de la capa límite, y aparece una zona de baja presión que no contribuye a compensar la sobrepresión existente en la zona AB frontal. El efecto de la fricción de la capa límite es despreciable frente a este efecto.
En cuerpos perfilados, la sobrepresión de AB se compensa con la sobrepresión existente en la zona BC, al no desprenderse la capa límite, por lo que la única resistencia será la debida a la fricción.
Para flujo laminar, el efecto del desprendimiento en cuerpos romos e s más vulnerable, ya que la capa límite laminar es menos resistente a los despre ndimientos y la separación de dicha capa límite tiende a producirse antes, por lo que la zona posterior some tida a depresión es mayor y por lo tanto se compensa menos la sobrepresión frontal. La capa límite turbulenta es más resistente al desprendimiento, la separación se produce más tarde, lo que supone una menor área sometida a depresión, y por lo tanto coeficientes de resistencia aerodinámica más bajos.
Un efecto curioso es el efecto EIFFEL. En esferas, a partir de un valor de d e número de Reynolds superior a 40000, se produce un descenso brusco del coeficiente de resistencia aerodinámico (CD). Esto se debe a que el punto de desprendimiento se produce más aguas-debajo de la esfera, cuando la capa límite se hace turbulenta, por lo que el área afectada por el desprendimiento se hace muy pequeña, y la presión en la zona BB’ compensa algo la sobrepresión frontal. Si la esfera se hace rugosa, la transición de laminar a turbulenta se produce a valores de Reynolds más bajos, por lo que, aunque aument a la resistencia a la fricción, disminuye en mayor grado la debida a la presión. No se puede despreciar la importancia del “suavizado” de las formas en busca de reducir el coeficiente de resistencia aerodinámico
Para valores de Re > 10^4
Para valores de Re > 10^4
Para valores de Re >10^4
Para valores de Re >10^4
Aerodinámica de Vehículos Introducción La aerodinámica era poco importante para los fabricantes de vehículos en e n los inicios. Durante los primeros años los lo s fabricantes no se planteaban soluciones aerodinámicas aero dinámicas en sus vehículos. Sus ruedas eran muy altas y los frontales muy cuadrados.
La evolución de la aerodinámica ha sido muy lenta. En la década de los años 20 un valor típico de CD = 0’8. En la década de los 1940 se redujo hasta CD C D = 0’55. Pero no fue hasta la después de la crisis del petróleo de 1973 cuando los fabricantes empezaron a trabajar en dos frentes, la aerodinámica y el p eso, con objeto de reducir el consumo. El coche que marcó un hito fue el Audi 100, que introducía novedosas soluciones aerodinámicas (enrasamiento de ventanillas con chapa, sellado de juntas, carenado de los bajos etc.).
Durante los años siguientes, los trabajos se dedicaron a mejorar el d iseño de numerosos elementos del coche (retrovisor, carrocería, bastidor…) para mantener o reducir ligeramente el CD. Sin embargo, un compromiso firmado en 1998 vino a relanzar de nuevo el papel de la aerodinámica. En el marco de la lucha contra el efecto invernadero, los fabricantes se comprometieron a reducir un 25% las emisiones de CO2 de los automóviles hasta 2008. Por ello el e l CD actualmente está de media en CD = 0’35.
Diseño aerodinámico: Resistencia Aerodinámica El principal factor que se estudia para optimizar el rendimiento aerodinámico de un vehículo es el coeficiente de resistencia aerodinámico. El otro factor determinante en el comportamiento aerodinámico de un vehículo es su superficie (alto por ancho de carrocería) y la multiplicación de ambas dimensiones ( A×CX ) que es el factor que verdaderamente da idea de la resistencia aerodinámica. Muchos factores afectan al comportamiento aerodinámico de un vehículo, incluyendo los siguientes: La forma del extremo delantero o “morro” del vehículo. El acabado superficial del vehículo: lo alisado de las superficies del cuerpo Accesorios externos como retrovisores, manijas de las puertas, antenas etc. La forma de la sección posterior del vehículo El efecto de las superficies de cierre del de l vehículo, tales como el piso debajo del automóvil. Discontinuidades, tales como las ruedas o los tapacubos El efecto de otros vehículos que circulen alrededor La dirección del vehículo respecto del viento Las entradas de aire de refrigeración re frigeración del motor y climatización del habitáculo habitáculo
El propósito final del vehículo (crítico para vehículos comerciales) El espacio de los pasajeros Proporcionar visibilidad al conductor y pasajeros Estabilidad y control del vehículo Estética del vehículo Aunque en un automóvil no resulta posible hacer un reparto e xacto de la contribución de los diferentes elementos que configuran el vehículo a la resistencia aerodinámica, aerodinámica, si se puede tener una estimación de la importancia relativa de las distintas
Contribuciones. Resistencia de presión 78 % - Resistencia de las ruedas 26 % - Resistencia de retrovisores y salientes 10 % - Resistencia de los bajos 15 % Resistencia de fricción (rozamiento) 10 % Resistencia asociada a la refrigeración del motor 10 % Resistencia Inducida 2 %
La componente más importante es la resistencia de presión. Los factores que más influyen en ella son:
Diseño de la Parte Delantera Para disminuir el valor de Cx, en general es beneficioso: Reducir la altura del punto de estancamiento o punto en el que la velocidad del aire es nula Suavizar las líneas desde este punto hasta el capot Aumentar la inclinación del capot hasta lograr la adherencia del flujo de aire sobre él. Aumentar la inclinación del parabrisas respecto respecto de la vertical, hasta un valor próximo a los 60% (a partir de ese punto empiezan a existir problemas de visibilidad, calentamiento excesivo del habitáculo etc.) Dada la gran importancia de la resistencia debida al efecto de los desprendimientos, la forma del vehículo en la parte delantera afecta mucho menos a la resistencia aerodinámica que el diseño de la parte posterior.
Diseño de la Parte Posterior Los diseños de la parte trasera de un automóvil se pueden agr upar en 3 grandes categorías:
Trasera cuadrada Trasera inclinada Trasera en escalón
La forma que más influencia tiene sobre la resistencia al avance en la configuración en escalón. Si se sube la altura del maletero y se consigue que el flujo desprendido en la zona superior se vuelva a adherir en la parte final del maletero, se obtiene una reducción importante del Cx (puede ser cercana al 8%) Para minimizar las turbulencias producidas producidas por la estela posterior se tiende a: Estrechar la forma de los costados en la parte posterior Suavizar la unión entre el pabellón y el cristal trasero Evitar que la ventanilla trasera tenga una pendiente entre 20º y 40º, ya que es la zona que produce mayores torbellinos.
Diseño Zona Lateral Un ligero diseño curvado en los laterales reduce normalmente el C D, pero incrementa el valor del área frontal, por lo que qu e es necesario buscar el punto óptimo para el cual el producto de CD y el área frontal sea mínimo.
Diseño de Bajos del Vehículo La contribución de lo aire que circula entre el coche y el suelo a la resistencia aerodinámica es muy elevado, debido a la forma irregular producida por la mecánica del coche, depósito de combustible, tubo de escape etc. Para reducir esta contribución se realizan diferentes acciones: _ Carenado de la zona zona inferior mediante láminas de plástico plástico o metal lisas. lisas. _ Diseño óptimo del parachoques parachoques para minimizar minimizar la cantidad cantidad de aire que circula por la parte inferior _ Colocación de un un spoiler delantero.
Diseño de Entradas de Refrigeración Los vehículos necesitan aire en interior para cumplir con dos objetivos; ventilar el habitáculo y mejorar el confort de los pasajeros, y refrigerar el motor. Se debe buscar un equilibrio entre las necesidades de aire y el efecto sobre el e l CD.
Diseño aerodinámico: Sustentación Aerodinámica y Momento de Cabeceo En vehículos convencionales, al circular, aparece una fuerza de sustentación que reduce la carga que deben soportar los ejes del automóvil; trata de despegarlos del suelo. Esto tiene efectos negativos en el comportamiento dinámico y por tanto en la seguridad del coche. El objetivo de diseño se centra en reducir la fuerza sustentadora o lograr una fuerza de sustentación negativa o downforce (sólo se consigue en coches deportivos o de competición). Para mejorar la estabilidad, el centro de presiones debe coincidir idealmente con el centro de gravedad del vehículo (cdg), es decir, el reparto de las fuerzas de sustentación del eje delantero y trasero debe coincidir con el reparto de peso. La sustentación se puede modificar por tres caminos: Variando la configuración básica del vehículo. Mediante la instalación de elementos con efecto de ala invertida. Mediante dispositivos de efecto suelo: buscan generar una presión especialmente baja en la zona inferior del vehí culo para conseguir elevados niveles de downforce. El momento de cabeceo se debe a que las fuerzas de resistencia y sustentación no actúan en el cdg del vehículo. Este momento, por regla general, tiende a transferir carga del eje trasero al delantero, ya que la fuerza de sustentación es mayor habitualmente en el eje trasero
Diseño aerodinámico: Fuerza Lateral y Momento de Guiñada Aparecen cuando existe viento lateral, y pueden provocar el giro del vehículo respecto a su efe vertical, lo que afecta seriamente a la seguridad. Un diseño que contribuye a minimizar el momento de guiñada es el uso de laterales planos o casi planos. Esto se usa en vehículos vehículo s como las furgonetas, donde el área de exposición al viento lateral es muy elevada. Diseño aerodinámico: Momento de Vuelco Aparece por la existencia de la fuerza lateral y la fuerza de s ustentación. Su efecto sobre la seguridad es muy importante, y debe ser analizado mediante ensayos experimentales para controlarlo de la manera más eficiente posible
Túnel de viento
Los primeros túneles de viento se utilizaron en aviación. A par tir de los años 30 comenzaron a usarse para que los coches de carreras consiguieran alcanzar velocidades más altas y mayor adherencia al suelo, especialmente los de Fórmula1. El primer túnel de viento diseñado específicamente para analizar las propiedades aerodinámicas de los vehículos a motor comenzó a construirse en 1940, en Untertürkheim (Alemania). Durante la Segunda Guerra Mundial, los trabajos quedaron paralizados, y no fue hasta 1954 cuando comenzó a ser utilizado en vehículos de tamaño real. Actualmente es propiedad de Mercedes Benz. Las primeras unidades que llegan a los túneles de viento no so n modelos reales, sino maquetas de los mismos a escala 1:2, es decir a mitad del tamaño real. La razón es, por supuesto, económica. Son más baratas y los resultados se pueden extrapolar al tamaño de un vehículo normal , porque si sometemos a una maqueta 1:2 a una velocidad de viento de 100 km/h genera gen era las mismas resistencias y fuerzas que otro normal a una corriente de aire de 200 km/h. Los primeros pasos de un nuevo modelo se dan de la mano del o rdenador, con simulaciones simulaciones informáticas. Una vez que se ha definido un diseño base, se hacen las primeras maquetas que son las que pasan al túnel de viento. Están fabricadas en fibra de carbono, arcilla... materiales que no se deformen y que sean fáciles de moldear y modificar si en las pruebas algún aspecto no funciona. El coche o maqueta se coloca sobre un sistema de cuatro dinamómetros (uno en cada rueda) que miden la fuerza que el aire realiza sobre el vehículo. Existen túneles de viento donde el vehículo se ensaya en estático, y otros más modernos que permiten analizar el vehículo con las ruedas en movimiento. Además se estudian otros parámetros, como la forma en la que el aire fluye en torno al vehículo. Para ello se utiliza aire coloreado con propilenglicol, que permite hacer al aire visible y analizar con cámaras de alta velocidad la forma en la que fluye sobre el vehículo. Otra técnica muy común es la de “pintar” el vehículo con una pi ntura grasa y fluida, que pueda conservar las huellas de los movimientos del aire. A continuación los expertos en aerodinámica pueden “leer” el resultado del “mapa de vientos” sobre la superficie del vehículo, para analizar las zonas donde se han producido torbellinos
Aerodinámica en camiones Las formas utilizadas comúnmente en camiones entran en la categoría de cuerpos romos. La contribución aproximada de las diferentes partes de un camión a su resistencia aerodinámica total son: _ 70% _ Diseño de la parte frontal _ 20% _ Diseño de la parte posterior _ 10% _ Fricción sobre sobre las superficies del cuerpo Los camiones de carretera largos actuales tienen coeficientes de resistencia entre 0.55 y 0.75
Futuro camión aerodinámico
Reducción de consumo hasta en un 63%
Aerodinámica en trenes Las locomotoras antiguas tenían coeficientes de resistencia ae rodinámica en el rango de 0.8 a 1.05. Los trenes de alta velocidad actuales de alta velocidad, pueden tener valo res aproximados de 0.4. 4.4.9. Aerodinámica en barcos La resistencia total al movimiento de los barcos a través del a gua se debe a la resistencia de fricción por el rozamiento del agua con la piel del barco, la re sistencia de presión o de forma debida a la geometría del barco, y a la resistencia que hacen las olas. La existencia de la resistencia debida a las olas, contribuye enormemente a la resistencia total de barco, y hace que el análisis de la resistencia aerodinámica en barcos sea muy diferente al de los vehículos de tierra.
