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ANALISIS AERODINAMICO PARA OBSERVAR EL FLUJO DE AIRE EN LA PARTE FRONTAL Y AL COLECTOR DE ADMISION DE UN VEHICULO TOYOTA TRUENO COUPE

AERODYNAMIC ANALYSIS TO OBSERVE THE AIR FLOW IN THE FRONT AND INTAKE MANIFOLD OF A TOYOTA TRUENO COUPE VEHICLE Luis Montalvo1 Universidad Politécnica Salesiana - Dinámica Del Automóvil

Correspondencia Autores: [email protected] ,

Resumen El análisis aerodinámico en vehículos es un estudio que se realiza para así poder determinar las fuerzas que influyen en el comportamiento aerodinámico de un vehículo. En el presente trabajo se realiza un estudio experimental de cómo influyen las cargas aerodinámicas en la parte frontal de un vehículo modelo Lada. Lo primero que se realizó mediante la ayuda de un software (INVENTOR) fue realizar el diseño para luego exportar el diseño al software SOLIDWORKS. El software SOLIDWORKS nos permitió analizar el comportamiento del vehículo a ciertos regímenes preestablecidos. Los resultados que arrojó el software fueron comparados con cálculos que previamente se realizaron. Se concluye que el diseño de este vehículo no es conveniente ya que el Cx es alto y esto se debe a que el vehículo tiene un diseño muy recto en su parabrisas entre otras cosas.

Abstract Aerodynamic analysis in vehicles is a study carried out in order to determine the forces that influence the aerodynamic behavior of a vehicle. In the present work, an experimental study is carried out of how aerodynamic loads influence the front of the Lada model vehicle. The first thing that was done with the help of a software (INVENTOR) was to make the design and then export the design to the SOLIDWORKS software. SOLIDWORKS software analyzes the behavior of the vehicle at certain pre-established regimes. The results of the software were compared with calculations that were previously processed. It is concluded that the design of this vehicle is convenient since the Cx is low and this is because the vehicle allows a good aerodynamic flow. Keywords: Aerodynamics, improvement, rear, simulation.

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1.OBJETIVOS

mayor autonomía. En ello influyen muchos factores, pero uno de los más importantes es el coeficiente aerodinámico o Cx.

1.1 Objetivo General: • Efectuar un diseño mediante software de un vehículo modelo Toyota Trueno coupé

1.2 Objetivos Específicos. • Realizar una simulación aerodinámica de la parte frontal del vehículo mediante software SOLID WORKS para analizar los resultados obtenidos. • Determinar el comportamiento aerodinámico del vehículo con respecto a su diseño estándar. • Ver el comportamiento del flujo de aire hacia motor del mismo. 2. INTRODUCCION El coeficiente aerodinámico se representa con las letras Cx y el valor de referencia, 1, es representado por una plancha cuadrada de metal de 1 metro de lado. En la actualidad la mayor parte de los coches se mueven entre el 0,25 y el 0,40, considerándose más eficiente cuanto menor sea el valor. Vehículos como los camiones o las motos cuentan con un coeficiente muy superior al de las generalmente estilosas carrocerías de los turismos, pues sus líneas son mucho más abruptas y heterogéneas. El diseño, forma y tamaño de elementos como parrillas, neumáticos, llantas y retrovisores, así como el tipo de carrocería, influyen de manera decisiva en la eficiencia aerodinámica de un vehículo, pero también su tamaño. Un vehículo de pequeño tamaño con un mal coeficiente puede generar menos resistencia que un gran turismo con un diseño muy trabajado.

El Cx es un número adimensional que se utiliza en aeronáutica y automoción, así como en otros campos que estudian el movimiento de objetos en un entorno con aire. Simplificando, podemos decir que este coeficiente mide la resistencia al viento de un objeto. [1] 3. MARCO TEORICO Túnel de viento El túnel de viento o también llamado túnel de aire es un aparato que simula las condiciones a las que se somete un objeto que se mueve a través del aire y fue creado para estudiar de forma más práctica los efectos del aire frente al movimiento de objetos. La utilización de túneles de viento no va dirigida exclusivamente al diseño de aeronaves, también son utilizados en los diseños de automóviles, bicicletas, edificios, entre muchas otras aplicaciones. Resistencia aerodinámica Fuerza contraria al movimiento de un vehículo generada por la acción del aire que lo rodea. (Aerodinámica.) Dicha resistencia está motivada por el rozamiento producido por el deslizamiento de las capas fluidas, unas sobre otras, durante el movimiento de los vehículos. Estos rozamientos determinan que una parte del trabajo realizado para hacer sitio a una carrocería que avanza se transforme en calor y no sea restituido por el aire que se junta por detrás de la misma. Dicha pérdida se manifiesta con la presencia de una zona (estela) por detrás del cuerpo, en la cual las presiones son inferiores no sólo a las existentes en la parte delantera, sino también a la de la atmósfera no perturbada.

Cuanta menor resistencia al aire ofrezca un vehículo, más eficiente será y menos consumirá, bien sea combustible o electricidad. Ello se traducirá en menor contaminación y/o 2

𝐹𝑦𝑎 =

1 𝜌 . 𝐶𝑦. 𝐴𝑓 . 𝑉 2 2

Sustentación aerodinámica: 1 𝐹𝑧𝑎 = 𝜌 . 𝐶𝑥. 𝐴𝑓 . 𝑉 2 2 Fig. 1: Flujo de aire

Fuerzas y momentos sobre los vehículos. Las acciones aerodinámicas que actúan sobre un vehículo automóvil, en el caso más general, pueden representarse por una resultante general de las fuerzas y un momento resultante, aplicados ambos al centro de gravedad del vehículo. Estos dos vectores pueden estudiarse a través de sus componentes en las direcciones longitudinales, transversal y vertical

Como área característica se adopta la mayor sección transversal que denominaremos área frontal.

Fig. 3: Área frontal de un vehículo automóvil

Número de Reynolds Constituye un parámetro adimensional mediante el cual se puede conocer el estado de un flujo.

𝑅𝑒 = Fig. 2: Fuerzas y momentos de naturaleza aerodinámica que actúan sobre un vehículo.

Las fuerzas aerodinámicas pueden expresarse en 1 función de la presión dinámica 2 𝜌. 𝑉 2 y de una superficie característica, mediante un coeficiente adimensional de proporcionalidad, determinado experimentalmente, que se conserva prácticamente constante para valores de Reynolds. Suficientemente altos, los cuales se representan en condiciones operativas normales del vehículo. Así las fuerzas se denominan y formulan de la siguiente manera:

𝜌𝑈𝐿 𝑈𝐿 = 𝜇 𝑣

L: Longitud característica U: Velocidad del flujo ν: Viscosidad cinemática Este parámetro es fundamental a la hora de diseñar los prototipos, con el fin de ahorrar costes, se utilizan modelos a escala. Para asemejar el modelo al prototipo, se utilizan los parámetros adimensionales, que deben ser iguales para corroborar que se realicen correctamente los ensayos y estudios sobre el modelo.

Resistencia aerodinámica al avance: 1 𝐹𝑥𝑎 = 𝜌 . 𝐶𝑥. 𝐴𝑓 . 𝑉 2 2 Empuje lateral aerodinámico:

Coeficiente de resistencia aerodinámica Cx

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El coeficiente Cx es adimensional, no tiene unidades, y representa el arrastre del vehículo frente al viento en comparación con el arrastre de un objeto teórico capaz de detener el aire en su frente (algo así como una pared) cuyo coeficiente sería = 1. Un valor teórico Cx = 0 representaría la ausencia total de resistencia.

𝐶𝑥 =

Por tanto, se pueden obtener fácilmente los coeficientes de Lift (sustentación) y Drag (arrastre) 𝐿 𝐶𝐿 = 1 2 2𝜌𝑉 𝑆

𝐹𝑥

𝐷 𝐶𝐷 = 1 2 2𝜌𝑉 𝑆

1 2 𝜌 ⋅ 𝑉2 ⋅ 𝐴 Calculo Cx

Coeficientes de fuerza y momento En el caso del cálculo de momentos, se añade una longitud característica, para que los coeficientes sean también adimensionales, que suele ser, para el caso de vehículos, la batalla o distancia entre ejes.

𝐶𝑚 =

𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 1 2 𝜌 ⋅ 𝑉2 ⋅ 𝐴 ⋅ 𝐿

Mediante la predicción de como una variable puede depender de otras, esa variable se puede usar para planificar un experimento, analizar resultados experimentales o minimizar esfuerzo. Coeficientes de fuerza y momento. Al comienzo del apartado de análisis dimensional se calculó la expresión no dimensional de la fuerza, también llamado coeficiente de fuerza.

𝐶𝐷 =

𝐹𝑥 1 2 2⋅𝜌⋅𝑉 ⋅𝐴

Densidad del aire es 1,225 𝑘𝑔/𝑚3 Diseño de la parte delantera del vehiculo Las diferentes formas de la parte delantera, en el coeficiente Cx de resistencia de avance. Pueden detectarse algunas influencias significativas. Se reduce el Cx con formas suaves entre el punto de estacionamiento y el capot. El ángulo de inclinación del capot también tiene una influencia sobre el Cx, aunque por encima de un cierto valor, a partir del cual se logra la adhesión del fujo de aire sobre él, dicha influencia es muy pequeña.

𝐹 𝐹 → 𝜌𝑉 2 𝐷2 𝜌𝑉 2 𝑆 Donde F es la fuerza aerodinámica y S la superficie de referencia. Para fluidos incompresibles se usa la expresión de la presión dinámica del fluido lejos del cuerpo (1/2V2), en lugar de ρV2. Por lo tanto, el coeficiente de fuerza aerodinámica se define:

𝐹 𝐶𝐹 = 1 𝜌𝑉2 𝑆 2

Fig.4: Influencia de algunas formas delanteras en Cx. Fuente: Hucho y Janssen, 1976.

4. DESARROLLO

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Diseño sofware Inventor Un análisis previo del diseño del vehículo TOYOTA TRUENO COUPE nos permitió identificar los puntos más críticos de diseño con respecto al flujo del aire. Observamos que el ángulo del capot como el ángulo de inclinación del parabrisas serían los puntos de mayor resistencia al flujo de aire.

definir los puntos críticos de resistencia al flujo de aire.

Simulación En El Túnel De Viento En esta simulación lo que se pretende es que al hacer circular aire y revisar los efectos que tiene sobre el vehículo, de acuerdo a la simulación en el túnel de viento se pueden ver el comportamiento del aire sobre la parte trasera de nuestro vehículo en donde tenemos el efecto Venturi que se explica por el principio de Bernoulli.

Fig.5: vehículo a analizar

Modelado 3D Autodesk Inventor Fig. 8: Efecto Venturi Fuente: wordpress.com

También se procedió a realizar la influencia del viento sobre la parte trasera del vehículo con el diseño original, induciendo una velocidad del viento de 25 m/s. Fig.6: Cad del vehiculo con CAPOT

Para la simulación del efecto del viento sobre el vehículo se toma estos pasos: Generar un Cad compatible con el software de simulación SOLIDWORKS, generalmente en formato. igs, stl, step,

Fig.7: Cad del vehículo a analizar sin CAPOT

El primer diseño que se realizó mediante el software INVENTOR fue el diseño del vehículo en su forma estándar, este diseño nos permite observar con claridad la parte frontal y poder

Fig.9: Vehiculo Modelado en inventor

Generar un ensamble en SOLIDWORKS 5

Como paso final tenemos que debemos generar o correr el programa para que el resultado final sea el análisis aerodinámico.

Fig.10: Configurando el túnel de viento

Procedemos a la configuración en nuestro túnel de viento con las presiones y velocidades establecidas para dicha simulación, para este caso en específico se utilizará una velocidad máxima de 140km/h

Fig.13: fin de la simulacion

5. Resultados

Como siguiente paso se debe realizar la configuración que definirá el mallado para el análisis aerodinámico del vehículo

Fig.14: Presión relativa en las caras del vehículo

Fig.15: Velocidad del aire

Fig.11:Generando la malla de análisis

Se genera la malla del vehículo o del elemento que se va a analizar.

Fig.16: Comportamiento del aire en el vehiculo

6. CONCLUSIONES:

Fig.12: Mallado completado

Mediante la simulación se pudo concluir que al hacer circular aire y revisar los efectos que tiene sobre el vehículo, podemos conocer los distintos comportamientos que puede tener el aire y el efecto aerodinámico sobre un vehículo, así como 6

su comportamiento dentro del habitáculo del motor Mediante el software SOLIDWORKS se realizó el análisis de la parte frontal de un vehículo con ayuda de los distintos softwares de diseño el vehículo pudo ser modelado con el fin observar el comportamiento del aire dentro del habitáculo del motor 7. REFERENCIA

Referencias [1] https://es.wikipedia.org, «https://es.wikipedia.org,» 5 12 2020. [En línea]. [Último acceso: 5 12 2020]. [2] https://www.auto10.com, «https://www.auto10.com,» 5 12 2020. [En línea]. Available: https://www.auto10.com/reportajes/que-esel-coeficiente-aerodinamico/2871. [Último acceso: 5 12 2020]. [3] https://www.motor.es, «https://www.motor.es,» 6 12 2020. [En línea]. Available: https://www.motor.es/que-es/coeficienteaerodinamico-cx. [Último acceso: 6 12 2020].

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