Captulo 2- Estudio de las condiciones mecnica aerodinmicas del vehiculo Gemini y su entorno

2.1. Introduccin.

En el presente capitulo se realizara los estudios preelimnales necesarios para el

diseo aerodinmico del alern posterior. Se encuentran as analizados los referentes

a las condiciones mecnicas del vehiculo, necesarias para determinar las condiciones

de mximo trabajo a las cuales pueden ser expuestas las parte mecnicas, y sus

consecuencias en la dinmica general.

La determinacin de las cargas mximas permisibles en el puente posterior, es la de

mayor importancia, que lo determinan el tipo de suspensin y condiciones externas

del vehiculo, denominadas condiciones de entorno, que dependen del tipo de circuito

y variables como temperatura y velocidad del aire.

Para la toma de medidas se han utilizado instrumentos de medicin como

anemmetros, acelermetros, termmetros digitales e instrumentos creados para tal

propsito, considerando que las medidas son un parmetro para conocer las

caractersticas reales mas no as para censar de una manera exacta los valores.

Para la realizacin de los clculos se utiliza el programa derive 6 que presenta la

versatilidad de resolucin directa de educaciones, derivacin e integracin, entre

otras operaciones. Por ello se

2.2. Determinacin de las caractersticas mecnicas. 2.2.1.- Centro de gravedad esttico.

Para la determinacin del centro de gravedad esttico se utilizara el mtodo de

sumatoria de momentos, procedimiento que utiliza el diagrama de momentos:

Fig. 2.2.a. Diagrama de momentos para el calculo del centro de gravedad Fuente Los autores

Con Pd peso en la parte delantera [kg]

Pp peso en la parte posterior [kg]

a distancia del eje delantero al centro de gravedad [m]

b distancia del eje posterior al centro de gravedad [m]

Sumatoria de momentos en el punto Pp

batalla *)(*

==+=+

LbabPbaPd

( 2.1)

Para el clculo de la altura del centro de gravedad se utiliza:

( )

tan

)(tanP

baPpbRPh ++= ( 2.2)

Por medio de un clculo iterativo generado en el paquete Excel se determinaron las

siguientes coordenadas:

Ubicacin del centro de gravedad en el eje longitudinal (x) del vehiculo.

Ubicacin del centro de gravedad en el eje transversal (y) del vehiculo.

Ubicacin del centro de gravedad en el eje perpendicular (z) del vehiculo.

Utilizando una hoja de clculo determinamos estas variables:

a b

Pd Pp

P

CALCULO DE CENTRO DE GRAVEDAD POR EL MTODO EXPERIMENTAL DE PESOS.

PESO DEL VEHICULO ton ton Angulo a h' h'' Horizontal Inclinada m 30 1.2 0.73

Peso parte trasera 0.47 0.51 Batalla 2.4 2.0785

Peso parte delantera 0.58 0.54 Trocha 1.46

Peso total 1.05

Calculo de centro en longitudinal

Distancia a 1.074286 m Distancia b 1.325714 m

Calculo de centro en posicin inclinada

Distancia c 1.009538 m

Distancia d 1.068923 m

Altura

tan a 0.57735 Radio de rueda 0.27 m

z 0.428359 m

ton ton Horizontal Inclinado

Peso parte izquierda 0.46 0.53

Peso parte derecha 0.59 0.52

Peso total 1.05 1.05

Calculo del centro en trasversal

Distancia i 0.639619 m

Distancia d 0.820381 m

z 0.414503 m Centro de gravedad

x 1.074286Desde eje delantero

y 0.639619Desde el lado izquierdo

z 0.428359 Desde el suelo

Tabla 2.1. Proceso para la determinacin del centro de gravedad Fuente: Los autores

2.2.2.- Neumticos: Carga mxima permisible.

El tipo de Neumtico utilizado en el vehculo Chevrolet Gemini es KUMHO tires,

ECSTA supra 205/40ZR16 83 W.

2.2.2.1.- Descripcin del neumtico.

Las caractersticas principales del neumtico son las siguientes:

Anchura nominal de la seccin 205 mm.

Relacin nominal de aspecto 40%

Estructura Radial

Dimetro del neumtico 16 = 406.4 mm.

Capacidad de carga 490 kg.

Categora de velocidad W = 270 km/h

Tipo de labrado Verano.

Presin de soporte del neumtico 18.5 lb.

Temperatura de trabajo Rango alto.

Tabla 2.2. Caractersticas mecnicas del neumtico Kumho Ecsta supra

La banda de rodadura contiene compuestos de slice que permite un mejor

rendimiento del neumtico en superficie seca y mojada. Posee una labrado con

nervadura central para la evacuacin de agua, y nervaduras direccionales para una

aceleracin superior y frenado.

Contiene adems dentro de su estructura hilos de nylon los cuales le dan mayor

estabilidad en velocidades altas y resistencia a fuerzas centrfugas.

2.2.3.- Caractersticas generales

2.2.3.1.- Dimensione externas del vehiculo Chevrolet Gemini.

Longitud total 4.45 m

Ancho total 1.60 m

Altura total 1.30

Batalla o distancia entre ejes 2.40 m

Va delantera 1.46m

Va posterior 1.40 m

Altura de la carrocera 1.20

Tabla 2.3 Dimensiones externas del Chevrolet Gemini.

Las medidas externas adicionales para el dibujo en tres dimensiones del vehiculo se

pueden apreciar en la Fig.2.2 b

Fig. 2.2.bVistas del Chevrolet Gemini. Fuente Los autores

Unidades en metros.

2.2.3.2.- Velocidad.

La velocidad mxima alcanzada por el vehiculo es de 130km/h experimentada en

lnea recta, y de 100 km/h experimentada en curva.

2.2.3.3.- Transferencia de masa:

La transferencia de masa se presenta en las deceleraciones en mayor proporcin que

en las aceleraciones, y tienen como eje de transferencia el centro de cabeceo. Si se

considera que el movimiento de vaivn se encuentra en el infinito, el centro de

cabeceo es coincidente con el de gravedad. Utilizando los estudios realizados por

Luque13:

sx

s

s

s

haKmtm

=+

( 2.3)

Donde:

[m] cabeceo de centro del altura h][m/s allongitudin eje elen n aceleraci a

[rad] carga de ncia trasnferede angulo [kg/s] suspension la de riguidez K

[kg] analizado eje elen ssuspendida masa

s

2x

ss

ss

==

===

sm

El valor de la rigidez no se puede determinar de una forma experimental dado logran

dificultad del anlisis del sistema de suspensin que cuenta con varios elementos

elsticos.

Utilizando la ecuacin para la transferencia de carga en frenado, con la consideracin

de la no presencia de la fuerza aerodinmica se tiene:

Bham

m xt 7.9)(

= ( 2.4)

Siendo B la batalla del vehiculo.

13 Ingeniera del Automvil, Edtorial Thomson 2004

Conociendo la masa total y la altura del centro de gravedad, ingresando los valores

considerando las unidades correspondientes se tiene14:

#1: InputMode Word msaxh #2: mt = 9.7b m1 + mt s #3: = ks axhs #4: ms 1050 #5: s 0.6109 #6: ax 3.2715

#7: hs 0.4283

#8: m1 580

#9: b 2.4

Resolviendo la ecuacin en funcin del coeficiente de rigidez

m1 + mt s

#10: SOLVE = , ks

ks axhs

#11: mt = 63.16873067 kg

#12: mt 63.168

14 Proceso realizado en Derive 15 Para el calculo numrico, se toma el valor de ax= 3.27 m/s2, valor encontrado de forma experimental por medio de la utilizacin de un acelermetro mecnico pero sin una verificacin exacta.

#13: ks = 1474.518176 kg/s

2.3. Determinacin de las caractersticas aerodinmicas.

La determinacin de las condiciones aerodinmicas del vehiculo Gemini, sern

realizadas en forma virtual bajo los procedimientos detallados en el literal 1.6 del

presente trabajo.

Se proceder a un anlisis en 2D, con la ventaja sobre el 3D de un proceso de

convergencia de las ecuaciones de gobierno ms rpido, y con resultados

satisfactorios primarios.

2.3.1.- Generacin del vehiculo en 2D.

La generacin de la geometra bsica en dos dimensiones se realiza en el programa

RhinoCero.

Con las medidas externas generales y por medio de un proceso de toma de medidas

por medio de planos de referencia, se genero la forma bsica del perfil, vista derecha

(Fig. 2.3.a) del vehiculo, debido a que permite un anlisis del flujo en movimiento

paralelo al eje longitudinal del vehiculo.

El archivo de la geometra del vehculo se gravo en el programa Rhino Cero con una

extensin IGES, el cual es un archivo que relaciona el programa Gambit y

RhinoCero.

Fig. 2.3.a Vista derecha del vehiculo Gemini. Fuente: Los autores.

Generado en el programa rhinoCero.

2.3.2.- Generacin del mallado

Para la realizacin del proceso de mallado se lo ejecuto en el programa Gambit, para

lo cual es necesario importar la geometra del programa RhinoCero al programa

Gambit por medio del archivo Iges.(Fig. 2.3.b)

Fig. 2.3.b Importacin del archivo Iges. Fuente: Los autores.

Se seleccionamos la opcin espacial ya que nos permite un chequeo de los bordes de

la geometra del vehculo ( No stand alone edges). Est opcin permite a su vez que

el programa Gambit no lea los bordes que no pertenezcan al perfil del carro.

Se selecciona a dems la opcin (Virtual Cleanup), la cual permite una limpieza de la

geometra importada por Gambit, en un porcentaje de 10 % del borde ms corto.

El siguiente paso fue la creacin del entorno sobre el vehiculo que representa la zona

de estudio de los efectos aerodinmicos. Par ello se genero un entorno cuadrado de

10m de longitud (x) y 5 m de altura (y), estos valores son tomados para permitir que

la presin tanto de entrada como la salida sea la misma.

A continuacin es necesario realizar la creacin de las superficies para lo cual se

ingresa en:

Face

Create Face From Wireframe

Fig. 2.3.c Comandos para generar el contorno sobre el vehiculo. Fuente: Los autores.

Con este proceso se consigue dos superficies: El rectngulo y el coche, cuando se

crea la superficie pasa de color amarillo a azul.

Lo que se quiere obtener en el programa en una sola superficie que defina el aire

alrededor del coche, es decir la superficie exterior con un agujero con forma de

coche, para los cual es necesario la sustraccin de la funciones Bolean Operation

( Substract Real Faces).

Para la ejecucin del la sustraccin es necesario seleccionar el rectngulo exterior en

Fase y el vehculo en Substract Face.

Fig. 2.3.d Ventana para realizar la sustraccin del vehculo. Fuente: Los autores.

Para verificar la correcta operacin se realiza el comando Render Model Shaded .

Fig. 2.3.e Verificacin de la extraccin del vehiculo del contorno. Fuente: Los autores.

Una vez realizado estos procesos se procede a realizar la generacin del mallado.

Se selecciona la operacin Mesh, del bloque Mesh se selecciona el icono Edges y

dentro de este el icono Mesh Edges (Fig.2.3.e y Fig.2.3.f)

Fig. 2.3.f Comando para la generacin de la malla

Fig. 2.3.g Pantalla principal para el mallado. Fuente: Los autores.

En este paso se selecciona las lneas que se van a mallar, que en primer caso es el

contorno del vehculo cuyo espacio de separacin de mallado es de 0,1, el cual

determina los nodos que se van a colocar sobre la lnea.

Fig. 2.3.h Designacin del espaciado para el mallado del contorno. Fuente: Los autores.

Luego se procede a crear el mallado del vehculo y de la parte inferior del vehculo,

siguiendo el mismo proceso anterior, con una separacin de 0.01

Con lo que se obtiene el mallado del vehculo:

Fig. 2.3.i Designacin del espaciado para el mallado del vehiculo. Fuente: Los autores.

A continuacin se obtiene el mallado total del entorno del vehculo y el vehculo, con

lo que se tiene:

Fig. 2.3.j Espaciado del vehiculo y contorno. Fuente: Los autores.

El proceso es correcto por la presencia de crculos azules sobre las lneas de contorno de cada elemento.

Luego de haber ejecutado los procesos anteriores es necesario crear el mallado de la

superficie para lo cual se procede a ingresar dentro de los iconos Mesh, dentro del

bloque Mesh se selecciona Edges y dentro del icono se selecciona Mesh Edges.

Fig. 2.3.k Comando para la generacin de la malla. Fuente: Los autores.

Con lo que se obtiene el cuadro de dialogo:

Fig. 2.3.l cuadro de dialogo para el ingreso de las caractersticas del mallado. Fuente: Los

autores.

Se selecciona mallas triangulares ya que se adaptan mejor al diseo de la carrocera.

Al aplicar la instruccin se obtiene:

Fig. 2.3.m Mallado de la zona de estudio. Fuente: Los autores.

Para comprobar el estado del mallado se genera el comando Check, lo cual visualiza

la calidad de las mallas. Para dos dimensiones la calidad de las mismas no debe

exceder el factor de prueba 0.7.

La malla generada alcanzo un valor (Tabla ) de 0.1 para el 96% de los elementos

generados, teniendo solo el 0.15% de mallas deformadas.

Tabla 2.4. Anlisis del mallado. Fuente: Los autores.

2.3.3.- Determinacin de las condiciones de contorno y del fluido.

El siguiente paso es la determinacin y asignacin de las condiciones del fluido y del

contorno para la malla generada que posteriormente sern utilizados para el anlisis

del diseo en el programa Fluent, para lo cual se selecciona los siguientes conos

comandos:

Fig. 2.3.n. Comandos para la determinacin de las caractersticas del fluido. Fuente: Los autores.

Con lo que se obtiene:

Fig. 2.3.o Ventana principal par la seleccin del tipo de fluido. Fuente: Los autores.

Se selecciona dentro de la opcin Entity la opcin Faces porque el diseo a analizar

se encuentra en dos dimensiones.

Luego se procede a la creacin de los contornos que en el caso nuestro es el aire,

para lo cual es necesario seleccionar las caras en la que influye este

Fig. 2.3.p seleccin de las caracterizas del fluido. Fuente: Los autores.

Al aplicar, se obtiene que el fluido creado se crea en la parte superior de las

especificaciones.

Fig. 2.3.q Verificacin del proceso de seleccin del mallado. Fuente: Los autores.

Posteriormente se procede a la creacin de las condiciones de contorno ( Specify

Boundary Types) ..

Fig. 2.3.r Ventana principal para la eleccin de los contornos. Fuente: Los autores.

En este paso se selecciona las entidades que van a ingresar en cada Edges, para lo

cual se debe crear las entidades en el Icono Entity. Aqu a dems se debe crear el

nombre que va a tener la entidad, y la caracterstica que esta posee.

Fig. 2.3.s Opciones para la eleccin de las caractersticas de los contornos. Fuente: Los autores.

En nuestro caso se selecciono las siguientes condiciones de entorno:

La lnea vertical de la izquierda como la entrada de aire, donde se fijar la

velocidad de ingreso (Velocity Inlet)

La lnea vertical de la derecha como la salida, con presin constante (Pressure

Outlet ), con la consideracin que en el infinito la presin es constante.

Las tres lneas inferiores que componen la carretera como una pared (wall) lo

cual determina cualidades de rugosidad y movimiento relativo en procesos de

anlisis posteriores.

Las lneas que componen el contorno del coche como otra pared.

La lnea horizontal superior como simetra,(Symetry) para designar una

frontera virtual sin rugosidad ni perdidas por friccin o generacin de

turbulencia.

Fig. 2.3.t Tipos de contornos elegidos. Fuente: Los autores.

Fig. 2.3.u Mallado total. Fuente: Los autores.

Para finalizar el proceso en Gambit y continuar el anlisis en el programa Fluent es

necesario guardar el mallado para lo cual se sigui el siguiente proceso:

File

Export

Mesh

Fig. 2.3.v Pantalla de Exportacin. Fuente: Los autores.

Techo Simetry

Entrada Velocity inlet

Coche Wall

Salida Pressure Outlet

Carretera Wall

2.3.4.- Definicin de Modelos y las condiciones de contorno

Para definir las condiciones de contorno del vehculo, se lo realiza en el programa

Fluent, para lo cual se debe abrir el programa, en este a continuacin aparece una

ventan en la que se define si se va a trabajar en forma bidimensional o

tridimensional.

Fig. 2.3.w Seleccin de la Versin. Fuente: Los autores.

A continuacin aparece una ventana de identificacin del programa en el cual

constan los comandos de trabajo del Fluent.

Fig. 2.3.x Ventana Principal del Programa Fluent. Fuente: Los autores.

Para efectuar la lectura de mallado realizada anteriormente en el programa Gambit se

ejecuta de la siguiente manera:

File

Read

Case

Fig. 2.3.y Lectura del Mallado. Fuente: Los autores.

En est ventana se encuentran todos los datos impuestos anteriormente en el

programa Gambit como son: Nmero de celdas y las condiciones de contorno.

La forma de poder visualizar esas condiciones impuestas anteriormente es

ingresando en:

Display

Grid

Fig. 2.3.z Condiciones de Contorno. Fuente: Los autores.

En la seccin de Surfaces de la ventana de Gris Display se puede apreciar las zonas

definidas anteriormente en el programa Gambit mas la zona Default interior que es

la zona correspondiente al mallado.

El programa Fluente asigna a cada zona un color de lnea que corresponde a los

siguientes colores.

Velocity inlet ( Azul)

Pressure outlet ( Rojo)

Wall ( Blanco)

Simetry ( Amarillo)

Celdas interiores (Verde)

La forma de acceder a verificar los colores de cada zona es ingresando en la ventana

de Grid Display, dentro del icono Display.

Fig. 2.3.aa Visualizacin del Mallado. Fuente: Los autores.

2.3.5.- Modelo utilizado

Para ejecutar la definicin de los modelos se la realiza ingresando en los siguientes

comandos:

Define

Models

Solver

Fig. 2.3.bb Definicin de Modelos. Fuente: Los autores.

Est ventana le permite elegir las siguientes consideraciones:

Solver: Que es una algoritmo de resolucin segregado ( Segregated) y

agregado ( Coupled), cuya diferencia es la forma de linealizacin y la forma

de resolucin de las ecuaciones discretizadas, en nuestro caso se selecciono la

opcin Segregated que es la ideal para flujos subsnicos, mientras que la

Coupled es ideal para flujos supersnicos.

Space: En este icono se selecciona como el caso se lo va a resolver de forma

bidimensional considerando el ancho constante para un valor de 1 m para la

variable que requieran caudal o fuerza. La opcin Axisymmetric resuelve en

forma bidimensional algunos casos tridimensionales que poseen un eje de

simetra.

Time: Est opcin permite seleccionar si la solucin cambia con el tiempo

(Steady) expresamente utilizada para flujos estacionarios y para flujos no

estacionarios la opcin (Unsteady).

A continuacin se procede a seguir definiendo los diferentes modelos para esto se

ingresa en:

Define

Models

Energy

Fig. 2.3.cc Cuadro de activacin de la Ecuacin Energa. Fuente: Los autores.

La ecuacin de la energa se la habilita cuando la temperatura es una variable, es

decir existe una transferencia de calor o el flujo es compresible, en nuestro caso esta

funcin debe ser deshabilitada.

Luego se procede a definir las condiciones de viscosidad para lo cual se seguir el

proceso descrito a continuacin:

Define

Models

Viscous

Fig. 2.3.dd Cuadro de la Seleccin del modelo de Viscosidad. Fuente: Los autores.

Est opcin permite definir el modelo de turbulencia que en nuestro caso se utiliza el

modelo K- epsilon, cuyas caractersticas se encuentran definidas en el Captulo 1,

tomando los valores de la ecuacin 83.

Fig. 2.3.ee Seleccin de los modelos de Turbulencia. Fuente: Los autores.

2.3.6.- Condiciones del fluido

Una vez definidas todas estas caractersticas se procede a indicar los valores

correspondientes a los materiales y a las condiciones de operacin.

Define

Materials

Fig. 2.3.ff Ventana de la seleccin de Materiales. Fuente: Los autores.

Cabe indicar que en est ventana no se elige el material que se va a utilizar ya que

eso se lo realizo cuando se ingreso las condiciones de contorno, aqu se describen los

nombres y las propiedades de los materiales disponibles, que en nuestro caso es el

aire como fluido y el aluminio como slido.

En caso de que se desee cambiar el tipo de slido a fluido puede seleccionar el icono

Database, en el cual se encuentra cargados una serie de elementos.

Luego procedemos a la definicin de las condiciones de operacin para lo cual se

seguir el siguiente proceso:

Define

Operating Conditions

Fig. 2.3.gg Ventana de las Condiciones de Operacin. Fuente: Los autores.

El dato de la presin es el valor de la presin de referencia ( atmosfrica), el valor de

la presin utilizada por el programa es el valor de la presin relativa a este valor. Se

debe seleccionar el casillero de la gravedad cuando existe efectos de flotacin en el

flujo debido a diferencias de densidad por cambios de temperatura o de fase, en

nuestro caso est funcin debe ser deshabilitada.

2.3.7.- Condiciones de contorno

En este momento procedemos a definir las condiciones de contorno para los cual se

sigue el siguiente proceso:

Define

Boundary Conditions

Fig. 2.3.hh Cuadro de las Condiciones de Contorno. Fuente: Los autores.

En esta ventana a la izquierda se encuentran las zonas y bordes definidos

anteriormente en el programa Gambit y al lado derecho los tipos posibles para cada

elemento, resaltado con azul el tipo seleccionado. Si desea seleccionar otros valores

debe seleccionar el icono Set.

Entrada

Al ingresar dentro de la zona entrada, se tiene una ventana en la cual se debe

especificar algunas condiciones referentes a la zona.

Dentro del icono Velocity specification method se puede seleccionar tres mtodos de

desarrollo.

Magnitude, Normal to Boundary

Magnitude and Direction

Components

Magnitude, Normal to Boundary: Aqu se indica el valor de la velocidad, la direccin

es normal al contorno.

Magnitude and Direction: Se indica el valor de la velocidad y el vector de direccin,

este caso es utilizado cuando la velocidad no circula en forma perpendicular en todo

el contorno.

Components: Se utiliza con las componentes del vector de velocidad.

En nuestro caso seleccionamos el mtodo Magnitude, Normal to Boundary, con una

magnitud de velocidad de 40 m/s tomando en consideracin la velocidad de 130km/h

del vehiculo y una velocidad del aire de 15m/s como valor referencial, la energa

cintica turbulenta y la proporcin de disipacin de turbulencia

Fig. 2.3.ii Cuadro de las condiciones de Contorno de la zona de Entrada. Fuente: Los autores.

Salida

Se indica el valor de la presin esttica a la salida, hay que colocar el valor de la

presin relativa a la atmosfrica ( Gauge Pressure).

En nuestro caso se coloca el valor de Gauge cero debido a que lejos de coche la

presin es atmosfrica.

Fig. 2.3.jj Cuadro de las condiciones de Contorno de la zona de Salida. Fuente: Los autores.

Vehculo

En est zona la nica funcin activa para poder ejecutar es el Momentum, en la cual

se define si la pared est en movimiento o en reposo, as como los valores de

rugosidad en la pared, en nuestro caso se simula que el vehculo esta en reposo y el

aire fluye sobre la superficie del vehculo ( Stationary Wall), que la altura de

rugosidad ( Roughness Height ) es de 0,0001 y la constante de rugosidad de la pared

de 0,5.

Fig. 2.3.kk Cuadro de las condiciones de Contorno de la zona del Vehculo. Fuente: Los autores.

Carretera

En este caso se simula que la carretera tiene un movimiento hacia el coche, por lo

que se lo considera (Moving Wall), se indica el mismo valor de la velocidad de 40

m/s en sentido del eje x, y el valor de la altura de rugosidad de 1 cm.

Fig. 2.3.ll Cuadro de las condiciones de Contorno de la zona de la Carretera. Fuente: Los autores.

Techo

En el caso de esta zona est tomada como simetra que define una lnea o un plano de

simetra para poder simular solo la mitad, se comporta como una pared sin

rozamiento; por lo que en est zona no es necesario cambiar ningn parmetro.

Fig. 2.3.mm Cuadro de las condiciones de Contorno de la zona del Techo. Fuente: Los autores.

Default interior

Est zona es creada automticamente por el programa Gambit y la constituyen todas

las lneas referentes al mallado.

Fig. 2.3.nn Cuadro de las condiciones de Contorno de la zona Default Interior. Fuente: Los

autores.

2.3.8.- Control de parmetros.

Discretizacin y Relajacin: Es la resolucin de las ecuaciones que en nuestro caso

por defecto es Standard en presin, es de primer orden en las ecuaciones de

movimiento y turbulencia. Y simple de acoplamiento entre la presin y la velocidad.

Los valores de Relajacin (Under Relazation Factors) controlan los procesos

iterativos en el momento de la resolucin de las ecuaciones.

Solve

Controls

Solution

Fig. 2.3.oo Ventana de Control de parmetros de Discretizacin y Relajacin. Fuente: Los

autores.

Residuos: El residuo es la diferencia entre el valor de la solucin nueva y la anterior.

El error residual se determina en 0.001

Solve

Monitors

Residual

Fig. 2.3.pp Ventana de Control de los Residuos. Fuente: Los autores.

2.3.9.- Inicializacin de la solucin

En el proceso de resolucin de las ecuaciones es necesario indicar los valores

iniciales de las variables, estos son establecidos dentro de:

Solve

Initialize

Initialize

Fig. 2.3.qq Cuadro de los valores de las variables para realizar el proceso de clculo. Fuente: Los

autores.

Cuando se a introducido cada una de los iconos de la ventana se aplica el botn Init,

luego Apply y finalmente Close.

2.3.10.- Proceso de clculo de la Iteracin.

Para el proceso de iteracin y resolucin se ingresa en:

Solve

Iterate

Fig. 2.3.rr Cuadro del nmero de Iteraciones para la resolucin de las ecuaciones. Fuente: Los

autores.

Fig. 2.3.ss Grfica de las Iteraciones realizadas. Fuente: Los autores.

En conclusin de la grafica se tiene que se llego a la convergencia de las ecuaciones

en las 538 iteracin, teniendo en cuenta que el margen de error es de 0,001.

2.3.11.- Anlisis.

2.3.11.1.- Grafica de vectores de velocidad.

Se crea la grfica de vectores de velocidad mediante el siguiente proceso:

Display

Vectors

Fig. 2.3.tt Cuadro de control de las variables de un vector. Fuente: Los autores.

La grfica se obtiene pulsando el botn Display.

Fig. 2.3.uu Grfica de los vectores de velocidad de todo el contorno del vehculo. Fuente: Los

autores.

Se puede observar que existe un vector de baja velocidad en la parte delantera del

vehculo, aumentado su valor a medida que fluye por el parabrisas, el valor mximo

del vector de velocidad se observa en el techo del vehculo, a dems cabe indicar que

en la parte posterior del vehculo se crea un depresin en la parte posterior del

vehiculo (zona del alern) debido a que existen un alto y bajo valor de velocidad del

vector, lo cual tambin se lo puede apreciar en el grfico de presiones.

Fig. 2.3.vv Grfica de los vectores de velocidad del contorno posterior del vehculo. Fuente: Los

autores.

2.3.11.2.- Contorno de presiones.

Se ingresa en:

Display

Contours

Fig. 2.3.ww Cuadro de descripcin del contorno de Presiones. Fuente: Los autores.

Fig. 2.3.xx Grfica de la presin esttica en todo el contorno del vehculo. Fuente Los autores

La presin en a parte posterior es de -3.73E2pa.

2.3.11.3.- Contorno de turbulencia.

Se ingresa en:

Display

Contours

Turbulence

Intensity

Fig. 2.3.yy Cuadro de descripcin del contorno de Turbulencia.

Fig. 2.3.zz Grfica de la turbulencia en todo el contorno del vehculo. Fuente: Los autores

En el grfico se puede observar que en la parte posterior existe una diferencia de

turbulencia ya que contiene valores que poseen gran variacin, lo cual se tendr muy

en cuenta en el momento del diseo, ya que se puede notar que son zonas criticas.

2.3.11.4.- Lneas de corriente y ngulo de incidencia en la parte

posterior.

Para obtener la grafica de presiones se sigue el siguiente proceso:

Display

Contours

Velocity

Stream Function

Fig. 2.3.aaa Cuadro de la descripcin de las lneas de corriente y ngulo de incidencia en la

parte posterior del vehculo. Fuente: Los autores

Fig. 2.3.bbb Grfica de las lneas de corriente y del ngulo de incidencia en todo el contorno del

vehculo. Fuente: Los autores

El ngulo de incidencia en la parte posterior se encuentra en una rango de 10 a 12

grados.

2.3.11.5.- Coeficiente de arrastre y sustentacin.

Para obtener un reporte de los resultados en fluent es decir un valor numrico se

sigue el siguiente proceso:

Report

Reference Values

Fig. 2.3.ccc Cuadro de control de los valores de referencia para poder ejecutar los reportes.

Fuente: Los autores

En este cuadro se colocan cada una de las variables que anteriormente se

consideraron para la ejecucin de la simulacin.

A continuacin se ingresa en:

Report

Forces

Fig. 2.3.ddd Ventana de Seleccin del tipo de variable que se quiere obtener el reporte general.

Fuente: Los autores

Los datos de la simulacin obtenidos en el programa Fluent son los siguientes:

Eje X

Force vector: (1 0 0)

Tabla 2.6. Reporte de las fuerzas que actan en el eje x del vehculo. Fuente: Los autores

Eje Y

Tabla 2.7. Reporte de las fuerzas que actan en el eje y del vehculo. Fuente: Los autores

El valor del coeficiente de sustentacin (y) no es el adecuado debido a que existe

una acumulacin de presiones bajo el vehiculo si se considera con los neumticos.

Hay que realizar una modificacin eliminando los neumticos en el anlisis lo cual

da los siguientes resultados luego de 450 iteraciones.

2.3.11.6.- Proceso de clculo de la Iteracin del vehculo sin

considerar los neumticos.

Para el proceso de iteracin y resolucin se ingresa en:

Solve

Iterate

Fig. 2.3.eee Cuadro del nmero de Iteraciones para la resolucin de las ecuaciones. Fuente: Los

autores

Fig. 2.3.fff Grfica de las Iteraciones realizadas sin considerar los neumticos del vehculo.

Fuente: Los autores

En conclusin de la grafica se tiene que se llego a la convergencia de las ecuaciones

en las 451 iteracin, teniendo en cuenta que el margen de error es de 0,001.

2.3.11.7.- Grfica de Presin

Fig. 2.3.ggg Grfica de las presiones que actan en todo el contorno del vehculo sin considerar

los neumticos. Fuente: Los autores

2.3.11.8.- Coeficiente de arrastre y sustentacin.

Eje X

Tabla 2.8. Reporte de las fuerzas que actan en el eje x del vehculo sin considerar los

neumticos. Fuente: Los autores

Eje Y

Tabla 2.9. Reporte de las fuerzas que actan en el eje y del vehculo sin considerar los

neumticos. Fuente: Los autores

2.3.11.9.- Grfica de las Lneas de Corriente

Fig. 2.3.hhh Grfica de las lneas de corriente en todo el contorno del vehculo sin considerar los

neumticos. Fuente: Los autores

Fig. 2.3.iii Grfica de las lneas de corriente en la parte posterior del vehculo sin considerar los

neumticos. Fuente: Los autores

2.3.11.10.- Contorno de turbulencia.

Fig. 2.3.jjj Grfica de la turbulencia en todo el contorno del vehculo sin considerar los

neumticos. Fuente: Los autores

2.4. Entorno.

Para el anlisis de las condiciones de contorno se realiza mediciones de las variables

de mayor importancia que influyen en los efectos aerodinmicos sobre el vehiculo.

La temperatura ambiental, la velocidad del aire son las variables de mayor influencia.

La presin atmosfrica variable importante no es tomando en consideracin pues la

variacin de sus valores no son importantes, al mantenerse un nivel de altura con

respecto al mar en lmites cercanos.

Al estudiarse los efectos a altas velocidades, se a determinado una zona de pruebas,

en donde por las condiciones de carretera permiten que el vehiculo alcance

velocidades de circulacin que permitan que los efectos aerodinmicos se presenten.

La zona elegida como circuito de pruebas es la Autopista Cuenca-Azogues, en la

zona ubicada en el Cantn Cuenca. La ruta se puede observar en el (Anexo 1).

2.4.1.- Condiciones geogrficas.

2.4.1.1.- Caractersticas de la carretera

La ruta elegida posee una serie de curvas de tipo abiertas de alta velocidad con

valores de hasta 90 grados de cambio de direccin, a dems contiene rectas largar de

alta velocidad.

El circuito seleccionado a su vez cuenta con zonas tanto cerradas como abiertas en

los laterales, en las cuales se forman un aumento de la velocidad del aire y un flujo

de aire lateral en el vehculo.

2.4.1.2.- Ancho de carretera.

El circuito cuenta con cuatro carriles, de los cuales son dos de desplazamiento Norte

Sur y dos de Sur Norte.

La carretera cuenta con un ancho de va de 10 m.

2.4.1.3.- Condiciones de asfalto.

La ruta seleccionada contiene zonas en las cuales el asfalto se encuentra en buen

estado, regular y zonas en las que no posea asfalto.

A dems el circuito cuenta con zonas de hundimiento del asfalto provocando que el

conductor del vehculo reduzca la velocidad.

La ruta contiene en porcentajes unos 60% de asfalto en buenas condiciones, 30% de

asfalto en condiciones regulares y 20% en malas condiciones.

El asfalto contiene una rugosidad de 5 mm. a 10 mm.

2.4.2.- Condiciones atmosfricas.

2.4.2.1.- Presin.

El desnivel que se presenta en el circuito es de 230 m. analizando los dos limites de

desnivel, 2350 y 25850 se determinaron los rangos de presin atmosfrica para el

anlisis,

Utilizando la ecuacin 1.15 de determinacin de la presin, descrita en el capitulo

116, se obtiene:

#1: InputMode Word p 5.256 #2: = (1 - 0.00000688h) po p 5.256 #3: SOLVE = (1 - 0.00000688h) , p po 657/125 po(6250000 - 43h) #4: p = 657/125 6250000

16 Atmsfera estndar, pagina 7.

#5: po 101.23 Kpa #6: h 2350 m. #7: p = 92.91839935 kPa #8: h 2580 m. #9: p = 92.13557198 kPa

Con ello el rango de estudio ser entre los 92kPa. y los 93 kPa.

2.4.2.2.- Velocidad del aire.

Para el estudio de la

velocidad del aire en la

carretera, se tomaron 14

muestras de la velocidad,

en las zonas que en el

plano del circuito (Anexo

1) se describen con texto

amarillo. Se utilizo para la

toma de muestras, el

anemmetro de paletas

marca weatherport, modelo

J100 con termmetro

ambiental y ubicacin

geogrfica incorporado

(Ilustracin 7)

Ilustracin 7. Anemmetro Whaterprot modelo J100.

La interfas con el computador se realizaba por medio de un codificador serial, y la

utilizacin de un adquisidor de datos WRT14.

La adquisicin de datos se realizo en el intervalo de 1 minuto, con un nmero de 60

mediciones en dicho intervalo de tiempo, elegido como unidad de medida, el sistema

mtrico.

Los datos obtenidos se presentan en formato txt como se indican el la tabla:

Start of data:

Station: PRUEBA1

Metric Units

Loging Period in minutes: 01

Date and Time:

05/20/2268 16:07

TIME WS WD PK T1

HH:MM kph Deg kph C

Date: 05/20/2268

Tabla 2.5 Formato de presentacin de resultados del anemmetro.

En la primera columna se presenta el intervalo de tiempo en el cual los datos fueron

tomados, seguidos de la velocidad promedio de aire (km/h) en el intervalo. Se

presenta luego la direccin (grados) y valor de la velocidad (km/h) mxima

registrado en el tiempo de anlisis seguida de la temperatura media durante la

medicin.

Para el anlisis estadstico de los datos de muestra17 con prioridad en las medidas

criticas (tabla 2.6), se utilizo el procedimiento de Beers, Dress, & Wensel 1966 con

la ecuacin de linealizacin:

1)(cos += anguloineAspect

2.1

La cual determina que el aspecto o relacin azimuth (linealizacin del ngulo) esta

definido por la diferencia entre el ngulo (principal) y el ngulo general original

del vector. La determinacin de 17 Los datos de medicin se enlistan en el anexo 3.

= sinS 2.2

= cosC 2.3

=

CSarctan

2.4

De este anlisis se obtiene que el ngulo promedio de incidencia es de 78.225 en

direccin Nor-este, y para el rango de mayor frecuencia, y mximas velocidades es

de 68,90 con direccin suroeste, con una distribucin de velocidades con mayor

frecuencia en el intervalo de 10 a 15 Km/h.

Dir=Direccion en grados.

V= Velocidad en km/h

Tabla 2.6 Velocidades crticas y repetitivas. Fuente: Los autores

Pruebas.

Dir. V Dir. V Dir. V Dir. V Dir. V Dir. V Dir. V Dir. V Dir. V Dir. V Dir. V Dir. V Dir. V Dir. V

Valores. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Maximos 134 19.3 139 19.3 281 33.8 252 25.7 42 25.7 239 49.9 216 32.5 103 28.9 95 24.1 124 24.1 136 25 - - 60 19.3 60 19.7

93 38.6 152 28.9

213 30.5

Repetitivos 136 11.2 156 11.2 281 33.8 267 11.2 47 17.7 165 25 149 19.3 75 20.9 109 19.3 36 14.4

188 11.2 100 11.2 283 33.8 63 11.2 131 17.7 213 25 1 19.3 114 22.5 110 19.3 352 14.4

159 11.2 221 11.2 53 17.7 351 14.4

17 11.2 251 30.5 75 20.9 42 14.4

81 9.66 301 30.5 251 20.9

266 9.66 202 14.4 245 20.9 15 12.8

324 14.4 352 12.8

212 8.05

305 8.05

2.4.2.3.- Temperatura ambiental.

Los parmetros de temperatura a lo largo de la zona de pruebas se realizo con el

termmetro interno del anemmetro, tomando los datos en el lapso de 5 minutos, con

lo cual se obtuvieron los datos representados en la tabla:

Temperatura (C)

pruebas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

1 21 19 17 17 17 17 17 22 21 23 23 19 19 19

2 22 19 17 18 17 17 17 21 21 23 23 19 19 19

3 22 19 18 18 17 17 17 21 21 23 23 19 19 20

4 22 19 18 18 17 17 17 21 22 24 24 19 19 20

5 22 19 18 18 18 17 17 21 22 24 24 19 19 20

6 23 20 19 18 18 17 17 21 22 24 24 19 19 20

7 23 21 19 18 18 17 17 21 22 24 24 20 19

8 23 21 18 18 21 20 19

9 21 18 18 19 19

10 21 18 19 19

11 21 19 19

12 21 19

13 21 19

14 19

15 19

16 19

17 19

18 20

19 20

20 19

21 19

22 19

Tabla 2.7 Distribucin de temperatura Fuente: Los autores

Analizando los valores obtenidos se determinan los valores lmites (tabla 2.8):

T media 22.25 20.15 18 17.86 17.56 17 17 21.13 21.57 23.57 23.57 19 19.18 19.27 T anlisis

Tmxima 23 21 19 18 18 17 17 22 22 24 24 19 20 20 24

Tminima 21 19 17 17 17 17 17 21 21 23 23 19 19 19 17

Temperatura en C

Tabla 2.8Valores limites de temperatura. Fuente: Los autores

Comparando las muestras de velocidad con temperatura (Anexo 5), se determina que

las velocidades sobre los 25 Km/h se presentan a temperaturas entre los 17 y 18

grados y que el incremento de la misma genera una reduccin de flujo de corriente,

mantenindose los valores de mayor frecuencia en los 19 C. Con una tendencia a

una disminucin de la misma a partir de los 24 C.

2.5. Caractersticas de diseo. 2.5.1.- Mecnicas

Como el circuito no presenta curvas cerradas, y la carretera no presenta peraltes

superiores a los 3 , la transferencia de masa sobre el eje longitudinal es mnima;

mantenindose un ngulo inferior a los 15 y una aceleracin centrpeta menor a los

3 m/s2, por lo cual no representa un punto de anlisis importante.

La transferencia longitudinal de peso tiene un valor medio de 64 Kg

aproximadamente, dato importante que se utilizar para la determinacin de la

prdida de fuerza en el eje posterior y por ende la necesidad de una fuerza adicional.

La tendencia del diseo ser que el centro de gravedad se mantenga en la posicin

original o en una coordenada z menor a la actual, con lo cual se asegura que la

transferencia de pesos tanto longitudinal como transversal desde los centros de

balanceo sea inferior.

2.5.2.- Aerodinmicas

De acuerdo a lo obtenido en los programas Gambit y Fluent, los cuales nos dan a

conocer parmetros de diseo para el alern podemos notar que en cuanto al vector

de velocidad se necesita colocar un elemento que permita desviar el flujo el techo del

vehculo a la parte posterior para que produzca un aumento de presin en la parte

posterior permitiendo as que el vehculo se asiente dando as una mayor estabilidad.

En cuanto a la turbulencia se puede notar que existe un valor alto en la parte superior

y una valor bajo en la parte posterior del vehculo lo que causa el efecto de succin,

es decir una baja presin esttica, el problema de diseo se basa ahora en la que

tenemos zonas en la cual existe turbulencia media y velocidad y presin esttica baja

lo cual producira una deficiencia en la operacin del alern

Esto genera que el diseo deba enfocarse en la reduccin previa de la turbulencia y

en el aumento de la velocidad en la zona del parabrisas posterior con lo cual se

garantizara una eficiencia del alern.

Otra caracterstica en el diseo se tratar de colocar el alern en la zona mixta de

turbulencia (zona de color cyan) en el grafico de contorno de turbulencia para tratar

de aprovechar el inicio de la turbulencia en la cual se alcanza velocidades medias

pero con vortices que afectaran la eficacia del alern provocando una un arrastre y

sustentacin inducida.

2.5.3.- Entorno

La temperatura para el anlisis se encontrara entre los 17 C y 20 C, para el estudio

general es la estndar, para el anlisis en las zonas criticas se tomara la temperatura

de 13C a 15 C con lo cual se espera utilizar una velocidad de flujo de aire superior

a los 50 Km/h.

Con relacin a la velocidad se utilizarn la media aritmtica = 15 Km/h, de los datos

analizados, que se sumar a la velocidad mxima del vehculo (140 Km/h).

Las zonas criticas de la velocidad tendr el valor mximo de dicho vector (49.9

Km/h), analizado como flujo negativo, es decir como un flujo en la direccin del

movimiento del vehculo con 180 grados con referencia al eje longitudinal.

A dems cabe indicar que en cuanto al asfalto se va a considerar que la rugosidad del

mismo ser de 0.002 m cuyo valor ser introducido en el programa Fluent como

caractersticas de la va.