INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD PROFESIONAL TICOMAN TESINA QUE PARA OBTENER EL TITULO DE

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1 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

2 1

3 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 Conceptos generales aerodinámicos Ecuación de Bernoulli La ecuación de continuidad Flujo laminar y flujo turbulento Conceptos de resistencia al avance y carga aerodinámica Resistencia al avance Carga aerodinámica Dispositivo aerodinámico Alerón trasero Los alerones a lo largo de la historia 19 Capítulo 2 Creación del modelo Establecer parámetros del alerón Traducción de los requerimientos del cliente Proceso de diseño Propuesta de la sección transversal del ala Comparación de las propiedades aerodinámicas Selección del perfil 28 2

4 2.4 Alerón en 3D 29 Capítulo 3 Análisis Creación de geometría Mallado Condiciones de contorno Solución 44 Capítulo 4 Resultados 46 Conclusión 50 Bibliografía 51 Referencias 52 Anexos 54 3

5 Lista de términos CAD CFD 3D Re Ma Diseño Asistido por Computadora Dinámica de Fluidos Computacional Tridimensional Número de Reynolds Número de Mach Lista de símbolos Símbolo Descripción Unidades P Presión Pa ρ Densidad del aire Kg/m 3 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 C D Coeficiente de resistencia al avance Adimensional A Área de una superficie m² C L Coeficiente de levantamiento o sustentación Adimensional T Temperatura C 4

6 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) Figura 1.2 Flujo laminar y flujo turbulento Figura 1.3 Descomposición de la fuerza aerodinámica Figura 1.4 Principales cargas aerodinámicas sobre un automóvil (Katz, 1995) Figura 1.5 Terminología del perfil Figura 1.6 Porsche Type 550 de Michael May (http://type550.com/racing/drivers/on-a-wing-and-a-prayer/ visitada 18/02/13) Figura 2.1 Perfiles propuestos para la sección transversal Figura 2.2 Perfil NACA Figura 2.3 Propuesta de alerón Figura 2.4 Propuesta de alerón Figura 2.5 Propuesta de alerón Figura 2.6 Análisis de propuesta Figura 2.7 Análisis de propuesta Figura 2.8 Análisis de propuesta Figura 2.9 Importación de imágenes en CATIA Figura 2.10 Vistas principales del automóvil Figura 2.11 Vista superior automóvil Figura 2.12 Vista frontal automóvil Figura 2.13 Creación de superficies Figura 2.14 Creación del automóvil en el software CATIA Figura 3.1 Geometría del automóvil sin alerón Figura 3.2 Geometría del automóvil con alerón Figura 3.3 Mallado del automóvil sin alerón Figura 3.4 Mallado del automóvil con alerón Figura 3.5 Contorno del automóvil sin alerón Figura 3.6 Contorno del automóvil con alerón Figura 3.7 Resultados de velocidad del análisis del automóvil sin alerón Figura 3.8 Resultados de velocidad del análisis del automóvil con alerón Figura 4.1 Distribución de presión alrededor del automóvil sin alerón Figura 4.2 Distribución de presión alrededor del automóvil con alerón Figura 4.3 Mapa de presiones del automóvil sin alerón instalado Figura 4.4 Mapa de presiones del automóvil con alerón instalado

7 Tablas Página Tabla 2.1 Traducción de los requerimientos Tabla 2.2 Metas de diseño Tabla 2.3 Comparación de C L y C D del perfil NACA 0012 a diferentes ángulos de ataque Tabla 2.4 Comparación de C L y C D del perfil NACA 6712 a diferentes ángulos de ataque Tabla 2.5 Comparación de C L y C D del perfil NACA a diferentes ángulos de ataque Tabla 2.6 Comparación de C L y C D del perfil NACA a diferentes ángulos de ataque Tabla 2.7 Comparación de fineza entre los perfiles propuestos Tabla 2.8 Comparación de L de las diferentes propuestas Tabla 4.1 Comparación de C D del automóvil con y sin alerón instalado Tabla 4.2 Comparación de D para el automóvil con y sin alerón instalado a una velocidad de 110 km/h Tabla 4.3 Valores de C D y C L del alerón instalado en el automóvil Tabla 4.4 Resultados de D y L para el alerón instalado en el automóvil a una velocidad de 110 km/h

8 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. 7

9 INTRODUCCION 8

10 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. 9

11 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. 10

12 CAPITULO I MARCO TEORICO 11

13 1 Marco teórico 1.1 Conceptos generales aerodinámicos 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. Fs ma s [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: PdA P dp da Wsen dv mv ds m V dads, W mg gdads W es el peso de la partícula de fluido y sen dz ds Sustituyendo. dz dpda gdads VdAds ds Reduciendo da de cada término y simplificando. 1 2 Se debe notar que dv dz dp gds Vds ds dp gdz vdv dv ds dv ds vdv y dividiendo cada término por la densidad, 2 12

14 dp gdz dv Las últimas dos expresiones son diferenciales exactas. dp 1 gdz dv 2 En el caso de flujo incompresible, el primer término también llega a ser una diferencial exacta e integrando. 0 2 P v 2 gdz CONSTANTE [Ec. 1.2] Esta, es la 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: P1 v P2 v1 gz1 gz2 2 [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) 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 13

15 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) 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. 14

16 El número de Reynolds se define en la Ec. 1.5 y donde ρ es la densidad (kg/m 3 ), 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] 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 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 15

17 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: Donde: [Ec. 1.6] C D = 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 C D 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 kg/m 3. La densidad en otras condiciones puede ser estimada por la presión existente, y la temperatura P r, T r, con la siguiente ecuación: (Gillespie, 1992) [Ec. 1.4] Donde: P r = La presión atmosférica en kpa T r = La temperatura del aire en C 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. 16

18 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. C L = 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) 17

19 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. 18

20 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 realizar el 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. 19

21 CAPITULO II CREACION DEL MODELO 20

22 2 Creación del modelo 2.1 Establecer parámetros del alerón 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 (C L /C D ). 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 (C L /C D ). Deseables Que brinde seguridad al manejo. 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. 21

23 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 N 4 Resistencia al avance D<300 N 22

24 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 SI Refinamiento Análisis e interpretación de los datos obtenidos Conclusiones NO Documentación Presentación final 23

25 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 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 24

26 2.3.1 Comparación de las propiedades aerodinámicas A continuación se presenta los valores de C L, C D y C L /C D para los perfiles propuestos a diferentes ángulos de ataque, en un rango de -5 hasta 12. Tabla 2.3 Comparación de C L y C D del perfil NACA 0012 a diferentes ángulos de ataque α C L C D C L / C D

27 Tabla 2.4 Comparación de C L y C D del perfil NACA 6712 a diferentes ángulos de ataque α C L C D C L / C D

28 Tabla 2.5 Comparación de C L y C D del perfil NACA a diferentes ángulos de ataque α C L C D C L / C D

29 Tabla 2.6 Comparación de C L y C D del perfil NACA a diferentes ángulos de ataque α C L C D C L / C D Selección del perfil A continuación se presenta una comparación de los valores máximos de fineza (C l /C d), de los perfiles propuestos. Tabla 2.7 Comparación de fineza entre los perfiles propuestos Perfil α C L C D C L / C D NACA 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. 28

30 Por lo tanto la sección transversal del alerón será un NACA 6712, como muestra la figura 2.2. Figura 2.2 Perfil NACA 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

31 Figura 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

32 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 31

33 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. 32

34 Tabla 2.8 Comparación de L de las diferentes propuestas L(N) Propuesta Propuesta Propuesta 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 33

35 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

36 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 35

37 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 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

38 Figura 2.13 Creación de superficies Creadas las superficies solo falta cerrar la superficie para crear un sólido como se muestra en la figura 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. 37

39 CAPITULO III ANALISIS 38

40 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 39

41 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 40

42 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. 41

43 Figura 3.5 Contorno del automóvil sin alerón 3.4 Solución Figura 3.6 Contorno del automóvil con alerón 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

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