Estudio numérico del efecto de modificaciones sobre la aerodinámica de un automóvil comercial

Abstract

Debido a las interacciones entre la carrocería de un vehículo en movimiento y el aire a través del cual circula, se generan diferentes fuerzas que puede provocar efectos no deseados sobre el automóvil. La alteración de la geometría original puede modificar estas fuerzas para buscar diferentes efectos como la reducción de la energía necesaria para avanzar o mejorar el contacto con la vía de circulación. De esto surge la ciencia de la aerodinámica, la cual estudia las interacciones entre el flujo de aire y un vehículo en movimiento. Durante las últimas décadas, la aplicación de Computer Fluid Dynamics ha permitido acelerar este proceso permitiendo hacer simulaciones de un vehículo para obtener su rendimiento aerodinámico durante las etapas de diseño. El objetivo de este trabajo es utilizar CFD para estudiar el efecto que la aplicación de diferentes modificaciones genera sobre la aerodinámica de un vehículo común en un rango de velocidades permitidas en las calles. Se diseña una geometría simplificada en base a un automóvil sedán mediante software Computer Aided Design para luego utilizar el software Ansys, simulando el entorno de un vehículo y sus contrapartes con las modificaciones instaladas dentro de un túnel de viento extenso para obtener los resultados numéricos del estado de fuerzas y los respectivos coeficientes, en conjunto a parámetros que visualicen el comportamiento del flujo en velocidades de 60, 80, 100 y 120 [km/h]. De los resultados, se obtiene que los dispositivos y sus combinaciones afectan a la interacción sobre el flujo incluso a baja velocidad, pero la magnitud del efecto producido varía según la velocidad. Es importante notar que los resultados indican que el efecto resultante al utilizar 2 modificaciones no equivale a la suma de los efectos numéricos sobre fuerzas, sino que el efecto debe ser estudiado en conjunto con los resultados que permitan visualizar la alteración al flujo de aire. Respecto al objetivo principal, el análisis llevado a cabo permite destacar los 3 casos que generen un mejor efecto sobre la aerodinámica. La instalación de un difusor curvo se orienta a la disminución del coeficiente de arrastre, con un promedio de un 0,24%. La aplicación de un difusor curvo y un alerón spoiler a la vez, disminuyen sustancialmente las fuerzas de sustentación con una media de 77,4%, pero con un fuerte aumento de un 14,3% sobre las fuerzas de arrastre. Por último, se tiene el caso del uso de un difusor curvo y alerón alar, cuya aplicación en conjunto genera una considerable disminución de las fuerzas verticales netas en un 68,5% con un menor aumento a las fuerzas opuestas al movimiento de un 6,2%, presentando así una buena opción si se desea un vehículo con mejor control, pero el consumo de energías es una preocupación. Adicionalmente, se dan ciertas propuestas que pueden complementar el estudio: la utilización de geometrías más complejas y la consideración de otros criterios externos a la aerodinámicos que pueden afectar la decisión de una implementación final.