estudio aerodinamica

ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES Y DE TELECOMUNICACIN

Titulacin : INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL MECNICO

Ttulo del proyecto: ESTUDIO DE LA CAPACIDAD AERODINMICA DE CARROCERAS DE VEHCULOS CATEGORA CM

MEMORIA

Danny Garca Martn Sara Marcelino Sdaba Pamplona, 15 de Septiembre de 2010

Estudio de la capacidad aerodinmica de carroceras de vehculos categora CM

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1.1 OBJETIVO ....................................................................................................... 3 1.2 ANTECEDENTES .............................................................................................. 4 1.3 AERODINMICA DE COMPETICIN ................................................................. 6 1.4 CARACTERSTICAS DEL VEHCULO .................................................................. 12 1.5 DEFINICIONES ............................................................................................... 211.5.1 RESISTENCIA AERODINMICA, Cx...................................................................... 21

1.5.2 CAPA LMITE..................................................................................................... 23 1.5.3 EFECTO SUELO .................................................................................................. 25 1.5.4 TNEL DE VIENTO ............................................................................................. 27

1.6 ANLISIS CON SOFTWARE SENCILLO .....301.6.1 DESARROLLO .................................................................................................... 30 1.6.2 VALIDACIN ..................................................................................................... 41

1.7 SOFTWARE ESPECIALIZADO EN AERODINMICA............................................ 42 AERODINMICA................................1.7.1 SOFTWARE ELEGIDO ......................................................................................... 43

1.7.2 MODELO MATEMTICO .................................................................................... 45

1.8 CLCULO ...................................................................................................... 461.8.1 MODELO Y MALLADO UTILIZADO ...................................................................... 48 1.8.2 DIMENSIONES TNEL VIRTUAL Y CONDICIONES DE CONTORNO......................... 55 1.7.3 CONDICIONES DEL FLUIDO ................................................................................ 58

1.9 RESULTADOS ................................................................................................ 591.9.1 VELOCIDAD 108 Km/h....................................................................................... 611.9.1.1 PARTE FRONTAL .............................................................................................................. 62 1.9.1.2 PARTE SUPERIOR ............................................................................................................. 64 1.9.1.3 PARTE LATERAL ............................................................................................................... 66 1.9.1.4 PARTE TRASERA ............................................................................................................... 67 1.9.1.5 ALERN ........................................................................................................................... 68 1.9.1.6 DIFUSOR .......................................................................................................................... 71 1.9.1.7 COEFICIENTE DE RESISTENCIA AL AVANCE, Cx ................................................................ 74

1.9.2 VELOCIDAD 140 Km/h....................................................................................... 751.9.2.1 PARTE FRONTAL .............................................................................................................. 76 1.9.2.2 PARTE SUPERIOR ............................................................................................................. 78 1.9.2.3 PARTE LATERAL ............................................................................................................... 80 1.9.2.4 PARTE TRASERA ............................................................................................................... 82 1.9.2.5 ALERN ........................................................................................................................... 83 1.9.2.6 DIFUSOR .......................................................................................................................... 86

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_________________________________________________________________Memoria1.9.2.7 COEFICIENTE DE RESISTENCIA AL AVANCE, Cx ................................................................ 88

1.9.3 VELOCIDAD 170 Km/h....................................................................................... 891.9.3.1 PARTE FRONTAL .............................................................................................................. 90 1.9.3.2 PARTE SUPERIOR ............................................................................................................. 92 1.9.3.3 PARTE LATERAL ............................................................................................................... 94 1.9.3.4 PARTE TRASERA ............................................................................................................... 95 1.9.3.5 ALERN ........................................................................................................................... 96 1.9.3.6 DIFUSOR .......................................................................................................................... 99 1.9.3.7 COEFICIENTE DE RESISTENCIA AL AVANCE, Cx .............................................................. 101

1.9.4 VELOCIDAD 200 Km/h..................................................................................... 1021.9.4.1 PARTE FRONTAL ............................................................................................................ 103 1.9.4.2 PARTE SUPERIOR ........................................................................................................... 105 1.9.4.3 PARTE LATERAL ............................................................................................................. 107 1.9.3.4 PARTE TRASERA ............................................................................................................. 108 1.9.4.5 ALERN ......................................................................................................................... 109 1.9.4.6 DIFUSOR ........................................................................................................................ 112 1.9.4.7 COEFICIENTE DE RESISTENCIA AL AVANCE, Cx .............................................................. 115

1.9.5 VELOCIDAD 230 Km/h..................................................................................... 1161.9.5.1 PARTE FRONTAL ............................................................................................................ 117 1.9.5.2 PARTE SUPERIOR ........................................................................................................... 119 1.9.5.3 PARTE LATERAL ............................................................................................................. 121 1.9.5.4 PARTE TRASERA ............................................................................................................. 122 1.9.5.5 ALERN ......................................................................................................................... 123 1.9.5.6 DIFUSOR ........................................................................................................................ 125 1.9.5.7 COEFICIENTE DE RESISTENCIA AL AVANCE, Cx .............................................................. 127

1.10 CONCLUSIONES......................................................................................... 1281.10.1 VALIDEZ SOLIDWORKS Y STAR-CCM+............................................................. 128 1.10.2 CONCLUSIONES AERODINMICAS ................................................................. 130

1.11 BIBLIOGRAFA........................................................................................... 141

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1.1 OBJETIVOLos objetivos de este Proyecto Final de Carrera son los siguientes:

1. Conocer la posibilidad de realizar estudios aerodinmicos mediante software de diseo no especfico para este mbito. 2. Conocer el comportamiento aerodinmico de un vehculo de competicin categora CM, mediante la realizacin de un anlisis aerodinmico que permita disponer de datos para la futura evolucin del vehculo diseado manteniendo el mismo chasis y componentes mecnicos. 3. Conocer nuevos puntos de mejora aerodinmica para definir nuevas geometras e integrarlas en un proceso de ingeniera directa minimizando el gasto en prototipos.

Para lograr los objetivos anteriores, se debern realizar los siguientes objetivos de trabajo:

1. Adquirir conocimientos de aerodinmica. 2. Realizar un anlisis de la geometra y comprobar su validez frente al reglamento de la Federacin Espaola de Automovilismo de categora CM Automovilismo 3. Realizar un anlisis aerodinmicos mediante mtodos sencillos 4. Realizar los anlisis pertinentes mediante programas aerodinmicos. 5. Comparacin de resultados y validacin en su caso de mtodos sencillos 6. Estudio de resultados 7. Conclusiones y puntos de mejora.

Para el anlisis con mtodos sencillos utilizaremos el programa de diseo en 3D programa Solidworks.Este PFC ser realizado para la empresa SILVER CAR, con el fin de tener un estudio aerodinmico terico del modelo. Pudiendo realizar los cambios pertinentes dependiendo del tipo de competicin en el cual vaya a competir el vehculo

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1.2 ANTECEDENTESDebido al fallecimiento de Don Carlos Mara Sopena Serna profesor de maquinas trmicas en las titulaciones de Ingeniera Industrial e Ingeniera Tcnica Industrial especialidad Mecnica, antiguo tutor de mi PFC Acoplamiento de un turbocompresor a Acoplamiento un motor diesel atmosfrico y la falta de personal cualificado en el campo de turbocompresores, me surga la necesidad de buscar otro Proyecto Fin de Carrera.

Fui ofertado en el departamento de Ingeniera Rural de la UPNA a realizar un anlisis aerodinmico de un vehculo. Tratndose de un Proyecto referido al mundo del automvil y en mu conveniencia respecto a la realizacin del Mster de Especializacin Tcnica en Competicin Automovilstica, proced a la realizacin de l.SILVER CAR es una empresa Navarra ubicada en Peralta, dedicada al mundo del empresa automovilismo por parte de su creador Juan Carlos Silvestre. SILVER CAR se centra en el desarrollo de prototipos de vehculos de carreras de la categora CM SILVER CAR ha sido capaz de desarrollar varios prototipos, siendo su principal apuesta el ltimo prototipo desarrollado para categora CM, que ha logrado el campeonato desarrollado de Espaa, siendo a da de hoy el mejor coche existente. En el mundo de la competicin durante los periodos de carreras las evoluciones de los vehculos son constantes con el fin de aprovechar al mximo las prestaciones de los las coches. El CM de SILVER CAR es el mejor coche de su categora y adems es el vehculo que mejor comportamiento tiene en la mayor parte de terrenos.

Actualmente en Espaa en estos momentos existen cuatro firmas (incluyendo a SILVER CAR), de los que dos de ellos llevan casi ocho aos fabricando monoplazas CM. Las cuatro empresas son: Speed Car: El primero en aparecer fue el prestigioso Speed Car, primero con sus Car Cross de tierra y luego con los CM, con los que ha conseguido dos ttulos de montaa. Actualmente ha lanzado su segunda versin, el Speed Car GT-R, un vehculo que se est mostrando muy competitivo por las rampas nacionales. Su creador es Delfn Lahoz quien, con sede en Lleida. Bango Car: El segundo en cuanto a antigedad es Bango Car. El responsable es Jess Bango quien, asentado en Asturias, ya ha fabricado 50 unidades. Bango

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_________________________________________________________________Memoria Car est comercializando su segunda evolucin, el BRC 05. Un monoplaza muy competitivo que ha conquistado tres ttulos nacionales.

Silver Car: Fue el vehculo revelacin de la temporada 2007. El ao 2006 estuvo evolucionando su primer producto y en 2007 consigui un nivel de competitividad altsimo, llevndose el entorchado nacional de montaa en la temporada 2007 y 2008. El responsable es Juan Carlos Silvestre y ha fabricado 36 unidades en sus instalaciones en Navarra.

Tecnicar: Es otro fabricante que desarroll su primer prototipo durante el 2007. Desde sus instalaciones de Valencia, su responsable Javier Lapea tiene su Javier monoplaza homologado y las dos unidades construidas actualmente han mostrado muy buenas maneras frente a los cronos conseguidos por la competencia.

El CM de SILVER CAR es el mejor coche de su categora y adems es el vehculo que mejor comportamiento tiene en la mayor parte de terrenos, pero sin embargo, el anlisis de una serie de datos una vez concluida la temporada 2008 y la aparicin de un nuevo motor de mayor potencia de partida, hacen que SILVER CAR haya decidido desarrollar un haya documento en el que se puedan recoger nuevos puntos de mejora.

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1.3 AERODINMICA DE COMPETICINLa aerodinmica es una rama de la mecnica de fluidos que se ocupa de los fluidos, las fuerzas que actan sobre ellos y estos generan. Algunos ejemplos del mbito de la aerodinmica son el movimiento de un avin a travs del aire, las fuerzas que el viento ejerce sobre una estructura o las fuerzas que intervienen en el desplazamiento de un vehculo, tema de este proyecto fin de carrera.

Airbus

Mercedes SLC

La forma de un objeto afecta enormemente la resistencia al movimiento que ejerce el aire sobre l. Una de las leyes fundamentales que rigen el movimiento de los fluidos es el Teorema de bernoulli, que relaciona un aumento de velocidad de flujo con una velocidad disminucin de la presin y viceversa.La aerodinmica tiene su mayor impacto en el sector automovilstico a travs de su contribucin en las cargas del vehculo. En el diseo de un automvil moderno interviene de manera fundamental la forma de su carrocera, influyendo tanto en el aprovechamiento de la potencia que desarrolla el motor, como en la estabilidad a altas velocidades y consumo de combustible. Un claro ejemplo es la Formula 1, los equipos invierten tantos millones en investigacin y desarrollo de esta rea cada ao. Los diseadores tienen principalmente dos objetivos a la hora de desarrollar un monoplaza: Conseguir una correcta incidencia del vehculo en el aire para conseguir que este se pegue lo ms posible al suelo. El equilibrio entre ambas, es lo que determina si un monoplaza es o no

competitivo.

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_________________________________________________________________Memoria Un monoplaza con mucha carga aerodinmica, es decir, que se pegue mucho al suelo, es conseguir un rpido paso por curva, pero en las rectas al tener mucha carga perder velocidad punta, de modo que con poca carga tendr una mayor velocidad punta. Para poder elegir la mejor configuracin posible los equipos realizan simulaciones informticas equipos y en tneles de viento. A partir de los resultados obtenidos se configuran los coches usando alerones, pontones, spoilers y dems artilugios aerodinmicos Las fuerzas aerodinmicas interactan con el vehculo causando arrastre, sustentacin, causando fuerzas laterales, momentos.... Los parmetros que rigen las formas de un vehculo de calle momentos.... son muy diferentes a las de un coche de carreras. Mientras en los coches de carreras la eficiencia aerodinmica, la sustentacin negativa y las reglas propias de cada competicin son las que le dan forma al vehculo; en los coches de calle la esttica, la funcionalidad, el vehculo; consumo, la seguridad y el uso particular son los que determinan su forma. son La facilidad con que un automvil se mueve en una corriente de aire viene indicada por un coeficiente de resistencia aerodinmica, determinado por la forma de cada carrocera y por elementos no integrados en ella. La aerodinmica interviene tambin en el confort de los pasajeros, el diseo condiciona las formas de la carrocera, el ruido aerodinmico en el interior del habitculo. Por ejemplo el vehculo que se muestra en la imagen un jeep compass (vehculo propio), produce ruido aerodinmico. A velocidades superiores a los 90 km/h el vehculo produce un ligero silbido.

Jeep Compass

En cuanto a la estabilidad del vehculo, es muy importante que el centro de presiones (punto donde se concentran todas las fuerzas aerodinmicas) quede lo ms cerca posible del centro de gravedad del vehculo, pero resulta difcil de conseguir porque a altas velocidades el flujo de aire cambia completamente. Para solucionar esto, algunos coches muy sofisticados cuentan con sistemas de aerodinmica activa.

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La aerodinmica activa, consta de elementos que afectan a la aerodinmica y se despliegan elementos en algunas condiciones como ejemplo alerones, spoilers, Coches como el Porche 911, Audi TT o el Bugatti Veyron utilizan estas novedosas aplicaciones. El porche 911 Carrera despliega un alern trasero a partir de cierta velocidad con el fin de obtener un mayor agarra y estabilidad.Porche 911 Carrera

El Bugatti Veyron al igual que el Porche 911 Carrera despliega un alern a altas velocidades, e incluso modifica la inclinacin del en funcin de la velocidad.

Bugatti Veyron

La aerodinmica en los vehculos de competicin se define como el manejo de las corrientes de aire aplicada a la geometra exterior del vehculo, con el fin de ganar adherencia y en consecuencia mayor velocidad, garantizando la seguridad del piloto. El estudio aerodinmico de automviles de competicin se ha venido realizando a lo largo de la historia principalmente mediante ensayos en pista y en menor medida en tneles de viento, debido a los altos costes. Antiguamente cuando se diseaban y construan vehculos de competicin, todo se basaba en el motor, intentaban potenciar al mximo el coche e intentar reducir todo el peso potenciar posible. La frmula 1 es un claro ejemplo. Antiguamente se dedicaban a montar motores muy grandes sin limitaciones de potencia. Actualmente los motores que se utilizan son de 2400 cc sin sobrealimentar y limitados de revoluciones.

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_________________________________________________________________Memoria En la siguiente tabla quedan registrados el tipo de motor y ao en el que se utilizaron en registrados la frmula 1

Aos 1950-1951 1952-1953 1954-1960 1961-1965 1966-1985 1986-1987 1988 1989-1994 1995-2000 2000-2005 2006 2007-2008 2009

Cilindrada y tipo aspiracin 4500cc atmosfricos o 1500cc con turbo 2000cc atmosfricos 2500cc atmosfricos o 750cc con turbo 1500cc atmosfricos 3000cc atmosfricos o 1500cc con turbo 1500cc con turbo 3500cc atmosfricos o 1500cc con turbo 3500cc atmosfricos 3000cc atmosfricos 3000cc atmosfricos S400cc atmosfricos V8 o 3000cc atmosfricos V10 2400cc atmosfricos 2400cc atmosfricos V8

Disposicin del motor Indiferente Indiferente Indiferente Indiferente Indiferente Indiferente Indiferente Indiferente Indiferente V10 V8 O V10 limitado a 16.800rpm V8 limitados a 19000 rpm Limitado a 16000

Cada ao les imponen nuevas normas en las cuales sus velocidades mximas son menores, en cambio los tiempos registrados en los distintos trazados del mundial de frmula 1, son cada vez mas menores. Esto se debe a la influencia de la aerodinmica. Aunque han perdido velocidad punta y la han ganado en paso por curva de ah que cada ao se superen en sus registros.

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_________________________________________________________________Memoria No todas las escuderas de automovilismo posean grandes cantidades de capital. Este hecho ha llevado a la constante bsqueda de mtodos de anlisis del comportamiento aerodinmicos menos costosos. Existen otros mtodos menos costosos para comprobar de forma general la incidencia del aire sobre la carrocera. Uno de estos mtodos trata de colocar hilos por toda la carrocera del vehculo y por mediante fotos sacadas a distintas partes del vehculo y en determinadas condiciones: finales de rectas a velocidad mxima, paso por curva,

Mtodo hilos

Otro mtodo existente consiste en colocar gotas de agua sobre cera y observar la sobre direccin que toman las gotas. Pero estas formas sencillas de anlisis no son del todo precisas. Con estos mtodos sencillos se pueden llegar a observar grandes cosas, pero llega un momento en el cual se necesitan datos ms precisos. La mejor respuesta a las exigencias planteadas por este sector apareci de la mano de los programas de simulacin, conocidos como CFD ,Computational Fluid Dinamics, es decir, el estudio de los fluidos dinmicos mediante ordenador. Se trata de una tecnolog a utilizada en los estudios de aerodinmica que permite analizar diferentes configuraciones

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_________________________________________________________________Memoria para verificar los movimientos del aire alrededor de distintas formas. El CFD es un paso previo a los estudios reales realizados en tneles de viento, de esta forma las simulaciones son de bajo costo y se podrn realizar tantas simulaciones como un quiera y permite estimar de manera bastante eficiente el modo en que el aire afectar al movimiento del afectar vehculo.

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1.4 CARACTERSTICAS DEL VEHCULOLos vehculos CM, son prototipos que estn construidos sobre la base de un chasis tubular, animados con un motor de motocicleta de 1.000c.c. Todo vehculo CM debe estar 1.000c.c. diseado cumpliendo la normativa del Reglamento de la Real Federacin Espaola de Automovilismo de categora CM. Se expondrn los artculos que vayan relacionadas con las caractersticas externas del vehculo y los relacionados con aerodinmica. En cuanto lo que ataa a carrocera y dimensiones el artculo 3 del reglamento dice:

3.1.a. LongitudLa longitud mxima del vehculo, no podr sobrepasar los 3.750 mm.

3.1.b. AnchuraLa anchura exterior mxima del vehculo no podr sobrepasar los 1.750 mm.

3.1.c. AlturaLa altura medida verticalmente desde el punto ms bajo de la superficie plana al punto ms elevado del vehculo no deber ser superior a 1.030 mm salvando el arco principal de seguridad que no deber dar lugar a una estructura aerodinmica. Las dimensiones del vehculo cumplen con el reglamento de la copa de Espaa de CM y son las siguientes:

Largo: 3.749 mm. Ancho: 1.749 mm. Alto: 1.030 mm.

3.1.d VoladizosLos voladizos mximos medidos desde el eje de mangueta hasta el final del vehculo deben ser:

Delantero: 730 mm Trasero: 630 mm

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3.2. PuertasLas dimensiones del pao inferior (parte opaca) debern ser tales que se pueda inscribir un rectngulo o paralelogramo de al menos 500 mm de largo en total y 300 mm de alto medidos verticalmente en el que los ngulos podrn ser redondeados con un radio mximo de1 50 mm. Los vehculos cuyas puertas sean deslizables, no sern admitidos salvo que lleven un dispositivo de seguridad que permita en caso de accidente evacuar rpida y fcilmente los ocupantes del vehculo. Las puertas deben llevar una ventana diferenciada del panel inferior, realizada en un material transparente y que pueda contener un paralelogramo horizontal cuyos lados midan al menos 400 mm. La altura medida sobre la superficie de la ventana perpendicularmente a los lados horizontales ser al menos de 250 mm. Los ngulos del paralelogramo pueden ser redondeados segn un radio mximo de 50 mm. Debern ser diseadas de forma que no restrnjala visin lateral del conductor. Cada puerta no debe llevar mas que una empuadura exterior que deber ser del tipo de leva accionada hacia arriba, claramente sealada por una flecha roja o de un color que contraste con el fondo. nicamente la puerta del conductor, puede ir provista de una red homologada, en cuyo caso no es obligatorio el cristal antes descrito.

Silver Car S1, puerta

Como se observa en la imagen posterior la puerta consta de dos partes. Una parte superior de material transparente y una parte inferior de panel opaco, con una sola empuadura. Las puertas son de gran accesibilidad y abatibles sobre la parte del retrovisor delantero. 13


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3.3. ParabrisasEs obligatorio el montaje de un parabrisas formado por una sola pieza de vidrio laminado o de Policarbonato de 4 mm de espesor. La forma de este vidrio tiene que ser tal, que a una distancia de 50 mm medidos verticalmente hacia la base a partir del punto superior de la parte transparente, la base superficie vitrificada tenga una longitud de al menos 250 mm medidos en la cuerda, de una parte y otra del eje longitudinal del vehculo. Su arista superior debe formar una lnea convexa regular y continua con el plano horizontal. Deber poder inscribirse en l, una tira vertical de 100 mm de altura y de 850 mm de largo (medidos horizontalmente) en la cuerda entre las caras del parabrisas.

Silver Car S1, luna

3.4. Carrocera 3.4.1 Est prohibida la utilizacin de fibra de carbono y/o Kevlar en la fabricacin de la carrocera; sin embargo los dispositivos aerodinmicos traseros constituidos por un ala incluidos sus apoyos, podrn ser fabricados de estos materiales compuestos. La carrocera del SILVER CAR consta de 5 piezas en fibra de vidrio reforzada y perfectamente referenciadas entre s.

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Silver Car S1

Se entiende como ala, una superficie con forma de perfil de ala de avin invertida, separada de la superficie formada por la carrocera de tal forma, que una corriente de aire pueda pasar por entre estas dos superficies.

Silver Car S1, alern

3.4.2. La carrocera deber cubrir todos los elementos mecnicos, con la nica exclusin de las tomas de admisin y escape.

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_________________________________________________________________Memoria 3.4.3. La toma de aire de admisin, no podr sobrepasar en altura la curva final de la admisin, barra antivuelco.

Toma admisin

Silver car S1, toma de admisin

3.4.4. Entre el borde trasero de las ruedas delanteras completas, y el borde delantero de las ruedas traseras completas, toda la parte suspendida visible desde la parte inferior del vehculo ha de formar una superficie slida, continua plana y continua, en la que sea posible inscribir un rectngulo de 1000 mm (medidos segn el eje transversal del vehculo) por 800mm (medidos segn el eje longitudinal del vehculo) (tolerancia + 5 mm). 3.4.5. Ninguna parte de esta superficie tendr una influencia aerodinmica, y ninguna parte de la carrocera podr encontrarse en ninguna circunstancia por debajo del plano geomtrico conformado por la superficie antes definida en el Art. 3.4.4. 3.4.6. Todas las partes que tengan influencia aerodinmica, as como cualquiera de la carrocera deben estar fijadas rgidamente a la parte suspendida del vehculo (conjunto chasis carrocera) no debiendo tener ninguna posibilidad de movimiento, estar fijadas slidamente, y permanecer inmviles con respecto a esa parte cuando el vehculo se mueva.

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Silver Car S1

3.4.7. Todo dispositivo o construccin, diseado para interponerse entre la parte suspendida del vehculo y el suelo est prohibido. 3.4.8. Detrs de las ruedas traseras, la carrocera deber descender por debajo del eje de dichas ruedas traseras. Toda abertura de refrigeracin practicada en la carrocera y dirigida hacia atrs, estar provisto de persianas o de otro dispositivo que impidan la visin en cualquier caso, de los elementos mecnicos o de las ruedas. La carrocera deber tapar las ruedas, de forma que cubra al menos la parte superior de su circunferencia.

3.4.9. Todos los elementos de la carrocera debern estar completos y cuidadosamente terminados, sin piezas provisionales que cubran desperfectos anteriores.3.4.10. Las fijaciones de los capots delantero y trasero, deben estar claramente indicadas por flechas en rojo o de otro color que contraste con el fondo de la carrocera y deben ser practicables sin ayudas de herramientas.

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Fijaciones capots

Silver Car S1, fijaciones capot

3.4.11. Elemento aerodinmico delantero

Delante-Teniendo en cuenta la proyeccin de la carrocera en posicin horizontal, desde el eje de las ruedas delanteras ningn elemento aerodinmico podr sobrepasar en proyeccin horizontal ms de 200 mm.Se permite la adicin de un plano horizontal en la parte delantera (spliter) de una anchura mxima de 50 mm., medidos desde la proyeccin de la carrocera original en el suelo hacia delante. Debe ser prolongacin del plano inferior, fijado en l y a la carrocera del coche sin piezas intermedias. Su anchura lateral no podr sobrepasar a la carrocera.

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Silver Car S1, parte delantera

3.4.12. Ala traseraEst permitida un ala de un solo plano de seccin mxima 250 mm x 150 mm, y de longitud el valor el de la proyeccin vertical de la carrocera sobre el plano horizontal, menos 75 mm por cada lado; si fuera de forma curva, su longitud mxima ser de 500 mm. Los finales de ala debern ser paralelos al eje longitudinal del vehculo y tener una dimensin mxima de 280 x 160 mm y espesor 5 mm.

Ala de un solo plano

Finales de ala paralelos al eje longitudinal del vehculoSilver car S1, alern

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Estas son las condiciones que deben cumplir en relacin a la carrocera y dimensiones del vehculo.

Debido a su geometra coches, bajos, cortos, anchos, y poco peso, son extremadamente rpidos, capaces de hacer sombra a coches de altas prestaciones como el toledo gt, con una potencia de 465 CV

Seat Toledo GT

SILVER CAR nos aporto el diseo 3D del S1 para realizar los anlisis. La geometra del S1 queda reflejada en la siguiente ilustracin:

Geometra exterior Silver Car S1

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1.5 DEFINICIONESEn este apartado se definen conceptos aerodinmicos que se emplean durante el desarrollo de este Proyecto Fin de Carrera.

1.5.1 RESISTENCIA AERODINMICA, Cx

Se denomina resistencia aerodinmica o drag, al componente de la fuerza que sufre un cuerpo al moverse a travs del aire en la direccin de la velocidad relativa entre el aire y el cuerpo. La resistencia es siempre de sentido opuesto a dicha velocidad, por lo que es la fuerza que se opone al avance de un cuerpo a travs del aire. Se utiliza coeficientes aerodinmicos que representan la efectividad de la forma en la que un cuerpo se desplaza a travs del aire. Su coeficiente asociado es conocido popularmente como coeficiente de penetracin o coeficiente de resistencia.Cuando se circula en coche, no nos damos cuenta de que no estamos avanzando en el vaco, sino atravesando el aire. El motor del coche tiene que vencer la resistencia y esto queda reflejado en el consumo de combustible. El incremento en la resistencia aerodinmica queda reflejado por varios factores:

La velocidad: cuanto ms rpido se circula, mas resistencia existe, y por lo tanto ms resistencia existe. La limpieza del vehculo: con un coche muy sucio, con barro en los bajos y laterales y la aerodinmica del coche se altera y representa ms resistencia al avance. El incremento es mucho mayor cuando se dispone de baca si se coloca equipaje sobre la baca el coeficiente aumenta enormemente. Como se ha dicho el consumo de combustible aumentara considerablemente.

Portaequipajes

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Para reducir el coeficiente aerodinmico o drag y ahorrar el mximo combustible posible debemos: reducir peso, es decir, llevar lo necesario, transportar el equipaje dentro del vehculo correctamente sujeto y teniendo repartido el peso por igual a las ruedas, llevar el coche limpio y no circular a velocidades altas.

Ejemplos de coeficientes aerodinmicos:VEHCULO Opel Insignia (2009) Audi A3 (2003) Audi A6 (1997) Opel Kadett (1989) Formula 1 (Mnaco) Formula (Monza) BMW serie 1 (2004) Renault Espace (2002) Opel Astra (2004)

Cx 0,27 0,32 0,28 0,38 1,084 0,7 0,31 0,35 0,32

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1.5.2 CAPA LMITE En mecnica de fluidos, la capa lmite de un fluido es la zona donde el movimiento de ste es perturbado por la presencia de un slido con el que est en contacto. La capa lmite se entiende como aquella en la que la velocidad del fluido respecto al slido en movimiento vara desde cero hasta el 99% de la velocidad de la corriente no perturbada.Existen dos tipos de capa lmite: laminar y turbulenta; en ellas respectivamente actan flujo laminar y flujo turbulento.

Se llama flujo laminar, al tipo de movimiento de un fluido cuando ste es perfectamente ordenado, estratificado, suave, de manera que el fluido se mueve en lminas paralelas sin entremezclarse, si la corriente tiene lugar entre dos planos paralelos. Las capas no se mezclan entre s. El mecanismo de transporte es exclusivamente molecular. Se dice que este flujo es aerodinmico. En el flujo aerodinmico, cada partcula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada lnea de corriente.Rgimen laminar

Se llama flujo turbulento al movimiento de un fluido que se da en forma catica, en que las partculas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partculas se encuentran formando pequeos remolinos, como por ejemplo el agua en un canal de gran remolinos, pendiente. Debido a esto, la trayectoria de una partcula se puede predecir hasta una cierta escala, a partir de la cual la trayectoria de la misma es impredecible, es decir, catica.Rgimen turbulento

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_________________________________________________________________Memoria Una capa lmite turbulenta tiene una ventaja muy importante frente a una capa lmite laminar. El flujo laminar va perdiendo velocidad a lo largo de la capa lmite, hasta que la finalmente se para o incluso retrocede, provocando que la capa lmite se desprenda y el flujo ya no siga la forma de la superficie. Este efecto es especialmente perjudicial en el ala de un avin, ya que la sustentacin depende de que el flujo siga la forma del perfil del ala. El desprendimiento de la capa lmite de las alas es lo que ocurre cuando se dice que el avin entra en perdida, es decir, deja de sustentar y cae como una piedra, y si el piloto no es capaz de hacer que la capa lmite vuelva a adherirse al ala, el avin caer.

Desprendimiento capa lmite

Una capa lmite turbulenta, en cambio, hace que parte de la energa cintica de la zona exterior se transmita al interior, estimulando el avance de las zonas de menor velocidad, por lo que el desprendimiento tarda mucho ms en ocurrir, y el avin es mucho menos propenso a entrar en prdida. Adems, cuando la capa lmite se desprende, la seccin efectiva del objeto aumenta mucho porque el fluido no sigue su forma, de modo que la resistencia tambin es mucho mayor. Cuanto menor sea el desprendimiento, menor ser dicha seccin efectiva, y por tanto menor ser la resistencia (el aire tendr que desviarse menos para rodear el obstculo). As, con una capa lmite turbulenta, muchas veces se consigue reducir bastante la al retrasar el resistencia aerodinmica desprendimiento. Es debido a esto que las pelotas de golf tienen agujeros y las de tenis son peludas.Desprendimiento capa lmite

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_________________________________________________________________Memoria 1.5.3 EFECTO SUELO

Se denomina efecto suelo al fenmeno aerodinmico que se da cuando un cuerpo, con una diferencia de presiones entre la zona que hay por encima de l y la que hay por debajo, est muy cerca de la superficie terrestre, lo que provoca unas alteraciones en el flujo de aire que pueden aprovecharse en diversos campos.En el mundo de automovilismo, generalmente de competicin, se busca, al contrario que en aeronutica, crear una zona de alta presin por encima del vehculo y una de baja presin por debajo, lo que provoca una succin al vehculo contra el suelo, mejorando el agarre, lo que se traduce en la posibilidad de trazar curvas a mayor velocidad. Este efecto se introdujo en la Frmula 1 a finales de los aos 70 por parte de Lotus, mediante faldones y un diseo especial de la parte inferior de la carrocera. Otra tcnica que se utiliz, era la extraccin del aire de debajo del vehculo mediante un ventilador situado horizontalmente, pero fue prohibida inmediatamente. Sin embargo, esta tcnica tena el problema de que en cuanto no hubiese una presin lo suficientemente pequea por debajo del vehculo, cosa que por ejemplo poda pasar si se pasaba a gran velocidad por encima de un bache y el vehculo daba un "saltito", ste poda volverse muy inestable e incluso poda salir volando. Despus de un perodo de tiempo y tras varios accidentes muy aparatosos, en la mayora de competiciones, incluida la Frmula 1, se limit la utilizacin del efecto suelo por motivos de seguridad.

Jordan

Se podra pensar errneamente que aumentando el peso del vehculo, se lograra un mayor efecto suelo ya que el aumento del peso del vehculo se traducira en mayor friccin de los neumticos contra el suelo y por ende en un mayor agarre. Lo cierto es que al aumentar la masa del automvil, aumenta la fuerza centrfuga y esto hace que esta fuerza centrfuga venza a la friccin entre los neumticos y el suelo, perdindose el agarre por completo. neumticos Lo interesante del efecto suelo es que aumenta considerablemente la friccin entre los neumticos y el suelo, sin aumentar la masa del automvil haciendo que el agarre sea masa

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_________________________________________________________________Memoria mayor a mayores velocidades. El problema se presenta cuando los materiales de la banda de rodamiento de los neumticos llegan al lmite de adherencia contra el suelo, o cuando por accidente se levanta una rueda o el vehculo avanza ladeado. Cuando esto ocurre, el vehculo simplemente se vuelve incontrolable. Esta condicin caus gravsimos accidentes en competiciones, especialmente en la Frmula 1. Entre los ms trgicos el accidente que sufri el piloto canadiense Giles Villeneuve en la tanda clasificatoria del GP de Blgica de 1982, donde al golpear con una de sus ruedas delanteras la rueda trasera del vehculo que le preceda, su Ferrari sali prcticamente volando despidiendo por los aires a Villenueve, quien muri en el acto. muri

Gilles Villenueve

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_________________________________________________________________Memoria

1.5.4 TNEL DE VIENTO

En ingeniera, un tnel de viento o tnel aerodinmico es una herramienta de investigacin desarrollada para ayudar en el estudio de los efectos del movimiento del aire alrededor de objetos slidos. Con este aparato que simulan las condiciones experimentadas por el objeto en la situacin real.En un tnel de viento, el objeto permanece estacionario mientras se fuerza el paso de aire o gas alrededor de l. Se utiliza para estudiar los efectos del movimiento del aire en estudiar objetos como aviones, , naves espaciales, misiles, automviles, edificios o puentes. El aire se sopla o aspira por medio de un conducto equipado con una ventana y otros aparatos en los que los modelos o formas geomtricas se montan para su estudio. Despus se utilizan varias tcnicas para estudiar el flujo de aire real alrededor de la geometra y la compara con los resultados tericos. Aunque hay muchas familias de tneles de viento, por lo general pueden definirse como conductos que llevan en alguna parte de su trayecto un ventilador accionado por un motor, que se encarga que el aire fluya de manera constante; usualmente las aspas del ventilador son diseadas, segn el tipo de tnel que se vaya a construir, de manera similar a como se construir, hacen las de los aviones. Los tneles de viento constan de varias partes. La parte de inters para la experimentacin es la seccin de pruebas, que debe ser transparente para permitir la observacin y la filmacin, en ella se instala el modelo del vehculo o forma cualquiera, y diferentes aparatos que midan las fuerzas que experimenta este y las condiciones del aire que atraviesa esta seccin. Resulta de inters que la seccin de pruebas sea de menor rea que el resto del tnel, puesto que por conservacin de caudal genera una velocidad mayor cerca del modelo; ahorrando energa en el ventilador, que genera el mismo efecto en la seccin de pruebas con una potencia menor, que adems reduce las prdidas por friccin en las paredes y codos del tnel.

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_________________________________________________________________Memoria

Esquema tnel de viento abierto

Como una reduccin brusca en el rea de la seccin genera desprendimientos y turbulencias, en la entrada de esta se coloca un cono que reduce de manera gradual el rea, al que se le nomina contraccin, de manera similar, al acabar la seccin de pruebas hay un contraccin, tramo denominado difusor, encargado de aumentar el rea y disminuir la velocidad del aire. Aunque las velocidades con que se experimenta en los tneles de viento varan dentro de un amplio rango, solo se considerarn las menores 580 Km/h, denominadas subsnicas, dnde la compresibilidad del aire es despreciable.

En los tneles de viento no es necesario someter a experimentacin el prototipo sino a un modelo a escala que guarde parecido aerodinmico.

BMW 320D E46

Modelo BMW 320D E46

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_________________________________________________________________Memoria Para conocer las fuerzas que se aplican al caso real, en un tnel subsnico, debe existir una similitud geomtrica, lo que hace que ambos tengan la misma escalera de longitudes, tiempo y fuerzas. El tamao del modelo define en muchos casos el tamao de la seccin; en teora sera ideal que la seccin tuviera el mayor ancho posible, sin embargo, por razones econmicas, es aceptable que la envergadura del modelo sea como mximo cuatro quintas partes del ancho de la seccin, de suerte que el efecto de las paredes no se vea reflejado en las mediciones. Pero cono ya sabis los tneles no van dirigidos exclusivamente al diseo de aeronaves, sino tambin al de automviles, bicicletas, edificios, a simular la propagacin de incendios y de contaminantes atmosfricos... Para los resultados de las pruebas no slo se usan atmosfricos... sensores, tambin se usan sustancias que sirven para visualizar el flujo, como es el caso de los tneles de humo o tneles en los que se utiliza agua con jabn para marcar lneas y trayectorias en el fluido. En las siguientes figuras se pueden apreciar las lneas del flujo de aire en pruebas de tnel aerodinmico desde diferentes vistas.

Trayectorias fluido Trayectorias de humo, tnel del viento

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_________________________________________________________________Memoria

1.6 ANLISIS CON SOFTWARE SENCILLOPara el estudio aerodinmico del vehculo S1 con mtodos sencillos, se utilizar en su ltima versin el programa de diseo en 3D SolidWorks 2009 y su paquete de simulacin de flujo, llamado FloXpress.

1.6.1 DESARROLLOSe explicar desde el diseo inicial todos los pasos a seguir explicando en cada caso los comandos. El primer paso que hay que hacer es cargar la geometra en un nuevo

Archivo abrir (nombre del dibujo), Nos permite abrir infinidad de formatos, referente a programas de diseo como: catia, pro/engineer, inventor, autocad,

Abrir geometra coche

SolidWorks FloXpress slo puede analizar flujo de fluidos en un volumen que est completamente cerrado y que tenga al menos una entrada y una salida. Antes de analizar el flujo, debe cerrar todas las entradas del modelo. Como no se quera un flujo en el interior del vehculo sino sobre su carrocera, se procedi a la creacin de una nueva pieza a la que llamaremos tnel.

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_________________________________________________________________Memoria

Archivo

nuevo

pieza,

Crear archivo nuevo

Activar la pestaa croquis, en ella dibujaremos un rectngulo, de lados 8 veces la longitud del coche y 5 veces la altura del coche (en el apartado 1.4 definiciones queda explicado las dimensiones del tnel). Activamos la pestaa operaciones extruir saliente/base,

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_________________________________________________________________Memoria

Extruir croquis

En el cuadro de dialogo de la izquierda, elegimos que tenga de ancho el tnel 5 veces la anchura del coche.

Para que no nos cree todo un bloque slido, activamos la pestaa operacin lmina (al final del cuadro de dialogo), como espesor de las paredes elegimos por ejemplo 10 mm, ya que esto no nos implica para nada. Una vez hecho esto, pulsamos el botn aceptar del cuadro de dialogo.

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_________________________________________________________________Memoria

Tnel de viento virtual

El tnel todava se encentra abierto, se deben crear dos tapas para los laterales. El procedimiento ser el mismo que lo explicado hasta ahora. Realizar el croquis y extruir.

A continuacin crearemos un conjunto con el tnel y el coche. Para ello hacemos: Archivo nuevo ensamblaje

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_________________________________________________________________Memoria

Crear ensamblaje

A continuacin examinar

elegir la pieza examinar elegir la

Una vez tengamos o el tnel o el coche, en la pestaa ensamblaje otra pieza.

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_________________________________________________________________Memoria

Abrir ambas piezas en ensamblaje

Se introducen las relaciones de posicin necesarias para que est completamente definido. Dentro del men ensamblaje, pinchar en el botn, relacin de posicin

Men, agregar relaciones de posicin

En la parte izquierda de la pantalla aparece un men. Marcaremos las necesarias hasta que el coche quede en el interior del tnel tocando con las ruedas el fondo.Debido a que a la hora de la construccin del tnel se tuvo en cuenta los planos en los cuales se encontraba el coche, de esta forma se la dificultad a la hora de agregar las relaciones de posicin. Se impuso que las ruedas fuesen tangentes al suelo y las distancias a las cuales estaba el coche de los laterales estas son:

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_________________________________________________________________Memoria

3 veces la longitud del coche a la entrada al morro del vehculo 5 veces la longitud del coche de la parte trasera del vehculo al final del tnel Situado en el centro del tnel.

Agregar relaciones de posicin

Ensamblaje

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_________________________________________________________________Memoria Por seguridad se guarda el ensamblaje. Ahora tenemos la geometra preparada para realizar el anlisis. Para ello hacemos clic en herramientas la barra de herramientas en calcular asistente para anlisis FloXpress

Seleccin asistente de anlisis

En la parte izquierda de la pantalla aparece un mensaje de bienvenida, el cual se puede observa en la imagen.

Mensaje bienvenida

En primer lugar comprueba la geometra y emite un mensaje. En caso de existir problema con la geometra, se debera volver atrs y comprobar el diseo.

El botn Ver volumen de fluido nos sirve para asegurarse de que el volumen de fluido se especifique correctamente. Si las entradas se sellaron correctamente con las tapas pero existen espacios interiores pequeos en el modelo, SolidWorks FloXpress puede validar la geometra.

Comprobacin de la geometra

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_________________________________________________________________Memoria Si el modelo tiene espacios internos, SolidWorks FloXpress muestra otro mensaje que indica que el modelo no est preparado para realizar un anlisis de flujo. Si el fluido pasa a travs de una separacin ms pequea que el paso de flujo ms pequeo predeterminado, se puede configurar esta opcin para igualar la anchura de esa separacin. En nuestra simulacin al no tener otros pasos ms pequeos no debemos modificar nada. Una vez realizado los cambios pertinentes proseguimos, clic en

En el siguiente paso, debemos seleccionar el tipo de fluido que fluye a travs de nuestro modelo. Como vamos a realizar un anlisis aerodinmico seleccionamos aire

Condiciones del fluido

Clic siguiente paso.

En el siguiente paso debemos asignar la entrada del modelo y la condicin de flujo. En el caso de una simulacin aerodinmica no nos consta el flujo de masa ni de volumen el cual puede atravesar a travs de un coche. Si pulsamos la pestaa presin debemos indicar la Condiciones presin de incidencia del aire sobre la carrocera. Debido a que estos datos son muy complicados de obtener y no se podr proseguir con la simulacin. De este modo el paquete de simulacin FlowXpress no nos ha sido valido para el anlisis aerodinmico de un coche.

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_________________________________________________________________Memoria

Con el fin de que se conozca el funcionamiento del paquete de simulacin de Solidworks se proseguir. Para ello a la entrada colocaremos dos veces la presin atmosfrica, recalcar que estamos colocando estos datos con el fin de conocer qu resultados da el programa, pero que en ningn caso no son validos.


Aparece una ventana donde se deben elegir la salida del fluido y las condiciones de flujo. Se toma la presin a la presin de 101325 Pascales (presin atmosfrica).


A continuacin el modelo comienza con los clculos

Clculos

Una vez terminados los clculos, en la parte izquierda de la pantalla nos aparece una ventana en ella se puede hacer lo siguiente.

Cambiar la densidad de lneas de flujo, como mximo se puede 20. Cambiar las lneas de flujo a bolas. Se pueden capturar imgenes. Existe la posibilidad de generar un documento con formato Word, en el aparecen formato las condiciones de contorno. Y la velocidad mxima registrada. Visualizar mediante video el progreso de las lneas de flujo.

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Resultados

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1.6.2 VALIDACIN

Solidworks es un buen programa de diseo e incluso fcil de manejar. Para este proyecto fin de carrera se ha utilizado el paquete de simulacin FlowXpres. Como se puede ver durante el desarrollo no se ha podido llegar al final de la simulacin. Ha sido creado el paquete de anlisis para comprobaciones sobre modelos en el cual tengamos informacin sobre los flujos msicos o volumtricos del fluido, es decir, sobre vlvulas, codos en tuberas, derivaciones en general.

Durante el proceso de condiciones, se han pasado detalles sin poder cambiar, debido a que el programa no nos daba la posibilidad, por ejemplo el mallado que ha realizado. Sobre los resultados, tampoco nos eran validos en caso de a ver podido proseguir con la simulacin. En toda simulacin de aerodinmica tiene un gran inters la presin que el fluido realiza sobre la carrocera, solo muestra el mapa de velocidades sobre lneas de flujo. Por todo esto para un estudio aerodinmico es muy recomendable e incluso necesario utilizar programas de CFD especializados. Para la realizacin de este Proyecto Fin de Carrera se utilizar un programa especializado en aerodinmica.

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1.7 SOFTWARE ESPECIALIZADO EN AERODINMICAUna vez comprobado que Solidworks no nos es eficaz para nuestros anlisis, se procede a la bsqueda de otros programas ms complejos.

Existen numerosos programas de CFD, utilizados en la actualidad para el diseo aerodinmico de automviles. Por ejemplo Fluent, PowerFlow o STAR-CCM+ STARAunque hay muchas reas para la exploracin CFD, PowerFLow ha centrado sus esfuerzos en perfeccionar y mejorar las simulaciones de transporte terrestre. Ingenieros, fsicos y expertos del mundo acadmico con experiencia en la industria, que saben los problemas que enfrentan los ingenieros de hoy y centrarse en la solucin de ellos.

Simulacin PowerFlow

En cuanto a STAR-CCM+ ofrece el proceso de ingeniera de simulacin completa en un entorno de software integrado. Este enfoque nico ofrece incomparable facilidad de uso y la automatizacin para la preparacin de CAD , mallado , el modelo de configuracin y diseo de estudios interactivo, permitiendo obtener mejores resultados , ms rpido. STAR-CCM + es un nuevo concepto en su totalidad en CFD. STAR-CCM+ Tiene un gran marco de aplicacin en el sector automovilstico.

Simulacin con STAR-CCM+

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En cuanto a la utilizacin de Fluent, lo utilizan grandes marcas en el sector automovilstico como Chrysler, Jaguar, Ford, Volkswagen, Skoda,...Es ms utilizado en el diseo de coches particulares y menos utilizado en competicin aunque por ejemplo Ford lo utiliza en el mundial de rallyes para el diseo de los WRC (World Rally Car) con el Ford focus y en la categora de sper 2000 con Ford fiesta.

Simulacin con Fluent

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1.7.1 SOFTWARE ELEGIDO

En este Proyecto Fin de Carrera se presenta la aplicacin de un programa de simulacin basado en el mtodo de los Elementos Finitos para el estudio de la aerodinmica externa de vehculos de competicin. El software utilizado es STAR-CCM+ en su ltima versin 5.02.2010 siendo este un programa de CFD. STAR-CCM + ofrece el proceso de ingeniera de simulacin completa en un entorno de software integrado. Este enfoque nico ofrece incomparable facilidad de uso y la automatizacin de la preparacin de CAD, mallado, el modelo de configuracin y estudios de diseo interactivo, permitiendo obtener mejores resultados, ms rpido. Dicho software es empleado por grandes marcas automovilsticas, tanto en el rango de la competicin como en el diseo de vehculos particulares, como ejemplo tenemos las escuderas mas punteras de la formula 1 como Ferrari, McLaren-Mercedes, Renault,

STAR-CCM + trabaja con un cliente en java que se ejecuta en la luz del escritorio de la mquina el usuario, conectado al servidor que se ejecuta en el mismo o en otra mquina.Esto entrega una serie de ventajas:

Utilizando tan solo una computadora porttil, los usuarios pueden ver los solo resultados, iniciar o detener un clculo, o hacer cambios en la puesta a un caso con millones de clulas, que se ejecutan en un gran grupo. El pre y post-procesador es una parte integral del programa de solucin. Los cambios realizados en el cliente (por ejemplo, modelo de turbulencia o condicin de contorno) se reflejan al instante en el solucionador. Por el contrario, una actualizacin del campo de flujo se puede visualizar en cada iteracin, sin sobrecarga adicional. Es el desarrollo de cdigo ms rpido en el mercado, con una nueva emisin importante que ocurre cada cuatro meses. STAR-CCM + es el nico cdigo que ya se ejecuta un clculo que implica ms de un mil millones de clulas. ha sido diseado especficamente para soportar los sistemas operativos ms importantes utilizados en las empresas de ingeniera: Windows y Windows 7 (32 Windows y 64 bits), Linux (32 y 64-bit) y las plataformas UNIX.

Ya que el desarrollo de este Proyecto Fin de Carrera est ligado ntimamente con la competicin automovilstica, las grandes marcas anteriormente mencionadas utilizan est programa para sus simulaciones aerodinmicas, se puede acceder al programa en la Universidad Pblica de Navarra. Por todo esto se ha decidido usar STAR-CCM+. 44


_________________________________________________________________Memoria

1.7.2 MODELO MATEMTICO

El modelo matemtico desarrollado por STAR-CCM+ es el siguiente

Ecuaciones de Navier StokesLa modelizacin del medio continuo que se desea analizar se realiza mediante la utilizacin de las ecuaciones de Navier Stokes para flujo incompresible. En estas ecuaciones se asume que la densidad permanece constante, por lo tanto la ecuacin de energa queda desacoplada y no se tiene en cuenta. Dichas ecuaciones se expresan de la siguiente forma:

Ecuacin de momento u/t + uu + 1/p = fEcuacin de continuidad

en

(t0, tf )

u = 0

en (t0, tf ) (2)

Donde representa el dominio de anlisis cuyo contorno est formado por u , mientras que (t0, tf ) es el intervalo de tiempo de anlisis. El vector u = (u1, u2, u3) es la velocidad, p es la presin, es la viscosidad cinemtica y es la densidad del fluido.Las condiciones de contorno son: u = u en u (3) .n = t en _ (4)

Donde es el tensor de tensiones viscoso y n el vector normal al contorno. Las condiciones de contorno se deben satisfacer para todo t (t0, tf ). Las ecuaciones resultantes se completan.

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1.8 CLCULOUna simulacin CFD consta de 4 etapas para obtener unos resultados ptimos: generacin etapas del modelo 3D, mallado del dominio, resolucin de las ecuaciones y anlisis de los resultados. Como la geometra del coche 3D, nos la aporta la empresa SILVER-CAR. Lo primero que se debe hacer es la importacin del modelo.Para ello primero file/new simulation. Se abre un cuadro de dialogo, en el cual nos ofrece la posibilidad de realizar el anlisis con varios ordenadores a la vez, para ello deberamos pulsar en la opcin parallel. En el caso del PFC se proceder con un solo ordenador, por lo se marcar la opcin serial y a continuacin pulsar ok

Cargar simulacin

Seguidamente importaremos la geometra, para ello file/import surface, en el cuadro de dialogo buscar la geometra y pulsar ok. STAR-CCM+ nos facilita la importacin en distintos tipos de formatos. Estos pueden ser:

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_________________________________________________________________Memoria Tipo de formato Programa origen

.x_t .x_b .iges .igs .stp .step .stl .pat .nas .fro .dbs .inp .model .exp. sesin .catpart .cadproduct .sldprt .sldasm .prt .asm .prt .ipt .iam .vda .xml

Parasolid IGES STEP Stereo lithography Patran Nastran FELISA CD adapco CD adapco CATIA V4 CATIA V5 SolidWorks PRO/engineer Unigraphicd NX Inventor VDA Medina

La geometra del modelo est en formato .asm, as pues no existir ningn problema a la hora de importarla.

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_________________________________________________________________Memoria

1.8.1 MODELO Y MALLADO UTILIZADO

Antes de proceder al mallado es necesario comprobar el estado de la superficie, que todas estn correctamente definidas; hemos de saber necesariamente si existe sobre la carrocera, algn agujero; si esto es verdaderamente as, no podemos generar el volumen necesario; ya que para realizar la simulacin CFD, debemos generar un volumen; es decir debemos tener un volumen que corresponder con el volumen de todo el aire, el tnel de viento virtual creado tambin tendr un volumen de aire definido. Hasta que no consigamos este volumen de aire, no podemos seguir avanzando en el proceso.

Comprobacin superficie

En la imagen se puede apreciar como la geometra esta correcta, todos los valores a cero. Estos valores representan lo siguiente.

Non manifold edges=0, es decir no hay superficies superpuestas, en caso de no resolverlo a la hora de mallar existira una superficie mas creando irregularidades en la geometra e incluso obteniendo datos en sitios errneos. Non-manifold vrtices=0, es decir todos los vrtices de los poliedros que forman la malla estn unidos, no existen vrtices libres. Free edges =0, es decir el modelo se encuentra correctamente cerrado. En caso de que la geometra se encuentre abierta, existen dos posibilidades para solucionarlo: Abriendo la geometra en un programa de dibujo como puede ser Catia, Solidworks, PROengineer,

Como se puede apreciar en la imagen STAR-CC+ provee de una serie de herramientas para arreglar las superficies manualmente e incluso un botn de auto reparacin. Decir sobre esto que solo es sobre vlido para pequeos errores ya que el programa recrea las superficies como lo cree oportuno y en numerosas lo hace errneamente.

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_________________________________________________________________Memoria

Reparar superficie

Como el vehculo estudiado guarda simetra longitudinal, hacemos el estudio de la mitad del coche, de esta forma aprovechamos al mximo la memoria virtual del ordenador, as luego el mallado ser mejor, puesto que requiere de toda el potencial posible.

Para ello haremos pasar el tnel virtual creado por la mitad delCreacin tnel virtual

coche.

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_________________________________________________________________Memoria

Despus de hacer la interseccin del tnel con la carrocera y el suelo del tnel con los neumticos se elimina las partes que quedan fuera del tnel.

Pasaremos a comprobar de nuevo que nuestro coche-tnel si se encuentra con o sin fallos y todo el volumen cerrado.

Interseccim

El proceso de mallar la geometra, consiste en convertir lo infinito en finito; existen infinitos puntos en el espacio, con lo que es absolutamente imposible calcular las velocidades, presiones, temperaturas, fuerzas,. en todo esos puntos; de esta forma, lo que se hace, es discretizar el espacio de tal forma que ahora dispondremos de un nmero ya finito de puntos.

STAR-CCM+ ofrece tres tipos de malla: mallas tetradricas: esta formada por tetraedros, su convergencia es lenta, es un a malla que esta en deshuso.

Malla tetradrica

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_________________________________________________________________Memoria

mallas polidricas: son mallas formadas por octaedros, son ms precisas y convergen ms rpido que las mallas tetradricas.

Malla polidrica

mallas hexadricas: son mallas formadas por hexaedros. Requieren de menos memoria que la polidrica para generar la malla.

Malla hexadrica

En nuestro anlisis utilizaremos la malla hexadrica, ya que para el clculo de vehculos es la ms idnea debido a que esta malla tiene una direccin ms definida en el sentido de flujo.Para realizar el mallado en STAR-CCM+ hay que seguir los siguientes pasos. En el cuadro de dialogo de la izquierda seleccionar: continua/mesh 1(botn derecho del raton)/select meshing models

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_________________________________________________________________Memoria

Eleccin tipo de mallado

Como se ha explicado anteriormente seleccionaremos la malla hexadrica, trimmer y surface remesher y cerramos el cuadro pulsando el botn close.

A continuacin vamos a continua/mesh 1/reference value/ base size colocaremos el valor de 0.2, este valor indica el tamao de la malla del conjunto tnel y carrocera.Seguidamente en el rbol clicaremos en la carrocera y le cambiaremos el porcentaje del tamao de la celda, en nuestro caso a un 10%, en relative minimun size.

Al activar la casilla de custom surface size, el tamao de la celda alrededor de la carrocera aumentar de forma gradual hasta llegar al tamao dado al principio.

Definicin tamao de malla

A continuacin se procede a realizar la malla de superficie, observarla y en caso de no ser lo suficientemente precisa reducir los valores.

Mallado superficial

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_________________________________________________________________Memoria Una vez creada la malla superficial, y comprobando visualmente su efecto correcto procederemos al mallado volumtrico, para ello sin modificar ningn dato pulsar en generate volume mesh. Se puede saltar el paso del mallado superficial y crear directamente el volumtrico, pero en caso de no que el mallado no hubiese sido todo lo preciso y hubiera que volver a mallar, hubisemos perdido tiempo ya que al ordenador realiza el mallado superficial de todas formas aunque de esta ultima forma no lo muestra.

Como reglas generales y a modo de resumen, para que todo mallado sea bueno y sobre todo, sea posible su generacin y existencia, la geometra debe cumplir una serie de existencia, requisitos, bsicamente, estas son las dos condiciones, que son suficientes para asegurar la correcta generacin del mallado:

No debe existir ngulos excesivamente pequeos; ello produce que necesariamente se tengan que colocar mallas excesivamente pequeas con el riesgo que con lleva esto, hasta el punto, de no poderse realizar.

Las superficies, all donde haya una gran curvatura, es mejor separarla por varias superficies ms pequeas, en caso contrario el mallado debera ser muy pequeo e incluso en ocasiones llegando a la imposibilidad de crearlo.

Para intentar optimizar al mximo los recursos y ahorrar memoria, es mejor hacer una malla ms densa en:

Zona de las ruedas, frenos, alern, difusor. Parte delantera del vehculo (morro) Espacio entre el fondo del coche y el suelo.

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_________________________________________________________________Memoria

Mallado volumtrico final

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1.8.2 DIMENSIONES TUNEL VIRTUAL Y CONDICIONES DE CONTORNO

En mecnica de los fluidos, aerodinmica, la complejidad de las ecuaciones matemticas hace todava hoy imposible su tratamiento completo en problemas prcticos. Adems, existen ciertos parmetros que por su naturaleza son claramente experimentales. Es necesario por lo tanto contar con medios que hagan posible el estudio de estos fenmenos de una manera econmica y fiable. El tnel de viento es la herramienta adecuada para la verificacin, estudio y desarrollo de tcnicas y procedimientos, as como de teoras con la finalidad de entender el comportamiento de cuerpos o masas de aire en movimiento. Un tnel de viento, por lo general puede definirse como conductos que llevan en parte de su trayecto un ventilador accionado por un motor, que se encarga que el aire fluya a travs de l de manera constante.Aunque las velocidades con que se experimenta en los tneles de viento varan dentro de un amplio rango, solo se considerarn las menores a 580 km/h, denominadas subsnicas, dnde la compresibilidad del aire es despreciable. El tamao del modelo define en muchos casos el tamao de la seccin; en teora sera ideal que la seccin tuviera el mayor ancho posible, sin embargo, por razones econmicas, es aceptable que la envergadura del modelo sea como mximo cuatro quintas partes del ancho de la seccin, con el fin de que no se produzca reflejo de la onda de choque producida en el modelo contra las paredes del tnel Las dimensiones aproximadas que debe tener un tnel del viento virtual son las siguientes:

Longitud: de la entrada al morro del vehculo; tres veces la longitud y de la parte trasera del vehculo al final del tnel cinco veces la longitud del vehculo.

Anchura: cinco veces la anchura del vehculo

Altura: cinco veces la altura del vehculo. Una vez creado el bloque, se descompone las paredes. Se debe descomponer por paredes aplicndole a cada una su propiedad, con el fin de que el programa las reconozcas y les aplique las condiciones necesarias. Las paredes definidas son:

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_________________________________________________________________Memoria

Entrada: al programa le especifica la cara cual ser la entrada de aire. cual Salida: la superficie por el cual debe salir el flujo de aire Plano de simetra: esta pared no influye para nada en la simulacin, el aire no se reflejar sobre la pared ni creara turbulencias de ningn tipo. Pared lateral y techo: son paredes rgidas. Pero al estar lo suficientemente lejos del modelo no influirn sobre el anlisis.

Salida Techo

Pared

Vehculo Plano simetra Entrada

Para realizar y poder as, disponer de una fiable simulacin CFD, es necesario tambin, simular la realidad, por ello se asignan condiciones de contorno, estas son:

Velocidad fija en la entrada, la velocidad que se emplea en la simulacin coincide entrada, con la de un tnel real.Velocidad normal nula en la parte superior del tnel y en la pared lateral. Se aade esta condicin con el fin de que no se crea ninguna turbulencia por la cercana del techo y pared, aunque estn colocadas lo suficientemente lejos. Presin impuesta en la salida del dominio (presin atmosfrica). Al igual que un tnel real la presin de salida del aire ser la presin atmosfrica. Condicin de simetra en el plano central.

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_________________________________________________________________Memoria

Se le asigna a toda la carrocera la condicin de wall; ello significa que todo el coche es de pared slida.Tambin hay que indicar dnde es la entrada de aire, la salida, el plano de simetra (en su caso; se le est diciendo al cdigo del programa que hay una pared, pero no es slida, ni tiene friccin....).

Es posible, si se conoce, asignar coeficientes de rugosidad o friccin a aquellas superficies que lo necesiten. A modo de resumen decir que el proceso, estudio o generacin de la geometra es el proceso ms importante, si la geometra cumple todo lo dicho anteriormente, el mallado no tendr problema alguno en su generacin, y los resultados obtenidos sern fiables.

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_________________________________________________________________Memoria 1.7.3 CONDICIONES DEL FLUIDO

Otro parmetro a definir es el referente a la naturaleza del fluido. Para el caso de la simulacin aerodinmica nuestra, el fluido ser aire. Se ha utilizado aire a 20 C correspondiente a una densidad = 1,184Kg/m3 Adems de la condicin de aire a se le asignan las siguientes condiciones:

Que el fluido sea un gas: Se ha utilizado aire a 20 C Fluido estacionario: Las condiciones de contorno no varan con el tiempo, por lo que todas las variables trmicas y cinticas del problema son independientes del tiempo Densidad constante. = 1,184Kg/m3 a 20 C La velocidad de entrada. Los esfuerzos cortantes en el suelo sean cero. El suelo no nos cree ninguna fuerza distinta a la que el propio coche pueda realizar normal al suelo La presin de entrada y salida consideraremos la presin atmosfrica.

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1.9 RESULTADOSLos resultados obtenidos de la malla siguiendo todos los pasos posibles mencionados en el apartado 1.7.1 han sido:

Celdas: 1 901 691 Caras: 3 740 337 Vrtices: 332 133

Resultados del mallado

Se han lanzado cinco simulaciones a distintas velocidades 108 Km/h, 140 Km/h, 170 Km/h, 200Km/h, y 230 Km/h. Las razones de estas velocidades son las siguientes: 108 Km/h: se corresponde con la velocidad media que se registran en competiciones de montaa. Las competiciones de montaa se realizan en ascensiones a puertos de montaa en las diferentes comunidades de Espaa. 108 km/h corresponder con trazados revirados, dominado por sucesin de curvas cerradas. 140 km/h: se corresponde con competiciones de montaa, en los que los trazados son rpidos. Estn caracterizados estos trazados por curvas abiertas con velocidades de paso por curva altas. Algunos ejemplos de ascensiones con estas caractersticas son: subida al Fito(Arriondas, Asturias), subida Arrate (Eibar, Guipzcoa), entre otras.

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Trazado subida Arrate

170 Km/h: los vehculos categora CM, pueden participar en dos modalidades de competicin, en circuito como en montaa. En circuitos rpidos se suelen alcanzar velocidades medias alrededor de la citada. Al competir en circuitos modifican parmetros con el fin de alcanzar mayores velocidades, por ejemplo relaciones de caja de cambios ms largas, menor inclinacin del alern, de esta forma se alcanzan velocidades mayores.

200 Km/h: esta velocidad quiere simular las rectas de los circuitos, e incluso en rectas numerosas ocasiones se mantiene con sucesin de largas curvas.

230Km/h: la velocidad de 230 Km/h es la velocidad punta que alcanzan en circuitos. Se toma la velocidad punta para comprobar el comportamiento. A estas altas velocidades con comprobar su aerodinmica y conseguir con ella tan solo un 1Km/h ms que los dems es un gran potencial. En la temporada actual de Formula 1, se puede observar que los McLaren-Mercedes al tener ms velocidad punta son capaces por ejemplo de adelantar fcilmente.

En los siguientes apartados se mostraran los mapas de presiones y velocidades en las se cercanas del vehculo, estudiando las condiciones del flujo en cada una de las zonas.

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1.9.1 VELOCIDAD 108 Km/h

El anlisis ha sido lanzado a 30 m/s, 108 km/h, se ha escogido esta velocidad, siendo km/h, unas de las velocidades medias que alcanzan en algunas competiciones de montaa

Se realizaron tantas iteraciones como fueron necesarias hasta que el clculo llegase a una condicin estable. Para la velocidad de 108 Km/h se efectuaron 1200 iteraciones. Mostrndose los residuos mnimos en la siguiente grfica:

Grafica residuales

Como queda reflejado en la imagen a partir de 800 iteraciones los datos convergen, sus variaciones se mueven sobre el mismo rango.

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1.9.1.1 PARTE FRONTAL

A continuacin se muestran los mapas de presiones y velocidades en la parte delantera muestran del vehculo. Es la zona en la cual hay una incidencia directa con el flujo, en la que se podr observar zonas de altas presiones y bajas velocidades.

Mapa presiones en el plano medio de la parte delantera del vehculo

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Mapa de velocidades en el plano medio de la parte delantera

Depresin Sobrepresin

Mapa de presiones en la parte delantera del vehculo

Como se puede observar en la imagen anterior se produce una sobrepresin en el alojamiento del foco y una depresin sobre el paso de rueda.

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1.9.1.2 PARTE SUPERIOR

En el siguiente apartado se muestran los mapas de velocidades y presiones en la parte muestran superior del vehculo.

Mapa de velocidades en el plano medio de la parte superior del vehculo

Mapa de presiones en el plano medio de la parte superior del vehculo

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Depresin

Mapa de presiones en la parte superior del vehculo

En lo que se refiere a la parte superior, hay una depresin entre la luna y el techo, es producido por el escaln existente entre los dos elementos.

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1.9.1.3 PARTE LATERAL

Se van a mostrar los mapas de velocidades y presiones en la parte lateral del vehculo.

Sobrepresin

Mapa de presiones en la parte lateral del vehculo

En la zona que se refiere a la parte lateral del vehculo, tenemos una sobrepresin entre la puerta y el eje trasero. La zona entre el eje delantero y la puerta existe una depresin. En la zona de cambio de seccin situada debajo del retrovisor al crearse esa depresin estar creando turbulencias, haciendo aumentar el coeficiente de resistencia al avance.

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1.9.1.4 PARTE TRASERA

Se muestran los mapas de presin y velocidad en la parte posterior del vehculo. El alern y difusor por tener una gran influencia aerodinmica se estudian por separado.

Mapa de presiones en la zona posterior

Mapa de presiones zona posterior del vehculo

En lo que se refiere a la zona trasera del vehculo, se crea depresin en la zona de la carrocera por encima del foco y la zona del paso de rueda trasero.

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1.9.1.5 ALERN

El alern es una de las partes ms importantes de los vehculos de competicin. El los alern crea sustentacin negativa, con el paso del flujo a travs ella. Crean carga aerodinmica, consiguiendo un paso por curva ms rpido. Por ello los alerones son de un gran inters en el estudio aerodinmico, a continuacin estudiaremos los mapas de presin y velocidad.

Mapa de velocidades en la zona del alern en el plano medio.

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Mapa de presiones en la superficie posterior del alern

Mapa de presiones en la superficie del alern

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Turbulencias

Desprendimiento

Mapa de velocidades en el plano medio del vehculo.

Turbulencias

Mapa de velocidades perpendicular al plano de simetra situado en la mitad de la longitud del alern

En lo que se refiere sobre el alern, el flujo se adhiere a l salvo al final en el que tenemos un desprendimiento de la capa lmite.

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1.9.1.6 DIFUSOR

El difusor esta, situado en la zona posterior del coche, con el fin de evacuar ms rpidamente el aire del fondo, creando efecto suelo, es decir, que el vehculo se adhiera al suelo consiguiendo un paso por curva ms rpido. Se muestran los mapas de velocidades y presiones en el difusor del vehculo.

Mapa de presiones del difusor

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Mapa de presiones en el fondo plano del vehculo

Mapa velocidades en un plano paralelo al plano de simetra en el difusor

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Mapa velocidades en un plano paralelo al plano de simetra en la zona del difusor

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1.9.1.7 COEFICIENTE DE RESISTENCIA AL AVANCE, Cx

El coeficiente de resistencia al avance o drag en ingles, se define como: Cx= , siendo

: densidad N; 1,184 Kg/m3 A: rea del vehculo; 1,642 m2 V: 30 m/s Se tiene que el Cx, es aproximadamente 0.2195 (Dato obtenido de STAR-CCM+)

Coeficente de resistencia al avance

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1.9.2 VELOCIDAD 140 Km/h

El anlisis ha sido lanzado a 140 km/h. Se han hecho 1960 iteraciones hasta que el clculo llegase a una condicin estable. Mostrndose los residuos mnimos en la siguiente grfica:

Residuales

Se mostrarn los diferentes mapas de presiones y velocidades en las diferentes partes del coche.

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1.9.2.1 PARTE FRONTAL

A continuacin se mostraran los mapas de presiones y velocidades en la parte delantera del vehculo.

Mapa presiones en el plano medio de la parte delantera del vehculo

Mapa de velocidades en el plano de simetra de la parte delantera

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Depresin

Sobrepresin

Mapa de presiones en la parte delantera del vehculo

Puede observarse una sobrepresin sobre el foco y una depresin en el paso de rueda.

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1.9.2.2 PARTE SUPERIOR

En el siguiente apartado se muestran los mapas de velocidades y presiones en la parte superior del vehculo.

Mapa de velocidades en el plano medio de la parte superior del vehculo

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Depresin

Mapa de presiones en la parte superior del vehculo

En lo que se refiere a la parte superior, hay una depresin entre la luna y el techo, es producido por el escaln existente entre los dos elementos.

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1.9.2.3 PARTE LATERAL

Se van a mostrar los mapas de velocidades y presiones en la parte lateral del vehculo.

Sobrepresin

Mapa de presiones en la parte lateral del vehculo

Depresin

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_________________________________________________________________Memoria En la zona que se refiere a la parte lateral del vehculo, tenemos una sobrepresin entre la puerta y el eje trasero. La zona entre el eje delantero y la puerta existe una depresin.

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1.9.2.4 PARTE TRASERA

Se mostrarn los mapas de presin en la parte posterior del vehculo.

Depresin

Como se observa en la anterior imagen existe una depresin encima del foco trasero y del paso de rueda.

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1.9.2.5 ALERN

A continuacin se mostrarn los mapas de presiones y velocidades en el alern.

Mapa de velocidades en la zona del alern en el plano medio.

Mapa de presiones en un plano medio paralelo al de simetra en la zona del alern

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Mapa de presiones en la superficie posterior del alern

Mapa de presiones en la superficie del alern

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Mapa de velocidades en el plano medio del vehculo.

Turbulencias

Mapa de velocidades perpendicular al plano de simetra situado en la mitad de la longitud del alern

En lo que se refiere sobre el alern, el flujo se adhiere a l salvo al final en el que tenemos un desprendimiento de la capa lmite.

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1.9.2.6 DIFUSOR

Se mostrarn los mapas de velocidades y presio

estudio aerodinamica

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