Unas pinceladas básicas sobre el arrastre aerodinámico en un vehículo.
Desde hace ya bastantes décadas, uno de los objetivos en la industria del automóvil (tanto en la industria de automóvil comercial como en la de competición o F1) ha sido el intentar reducir la cantidad de energía necesaria para su movimiento por lo que uno de los factores clave es reducir el Cx, también llamado Cd o coeficiente de penetración aerodinámico y por ende la resistencia aerodinámica al avance Ra.
Como resistencias al avance en un vehículo entrarían en juego resistencia a rodadura (Rr) que es relativamente constante para todo rango de velocidad del vehículo y resistencia aerodinámica (Ra) que obedece a una función exponencial dependiente en gran medida de la velocidad y, teniendo ésta un peso muy significativo en un vehículo, sobre todo cuando hablamos de velocidades por encima de unos 80 Km/h.
No es objeto de este artículo el entrar en detalle en los diversos aspectos relacionados con lo anteriormente mencionado, pero simplemente con visualizar los términos matemáticos que entrar en juego en la ecuación nos podremos hacer a la idea del peso que tiene cada uno de ellos, pues mientras en Ra, la velocidad, v, está elevada al cuadrado, en Rr no es así:
Decir que en las anteriores ecuaciones, en cuanto a Ra (resistencia aerodinámica) vemos como entran en juego la densidad del aire, el área frontal del vehículo, en Cd o CX y por supuesto la velocidad de avance del vehículo y peso del vehículo.
En cambio en Rr (resistencia de rodadura) entrarían en juego fr que es la resistencia a la rodadura producida por el neumático, y si se quiere hilar fino, también Rr es dependiente de la velocidad aunque no tiene tanto peso como en Ra.
Es por ello que un fabricante ponga más énfasis en tratar de trabajar y optimizar el Cx; que tampoco quiere decir que el sector de la industria del neumático no haya hincapié también en optimizar el neumático para reducir el coeficiente de rodadura, pues también en dicho sector ha habido un avance en tratar de reducir la rodadura con la implementación de nuevos compuestos.
Un poco de historia.
Ya desde la crisis del petróleo de 1973 del siglo pasado, la industria automotriz se vio obligada a intentar optimizar sus productos tanto a nivel de grupo propulsor como también de diseño de carrocerías que fueran lo más “aerodinámicas posible”, intentando reducir el Cx y por tanto el consumo de combustible.
Anteriormente a 1973 los ejercicios en cuanto formas “aerodinámicas” que se llevaban a cabo no eran tanto por una reducción de consumo, sino más bien como un ejercicio de diseño orientado a una mejora en las prestaciones o velocidad punta; hoy en día no es tanto el objetivo de una alta velocidad punta como sí que lo es la reducción de consumo a velocidades legales o moderadas-
Así pues, el Cx se ha ido reduciendo en automóviles comerciales, de forma que en los años 70, un automóvil de tipo medio podía arrojar unos valores de Cx superiores a 0.4; hasta hoy en día que una gran mayoría de vehículos comerciales ya baja de un Cx de 0.3.
En la industria automotriz, inicialmente a principios y mediados del siglo XX se estimaba el rendimiento aerodinámico y Cx solamente de forma experimental mediante los famosos “túneles de viento” que simulaban el flujo de aire mediante enormes ventiladores.
Aunque los primeros túneles de viento datan del sector de la aeronáutica, en el sector de los automóviles fue la compañía americana Chrysler la primera en emplear un túnel de viento para el desarrollo de la carrocería exterior en su modelo Chrysler Airflow en los años 20 del siglo XX:
Posteriormente en Europa el primer coche diseñado mediante túnel de viento fue el Porsche 356 que se introdujo en 1948.
Años 80 del siglo XX. Empieza la época de las simulaciones de mecánica de fluidos (CFD).
Sobre los años anteriores a los 80’s, ni el diseño asistido por computadora (CAD) ni el análisis de fluidos computacional (CFD) estaban presentes, por lo que no fue hasta comienzos de los años 80’s cuando empezó a tener el CFD un mayor protagonismo junto al empleo de túneles de viento que se siguen utilizando aún hoy en día.
La ventaja que tiene utilizar un software CFD es que, junto con el CAD, contribuye a acortar los tiempos de desarrollo de un vehículo antes de tener un prototipo más o menos definitivo; lo cual no quita que dicho prototipo se siga sometiendo paralelamente a pruebas en túneles de viento para comparar resultados.
Desde los años 80 han ido apareciendo distintas opciones comerciales en cuanto a CFD (Ansys fluent), a continuación se muestra la primitiva interfaz de los primeros 80’s de este programa:
Inicialmente este tipo de software era un tanto complicado de manejar y años más tarde, ya en los años 90-00, fueron apareciendo una serie de aplicaciones más “amigables” con el usuario. Tal es el caso de Flow Simulation de Solidworks, o el CFD de Inventor, por poner 2 ejemplos dentro de un mismo rango de categoría prestacional.
Adicionalmente Ansys Fluent también se ha ido “democratizando” a lo largo su evolución de versiones y el entorno de usuario es más sencillo hoy en día.
Todo ello ha ido contribuyendo que, otros sectores diferentes a automoción o aeronáutica hayan ido apostando por el CFD en distintas aplicaciones que podrían ser:
- comportamiento a nivel de mecánica de fluidos en tuberías, valvulería, instalaciones de agua o gas.
- Comportamiento a nivel de mecánica de fluidos en tanques de almacenamiento, intercambiadores de calor.
- Industria del deporte. Por ejemplo en la industria del ciclismo también es habitual desde hace un tiempo el considerar aspectos aerodinámicos en el diseño (inicialmente a nivel de productos para competición profesional y ahora también en productos más “comerciales”).
- Industria naval. Comportamiento de fluido que interacciona con el casco de un barco.
- Renovables tanto en aerogeneradores como en fotovoltaica.
- Bombas hidráulicas.
Un caso particular. Estimar el Cx de un automóvil mediante SW Flow Simulation.
En el caso de Flow Simulation podríamos hacer una estimación del Cx de un vehículo. En nuestra formación relacionada con Flow Simulation dedicamos algún ejercicio para el cálculo de Cx de un modelo.
Aunque no es objeto de este artículo el entrar en mucha profundidad sí que podríamos simplificar el proceso de la siguiente forma:
- Definir volumen fluido a estudiar. Debemos ser cuidadosos en este aspecto ya que debe no debe ser demasiado pequeño (perderíamos información relevante), ni demasiado grande (tendría lugar un coste computacional en cuanto a tiempo innecesario.
- Indicar tipo de estudio (si es fluido externo o interno) y condiciones de contorno.
- Creación de goals u objetivos de forma que ayudemos al programa a finalizar el cálculo cuando alguno o varios goals ya converge a un valor concreto tras varias iteracciones. Estos goals pueden ser los que vienen por defecto en el programa (la gran mayoría en términos de presión y velocidad, además de otros número adimensionales característicos dentro de la mecánica de fluidos como Re, Prandtl, etc..); o bien sí queremos indicar como goal el Cx, en nuestro caso no existe por defecto, luego tendríamos que realizar un goal “personalizado” que integre en el Cx el resto de goals que si tenemos por defecto.
- Cálculo.
- Interpretación de los resultados.
Distribución de presiones en un plano de corte longitudinal del vehículo:
En este caso obtenemos un Cx aproximado de 0.32 que puede ser un valor bastante aproximado a la realidad:
Una conclusión final.
En el caso de flujo interno, la dinámica en cuanto a preparación de un caso sería exactamente igual que en el caso de flujo externo (caso anterior), aunque lógicamente con la particularidad del diseño que tengamos en juego, condiciones de contorno etc..
A modo de resumen podríamos decir que el CFD es una herramienta digital potente que nos permite predecir con bastante exactitud el comportamiento de un fluido interaccionando en un diseño y que sobre todo, en las primeras etapas de diseño nos va a permitir hacer una estimación, y el tiempo de desarrollo del vehículo se va ver acortado con todos los beneficios que ello conlleva; aunque no debemos de olvidar que sigue siendo necesario el complementar este tipo de estudios con otras “pruebas de campo” tales como túneles de viento, equipos de laboratorio para simular condiciones más reales de funcionamiento etc, y así poder contrastar.
Y por otra parte, aunque inicialmente el CFD (Computational Fluid Dynamics) tuvo una aplicación en los campos de aeronáutico y automotriz, posteriormente otros sectores de la industrial han ido incorporándolo.
Si estuvieras interesado en ahondar con mayor profundidad en este aspecto no dudes en ponerte en contacto con CADEMS y trataremos de asesorarte sobre los programas de formación disponibles que podemos ofrecerte.
