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Diez automóviles que supusieron un paso adelante en eficiencia aerodinámica
 
La evolución del automóvil a lo largo de su historia ha estado marcado por la aparición de diseños que supusieron un paso adelante en eficiencia aerodinámica. Los ingenieros de diseño y aerodinámica han estado buscando la máxima eficacia en el avance del vehículo a través del aire, muchos han sido los prototipos experimentales realizados para ensayar diferentes diseños de mejora aerodinámica y finalmente algunos de ellos han dado paso a modelos de producción en serie para la venta al público. En este breve reportaje hemos querido recoger a diez modelos que han supuesto un hito importante de mejora aerodinámica respeto a sus cohetaneos en el momento de su salida al mercado, no están todos ya que sería un trabajo interminable, pero se ha hecho una selección entre los más representativos de la historia reciente, los cuales se muestran ordenados por coeficiente aerodinámico (Cx).

El Mercedes-Benz 190 (W201) contaba con buena aerodinamica en una carrocería diseñada por Bruno Sacco


La resistencia aerodinámica de un vehículo viene determinado casi totalmente por el SCx, que consiste en la multiplicación de dos factores, el factor de forma Cx y la superficie frontal S (m²). Siendo por tanto el coeficiente Cx la expresión de la resistencia que ofrece un cuerpo a moverse dentro de un fluido por razón de su forma. Al multiplicar el coeficiente de penetración Cx (tomado como número adimensional), por la superficie frontal expresada en m², queda un valor de resistencia aerodinámica SCx, expresado en también m². Este valor es el que determina la resistencia aerodinámica de un vehículo en movimiento.


El BMW 850i contaba con una preciosa carrocería con perfil en cuña y faros escamoteables en el frontal.


1- Volkswagen XL1 (0,19 Cx), 2014
El XL1 es un vehículo con una aerodinámica avanzadísima, de hecho ha sido diseñado con el objetivo de ser el vehículo producido en serie con el record en coeficiente aerodinámico y consumo de combustible, aunque para ello tenga que sacrificar otros aspectos como son la funcionalidad. Se trata de un vehículo híbrido de dos plazas, con un consumo homologado de 0.9 l/100 km. Posee una autonomía eléctrica de 50 km y una autonomía total de 499 km. Tiene un motor diésel TDI de dos cilindros de 830 cc, un motor eléctrico de 20 kW y una batería de iones de litio de 5.5 kWh. La velocidad máxima limitada eletrónicamente es de 160 km/h. De 0 a 100 km/h tarda 12,7 segundos. Largo: 3.888 mm / ancho: 1.665 mm / alto: 1.153 mm. Peso: 795 kg.
Volkswagen XL1 siendo probado en el tunel aerodinámico

Aerodinámica: Es un coche muy bajo. Dispone de lamas controladas eléctricamente en el sistema de admisión de aire, en los deflectores delante y detrás de las ruedas. La carrocería se estrecha hacia la parte trasera. Los asientos no se encuentran alienados para reducir la anchura del coche. Así se consigue un área frontal menor: 1,50 m2. Las ruedas traseras están completamente cubiertas para producir un flujo de aire uniforme y menos turbulencias. Los retrovisores exteriores están reemplazados por pequeñas cámaras en las puertas que transmiten lo que ocurre a unas pantallas interiores. El flujo de aire es más suave y no presenta las turbulencias producidas por los retrovisores convencionales.
Volkswagen XL1 mostrando la suavidad de sus linea aerodinámica.

2- Mercedes Benz CLA (0,22 Cx), 2013.
El Mercedes CLA es en la actualidad uno de los coches más aerodinámicos del mundo. La joya de la corona es el Mercedes CLA 180 BlueEFFICIENCY Edition con un Cx de 0,22 y con un valor de resistencia SCx de sólo 0,49 m². Los motores del CLA van de 122 hp a 360hp, existiendo versiones diesel y gasolina. En el exterior destacan sus proporciones deportivas y su diseño dinámico y contundente. El CLA mide 4.630 mm de longitud, 1.777 mm de anchura y 1.437 mm de altura.
Mercedes Benz CLA muestra una erodinámica de record, solo CX: 0.22

Aerodinámica: La silueta destaca por contar con un techo de línea tendida descendente hacia atrás y el contorno redondeado de la luneta trasera que otorgan al CLA un típico carácter de coupé. Su carrocería destaca por tener gran cantidad de superficies cóncavas y convexas como ocurría con el Concept Style Coupé. El radiador solo se abre cuando el motor necesita enfriarse. El flujo de aire debajo del vehículo ha sido optimizado con un laborioso artesonado de paneles debajo de la carrocería más un revestimiento adicional en la zona media del eje trasero con un silenciador aerodinámicamente optimizado seguido por un difusor. Por otra parte, con ruedas especiales y alerones dentados en las ruedas se has conseguido reducir apreciablemente el flujo de aire alrededor de los neumáticos.
Mercedes Benz CLA mostrando los detalles aerodinámicos

3- Audi A2 (0,24 Cx), 2001.
El Audi A2 es el resultado cuando un equipo de ingenieros deciden crear un nuevo vehículo basándose en parámetros metemáticos y sin la intervención de los estilistas y diseñadores, es decir dejando de lado el aspecto estético del nuevo diseño. El A2 se comercializó entre los años 1999 y 2005, es decir durante 6 años, y supso un fracaso comercial. Es un cuatro plazas con motor delantero y tracción delantera. En menos de 4 metros Audi había logrado condensar cuatro plazas (opcional 5), un maletero de 390 litros. El modelo con motor de gasolina, 1.6 litros de cuatro válvulas por cilindro, con inyección directa de combustible, desarrollaba 110 CV que le permitían una velocidad de 202km/h. Las dimensiones exteriores son; largo: 3.825 mm / ancho: 1.675 mm / alto: 1.555 mm, peso 1.070kg. Su carrocería y chasis están construidos en aluminio, lo que lo hace mucho más liviano de lo habitual.
Audi A2 mostrando su perfil Kammback

Aerodinámica: Su diseño aerodinámico se estudió siguiendo los principios de las tesis de Kamm (el denominado diseño Kammback), en el que la carrocería se prolonga en forma de lágrima hasta la zaga con una ligera caída del techo que termina en una ruptura hacia una importante caída vertical. Es el diseño que hoy en día emplean algunos híbridos como por ejemplo el Toyota Prius.
El Audi A2 fue un vehículo adelantado a su tiempo.

4- Tesla Model S (0,24 Cx), 2012.
El Tesla Model S Tesla model S es el vehículo eléctrico más avanzado del mundo. Se trata de un sedán eléctrico de gama alta actualmente en producción desde el año 2012. El modelo base (60 kWh) tiene una autonomía de 370 km y una aceleración de 0 a 100 km/h de 6.2 segundos. Potencia 302 hp (225 Kw). Par motor: 430 Nm de 0-5000 rpm, velocidad máxima: 190 km/h. Las dimensiones exteriores son; largo: 4.976 mm / ancho: 1.963 mm / alto: 1.435 mm, peso 2.108 kg.
Tesla Model S mostrando su puereza de lineas en vista lateral

Aerodinámica:
Las formas de la carrocería son muy similares a las del Jaguar XF, pero mientras este tiene un Cx de 0,29, el Tesla S lo rebaja hasta 0,24. La aerodinámica ha sido estudiada hasta los últimos detalles, por ejemplo los tiradores de las puertas están “incrustados” para evitar perturbar el flujo del aire. También al carecer de un motor convencional de combustión interna no necesita tomas de aire en el frontal para refrigerar el radiador, lo cual mejora su penetración en el aire. Los bajos, como es de esperar, están completamente carenados para optimizar el flujo de aire.
El Tesla Moel S es el vehiculo eléctrico más avanzado del mundo.

5- Mercedes Clase C (0,24 Cx), 2014.
El nuevo Mercedes Clase C, código interno W205, apareció en el año 2014 y supuso un paso adelante en aerodinámica respecto a la versión anterior. Las formas de la carrocería recuerdan a la de su hermano mayor el Mercedes Clase S (W222), con un capó largo, un habitáculo en posición atrasada y los voladizos cortos que recuerdan a las proporciones clásicas de las grandes berlinas de Mercedes. El W205 ha sido el primero en incorporar la nueva plataforma MRA (Modular Rear-wheel drive Architecture).
El Mercedes Clase C cuenta con una preciosa linea la cual no está reñida con un buen CX de solo 0.24.

La carrocería del Clase C de 2014 mide 4,69 metros de longitud, 1,81 m de anchura y 1,44 m de altura. La distancia entre ejes es 2,84 metros. El volumen del maletero es 480 litros. El peso total el vehículo disminuye en unos 100 kilogramos gracias a la técnica de construcción ligera la carrocería de aluminio. El consumo también disminuye hasta un 20%, conservando su nivel de prestaciones. Al mismo tiempo disminuye la altura del centro de gravedad, lo que le confiere propiedades de conducción sensiblemente más ágiles y deportivas. La gama de motores es muy amplia, van desde los 156cv a los 510 cv. Por ejemplo la versión C 180 con motor de gasolina y 156 cv alcanza una velocidad de 225 km/h fruto de su bien estudiada aerodinámica.
La berlina Mercedes Clase C cuenta con un buen CX de solo 0.24.


Aerodinámica: Los Mercedes destacan tradicionalmente por ser vehículos muy estudiados aerodinámicamente, aunque sus proporciones sean similares a otros vehículos convencionales, sus cifras de penetración aerodinámica suelen ser muy buenas. En este vehículo destacan las líneas fluidas, con ángulos y perfiles redondeados para facilitar el flujo laminar del aire. Diversos detalles contribuyen a optimizar el rendimiento aerodinámico, destacan el frontal con un cuidado diseño aerodinámico, además el radiador solo se abre cuando el motor necesita enfriarse, posteriormente un morro relativamente largo y a continuación un parabrisas muy inclinado, con los limpiaparabrisas perfectamente escondidos bajo la tapa del motor. Los espejos retrovisores también cuentan ahora con un diseño más afilado. El techo empieza a descender pronto y continua con una luneta trasera bastante tendida, finalmente está la tapa del maletero muy corta e incorpora al final del mismo una ligera elevación que conforma un pequeño alerón trasero.
Vista por la aleta trasera del la berlina Mercedes Clase C serie W205


6- Opel Calibra (0,26 Cx), 1989.
El Opel Calibra es un coupé de dos puertas basado en la plataforma del Opel Vectra (1ª generacion) y producido entre los años 1989 y 1997. El Calibra es un 2+2 plazas con motor delantero transversal, disponible con tracción delantera o a las cuatro ruedas. Su carrocería coupé tiene un coeficiente aerodinámico de solo 0,26 para el modelo 2.0 de 115cv. Velocidad máxima de 215km/h. Las dimensiones son; largo: 4.490 mm / ancho: 1.690 mm / alto: 1.320 mm.
El Opel Calibra con su hermosa carrocería firmada por Erhard Schnell

Aerodinámica:
Su hermosa carrocería era obra de Erhard Schnell. Su cuidado y bello perfil, en el que destacaban sus originales faros elipsoidales de muy poca altura que le permitían tener un frontal muy afilado, todas las zonas del coches etaban optimizadas aerodinámicamente, con sus bordes suavizados, gracias a su buen diseño consiguió un CX de solo 0.26, que era entonces el más bajo del mundo para un automóvil de serie de cuatro plazas.
El Opel Calibra contaba con una carrocería con CX de record, solo 0.26 en 1989

7-Toyota Prius (0,26 Cx), 2004
El Toyota Prius es un automóvil híbrido gasolina-eléctrico del segmento C. La potencia máxima es de 82kW, el motor de gasolina de 1.5l desarrolla solo 57kW, la velocidad max es 170km/h. Las dimensiones exteriores son; largo: 4.450 mm / ancho: 1.725 mm / alto: 1.490 mm, peso 1.326 kg.
El Toyota Prius de 2004, con su carrocería siguiendo las tesis del Dr Kamm.

Aerodinámica:
Lo que más llama la atención es su estilo orientado a alcanzar un mejor rendimiento aerodinámico, prueba de ello es su bajísimo coeficiente de penetración de solo 0,26. Sigue los principios de las tesis de Kamm (el denominado diseño Kammback). El primer cuerpo es corto y se une a un parabrisas muy inclinado cuya línea se integra a un techo perfilado como un cupé.

8-Alpine GTA (0,28 Cx), 1984
El AlpineGTA es un coupé 2+2 producido desde 1984 a 1991, siendo posteriormente sustituido por el Alpine A610. Contaba con una penetrante línea aerodinámica con  coeficiente aerodinámico (CX)  de solo 0,28, una de las más bajas en su momento. El motor iba situado detrás, era el conocido PRV, un motor V6 de 2.5l turboalimentado procedente del Renault 25. Contaba además con inyección electrónica y un turbo que trabajaba a 0.65 bares de presión. Todo ello hacía que el motor desarrollara una potencia de 200 CV a 5.750 rpm y un par de 285 Nm a 2.500 rpm. Con este motor el Alpine GTA aceleraba de 0-100 km/h en 7 segundos y su velocidad máxima era de 250km/h.
El Alpine GTA aunaba deportividad y agresividad en una preciosa linea aerodinámica, con CX: 0.28

Aerodinámica: En líneas generales destaca su forma de cuña de la carrocería, con su baja altura configuraba una línea penetrante y muy afilada, en el frontal destacaban los faros carenados bajo un plástico transparente, solución heredada del anterior A310.
El Alpine GTA contaba con un morro muy penetrante con los faros carenados bajo un plástico transparente.


9-Citroën XM (0,28 Cx), 1989
El Citroën XM es un automóvil de turismo del segmento E producido por el fabricante francés Citroën entre 1989 y 2000. Citroën vendió 330.000 unidades de este modelo durante los 10 años en que fue producido. El XM fue elegido en 1990 como el Coche del Año en Europa. El anguloso pero esbelto y bien proporcionado diseño de Bertone, es el desarrollo del diseño de Marcello Gandini para el BX. Su aspecto se inspiró en gran medida en el Citroën SM de los años 1970, el cual tenía una estética similar, aunque más rica en líneas rectas. Las dimensiones exteriores son; largo: 4.709 mm / ancho: 1.794 mm / alto: 1.392 mm / batalla: 2.850mm.
El Citroen XM contaba con una linea en cuña muy definida, y buena aerodinámica, CX: 0.28

Aerodinámica: Contaba con una línea en cuña muy marcada, con un morro largo e inclinado que terminaba en un frontal muy afilado, para ello incorporaba unos faros mucho más bajos de lo normal, diseñados especialmente por Valeo para este modelo, y que permitían el diseño muy afilado de su morro. Esta característica además de las típicas soluciones de mejora aerodinámica le daban una ventaja importante en el coeficiente de penetracción, lo cual permitía al XM un coeficiente CX de solo 0.28 mientras que sus rivales como el BMW 520 tenía 0.30 y el Lancia 0.32.
El Citroen XM contaba con un frontal muy afilado gracias a los faros Valeo de altura reducida.


10-Renault 25 TS (0,28 Cx), 1984
El Renault 25 supuso un importante impulso del fabricante francés dentro del segmento E, apareció en el año 1984 y se mantuvo en producción hasta 1992. El Renault 25 fue un gran paso adelante en casi todos los aspectos del Renault 20/30, modelo al cual reemplazó. Su formato de cinco puertas fue firmado por los diseñadores Gaston Juchet y Robert Porrón (de Citroen y famosos por el SM), configuraban un estilo nada convencional con la ventana trasera envolvente que era su característica más famosa) tenía por objeto dar al coche un look moderno y fuera de lo convencional.
Renault 25 después de sufrir el profundo rediseño que permitió ampliar su vida comercial.
El 25 fue uno de los primeros coches diseñados bajo el principio de eficacia aerodinámica, concretamente el modelo TS mantuvo brevemente el título de "coche más aerodinámico del mundo de producción en serie" con un coeficiente de 0.28.
 
El Renault 25 mostrando su diseño original cuando salió al mercado en el año 1984.
Todos los modelos Renault 25 fueron de tracción delantera, con motores de cuatro cilindros (2 litros carburado, de inyección de 2,2 litros o 2,1 litros diésel) y de seis cilindros (2,9 litros y 2,4 litros de inyección turbo) montados longitudinalmente por delante del eje delantero. Las prestaciones del 2.2 GTX con 123 CV eran de 205 Km/h.  Las dimensiones exteriores son; largo: 4.623 mm / ancho: 1772 mm/ alto: 1405 mm / batalla: 2723 mm.
El Renault 25 V6 Turbo era una máquina muy seria, al igual que el mítico reactor Concorde que se ve detrás.
Aerodinámica: Aunque a simple vista cualquier profano en la materia no consideraría al R25 un vehículo especialmente aerodinámico, los resultados de las mediciones daban unas cifras espectaculares, esto no sería posible sin un profundo estudio en el túnel del viento. Para llegar a esta cifra de 0.28, que todavía hoy en día sería una cifra muy buena, se recurrieron a todos los trucos habituales, como son los cristales enrasados con la carrocería, eliminación de los vierteaguas, faldón delantero y discreto alerón posterior, carenado inferior de los bajos y protecciones ante las ruedas posteriores. Resulta sorprendente que no se recurriera a esconder los limpiaparabrisas bajo el resalte posterior del capot del motor, solución que en este vehículo se desestimó y que podría ayudarle todavía más en la mejora de su eficiencia aerodinámica. El resultado tan bueno obtenido por este vehículo debe tener su origen, principalmente, en la inversión en horas de trabajo en el tunel del viento, permitiendo detectar y posteriormente solucionar las zonas críticas, hasta conseguir una carrocería que se aproxima a la perfección en terminos de eficacia aerodinámica.
El Renault 25 TS marcó un record en aerodinámica con un CX de 0.28 en 1984


Estudio de la Aerodinámica:
Los diseñadores de vehículos emplean los ensayos en el túnel de viento y el análisis CFD (Mecánica de fluidos computacional) para conocer el comportamiento aerodinámico de un nuevo vehículo.

Túnel de viento y CFD no son más que dos herramientas que se utilizan de forma simultánea para avanzar más rápidamente y obtener mejores resultados en el desarrollo aerodinámico. En el siguiente link pueden conocer más sobre estas técnicas: ESTUDIO DE LA AERODINÁMICA DE UN VEHÍCULO



FORMACIÓN: 
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Fuentes: Wikipedia, Revistas especializadas (Motor 16, Autopista, Automovil), Información del fabricante (Mercedes Benz, Opel, Citroen, Audi, Renault y Tesla).
 
Publicado el 2016-11-27 11:49:38 por Carlos Rodríguez | Abrir
 
Análisis CFD de un motor de 2T
 

Desde sus comienzos, el motor de dos tiempos ha sido ampliamente utilizado en aplicaciones de pequeña y mediana potencias debido a su sencillez, ligereza, tamaño compacto, elevada potencia específica y robustez. Los principales inconvenientes frente al motor de cuatro tiempos son el elevado consumo de combustible y la producción de contaminación. Sin embargo, recientemente mejoras como la incorporación de la inyección directa y la unidad de control por computadora han propiciado el resurgimiento de este tipo de motores.


Es bien conocido que para el buen funcionamiento de un motor, tanto de cuatro como de dos tiempos, el proceso de renovación de la carga de gases frescos es fundamental (Arias-Paz, 2000; Blair, 1996). Un inconveniente general que presentan los motores de dos tiempos se debe a la utilización de un diagrama de distribución simétrico, ya que la renovación de la carga dentro del cilindro es gobernada por el propio pistón al subir y bajar, abriendo y cerrando las lumbreras de transferencia y de escape. Para que no se produzcan retrocesos al cárter, la presión dentro de la cámara debe ser inferior a la de las lumbreras de transferencia.

Para conseguir esto las lumbreras de escape deben ser abiertas antes que las de transferencia, lo cual tiene como consecuencia negativa la pérdida de cierta cantidad de gases frescos por el escape. Otro inconveniente es el cortocircuito, que tiene lugar cuando los gases frescos pasan directamente al escape dejando volúmenes de gases quemados sin ser barridos dentro del cilindro. El arrastre de gases frescos y el cortocircuito constituyen las principales desventajas de los motores de dos tiempos puesto que influyen muy negativamente en el rendimiento, consumo y generación de gases contaminantes.

La principal dificultad que aparece a la hora de diseñar un sistema de barrido eficaz es que son muchas las variables implicadas en el proceso: geometría, diseño de las lumbreras, tiempos de admisión y escape, relación de compresión, dosado, etc., siendo necesario un estudio detallado de cada uno de estos parámetros. Aunque actualmente se dispone de técnicas experimentales muy avanzadas para proporcionar información del flujo en el interior del cilindro, la dinámica de fluidos computacional (CFD) ofrece un método alternativo que permite reducir el coste de dinero y tiempo que supone un montaje experimental. El término CFD proviene de las siglas del inglés “Computational Fluid Dynamics”, lo cual se traduce al castellano como “Mecánica de Fluidos Computacional”. Es una rama de mecánica de fluidos que utiliza procedimientos iterativos para conocer en detalle las características de los flujos. En los últimos años, el avance del CFD y de la computación ha dado lugar a la generalización de uso en la industria.

El motor estudiado en el presente trabajo es monocilíndrico, con tres lumbreras de transferencia de forma rectangular y una lumbrera de escape de forma elíptica. Las características más importantes se enumeran a continuación:


-       Tipo de Motor: Dos tiempos, Otto

-       Cilindrada: 127,3 cm³

-       Relación de compresión: 9,86:1

-       Diámetro x Carrera: 53,8 x 56 mm

-       Longitud de biela: 110 mm

-       Sistema de barrido: Barrido tipo Schnuerle o a lazo, multitransfers

-       Sistema de combustible: Inyección directa

-       Sistema de lubricación: Aceite mezclado con el aire de admisión

-       Instante de ignición: -20º antes de P.M.S.

-       Escape, apertura/cierre Duración: 158º; A: 101º; C: 259º después de P.M.S.

-       Transferencia, apertura/cierre Duración: 127º; A:116,5º; C: 243,5º después de P.M.S.

-       Potencia: 7,5 kW

-       Revoluciones: 6.000 rpm

En este trabajo se ha estudiado solamente el proceso de barrido sin considerar la combustión, para lo cual el instante inicial ha tenido que elegirse tal que la combustión se encuentre completada. Concretamente se ha simulado desde 90º de ángulo de cigüeñal hasta 270º, realizándose un total de 180º de recorrido, correspondiendo a 0,005 segundos, debido a que el motor gira a 6.000 rpm.

 

Fases del análisis:

Todo proceso de análisis CFD se compone de 3 etapas:

-       Preproceso o generación de la malla computacional.

-       Cálculo mediante la solución de las ecuaciones gobernantes.

-       Postproceso o visualización de los resultados.

 

Malla 3D:

Malla 3D estructurada a partir de elementos hexagonales.

 

 

Cálculo CFD:

Las ecuaciones gobernantes son las clásicas de mecánica de fluidos de conservación de la masa, cantidad de movimiento y energía. El proceso se ha modelado como mezcla de dos especies, aire y gases quemados, ambas con comportamiento de gases ideales. Se podrían modelar todos los componentes que intervienen realmente, pero al no estar tratando la combustión, la influencia en los resultados sería prácticamente irrelevante.

En cuanto a turbulencia, se ha empleado el modelo k-ε estandar debido a que tiene la ventaja de ser robusto, computacionalmente económico y lo suficientemente preciso para un amplio rango de casos. El tratamiento en las regiones cercanas a las paredes ha sido mediante las funciones estándar de pared.

 

Visualización de Resultados:

La siguiente secuencia de imágenes muestra el campo de velocidades durante el proceso de barrido para valores del ángulo de cigüeñal de 92,5º, 190º, 215º y 270º. Se muestra claramente como en las lumbreras de entrada (tranferencia) circulan gases frescos hacia el interior del cilindro y en la lumbrera de escape salen gases quemados. Además, en el interior del cilindro se observa como los gases frescos desplazan a los quemados dentro de la cámara de combustión. Las zonas de color rojo muestran velocidades más elevadas y en azul las velocidades más bajas, la escala no es la misma se va adaptando al rango de valores para cada paso de tiempo.




VIDEO DE LA SIMULACIÓN (campo de velocidades)





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Publicado el 2016-05-02 13:56:44 por C.Rodriguez | Abrir
 
ESTUDIO DE LA AERODINÁMICA DE UN VEHÍCULO
 

El diseño de la carrocería de un vehículo tiene una importancia decisiva en la calidad de su aerodinámica, cuestiones tales como las prestaciones, la estabilidad, la adherencia al suelo y el consumo de combustible dependen directamente de las formas de la carrocería y de su aerodinámica.


La aerodinámica es la parte de la mecánica de fluidos que se encarga de estudiar los fenómenos que se originan cuando existe movimiento relativo entre un sólido y el fluido gaseoso que lo rodea, determinando las presiones y fuerzas que se van a generar.

Cuando un vehículo se desplaza tiene que apartar un volumen importante de aire para poder avanzar y también facilitar que se rellene el vacío que generan tras de sí. A velocidades bajas, esta fuerza es relativamente pequeña pero a velocidades altas se convierte en la principal resistencia que debe vencer la potencia del motor para conseguir ganar más velocidad.


La magnitud de las fuerzas aerodinámicas que se generan cuando un vehículo se desplaza por la carretera, va a depender de las características del aire (viscosidad y densidad) y del sólido. El sólido, en este caso un automóvil, ha de considerarse su forma, su rugosidad superficial, el área de contacto con el aire y, sobre todo, la velocidad relativa entre éste y el aire.

Todo esto se traduce en que, sobre cada punto de la superficie del automóvil, estén presentes un par de fuerzas, una fuerza de presión, normal a la superficie del cuerpo, debido a la velocidad relativa entre ambos, y una fuerza de rozamiento, tangente a la superficie del cuerpo, debida a la viscosidad del aire.


Si sumamos todas las fuerzas de presión que actúan sobre los diferentes elementos de superficie obtenemos, como resultante, una fuerza neta total, que estará aplicada en un punto imaginario, denominado centro de presiones. Si establecemos la dirección de movimiento del fluido (o automóvil) y descomponemos esa fuerza neta en dos componentes, en la dirección de dicho movimiento y en su perpendicular, tenemos que la primera de esas componentes, llamada fuerza de arrastre (arrastre inducido) se opone al avance del vehículo y la segunda, llamada fuerza de adherencia o sustentación, hace que el vehículo se adhiera o tenga tendencia a separarse del suelo.

Si sumamos todas las fuerzas de rozamiento que actúan en los diferentes elementos de superficie obtenemos una resultante total, aplicada en dicho centro de presiones. Si la descomponemos en las dos direcciones anteriores, obtenemos en la dirección de movimiento del fluido una fuerza de arrastre que se opone al desplazamiento del vehículo.

Dada la complejidad de los efectos del aire sobre el vehículo y con la finalidad de facilitar su estudio, se hace depender dichas relaciones de una única variable, los llamados coeficientes. Estos coeficientes permitirán predecir los efectos aerodinámicos sobre un cuerpo determinado (prototipo) a partir de las mediciones obtenidas sobre el modelo conocido.

Los coeficientes más utilizados en el caso de la aerodínámica de un vehículo, son el coeficiente de arrastre (Cx) y el coeficiente de sustentación (Cz), que se determinan por una simple división entre las fuerzas correspondientes, fuerza de arrastre (Fx) o fuerza de sustentación (Fz), y el producto de la presión dinámica por una superficie de referencia. Valores todos ellos conocidos en ese entorno controlado.

Se llama coeficiente de penetración Cx porque la x indica una dirección en un eje de tres coordenadas; al coeficiente vertical o de elevación se le denomina Cz por la misma causa. Otra forma de referirse al coeficiente de penetración es Cd, donde la d es la inicial de la palabra inglesa «drag»; según esta nomenclatura, el coeficiente de elevación es Cl, por lift.

El coeficiente aerodinámico Cx es la expresión de la resistencia que ofrece un cuerpo a moverse dentro de un fluido por razón de su forma. Se toma como un coeficiente adimensional, a partir de la resistencia que hace una plancha cuadrada de metal, de 1 m de lado. Al coeficiente de la plancha se le atribuye el valor 1, y a otros cuerpos se les atribuye un valor como referencia a ese.

Hasta cierto punto, el Cx es independiente del tamaño del cuerpo y de la velocidad del fluido. A partir de cierto punto, puede haber variaciones en el Cx por cualquiera de las dos causas. Por esta razón, cuando se trabaja con modelos a escala para estudiar la aerodinámica de una forma, esta escala no suele ser menor de 1 a 5.


El Cx en la mayoría de los coches de producción está entre 0,25 y 0,40; algunos coches experimentales o prototipos bajan de 0,20. El Cx es uno de los datos necesarios para calcular la resistencia aerodinámica Rx. El otro dato es un área de referencia que, en coches de producción, es equivalente a la superficie frontal. La razón por la que se escoge la superficie frontal es que se supone que por detrás del plano de mayor área es donde se produce la separación del flujo aerodinámico de la carrocería; esta separación del flujo es la principal causa de resistencia aerodinámica en coche de producción.

Al multiplicar el coeficiente de penetración Cx, tomado como número adimensional, por la superficie frontal expresada en m², queda un valor de resistencia aerodinámica SCx, expresado en también m².

Por tanto la resistencia aerodinámica Rx depende fundamentalmente de cuatro factores: la densidad del aire, la velocidad al cuadrado, la superficie frontal y el coeficiente de resistencia aerodinámica del vehículo, todo ello multiplicándose y por tanto influyendo en la misma medida. Si dividimos el resultado de esa multiplicación entre dos, tenemos la fórmula completa, pero lo que importa aquí es lo que son y cómo actúan cada uno de esos factores.


Rx = ½ d x v2 x A x Cx

Rx= Resistencia aerodinámica (N))
d = Densidad del aire (kg/m3)
v2 = velocidad al cuadrado (m2/s2)
A = Superficie frontal (m2)
Cx = Coeficiente de resistencia aerodinámica

 

¿Cómo evaluar la calidad aerodinámica de un vehículo?

Para evaluar la aerodinámica de un vehículo se realiza generalmente en los túneles de viento, costosas y avanzadas instalaciones que permiten determina de forma experimental el valor de los coeficientes se en un entorno controlado (Cx, Cz, Fx, SCx etc), en los que se puede conocer la velocidad, la densidad del aire, el área de referencia o factor de forma, y el arrastre y la sustentación producida sobre el vehículo.


Para realizar los ensayos en el túnel de viento es necesario contruir un prototipo del vehículo, lo cual es laborioso y muy costoso, sobre todo si se detectan defectos, los cuales es necesario corregir y da lugar a tener que modificar el prototipo. Por ello durante la fase de desarrollo se suelen utilizar mucho los cálculos numéricos con software CFD (Computational Fluid Dynamics), lo cual permite realizar cálculos y estudios muy rápidamente con costes muy bajos comparados con el túnel de viento.


El túnel de viento y el CFD no son más que dos herramientas que se utilizan de forma simultánea para avanzar más rápidamente y obtener mejores resultados en el desarrollo aerodinámico.

Entre los programas que utilizan códigos CFD disponibles en la actualidad y adecuados para realizar análisis aerodinámicos de vehículos, entre otros están los siguientes; CD-Adapco,  Star CCM+, Ansys FLUENT Flow Science y OpenFOAM.


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Publicado el 2014-08-04 16:54:37 por Carlos Rodríguez | Abrir
 
Análisis CFD del motor diesel de pistones opuestos Fairbanks Morse 38D8-1/8.
 
Los  motores de émbolos opuestos se comenzaron a desarrollar desde principios del siglo XX con el fin de mejorar el rendimiento de los motores de dos tiempos. Han destacado fabricantes como Oechelhaeuser, Junkers, Beardmore, etc. Respecto al ámbito naval, motores de las marcas Fairbanks-Morse, Napier Deltic, Doxford, etc han estado presentes en cientos de barcos a lo largo de la historia.


Fig.1. Sección del motor de émbolos opuestos Fairbanks-Morse 38D8-1/8 [1]

Sus principales ventajas son el empleo de barrido uniflujo y diagrama de distribución asimétrico, lo cual mejora considerablemente la eficacia del barrido y el rendimiento debido a la optimización de los tiempos de apertura y cierre de las lumbreras. Estas características de los motores de émbolos opuestos hacen que alcancen una eficiencia en consumos de combustible equiparable a la obtenida por los mejores motores diesel de cuatro tiempos, pero con la ventaja de menor complejidad mecánica y menor peso .


Fig.2. Motor de seis cilindros Fairbanks-Morse 38D8-1/8 [1].



Fig.3. Sección del motor Fairbanks-Morse 38D8-1/8 [1].

Los motores de émbolos opuestos se caracterizan por tener dos pistones y una cámara de combustión en cada cilindro, tal y como se indica en la Fig. 3. Los pistones se colocan en posiciones opuestas, es decir, cabeza con cabeza, y el espacio de combustión es el que queda entre ambos. Cuando tiene lugar la combustión, los gases actúan en ambos pistones separándolos, de ahí el nombre de “émbolos opuestos”.


Fig.4. Cilindros de motor de émbolos opuestos. Fairbanks-Morse 38D8-1/8 [1]

Los cilindros de estos motores no tienen válvulas, sino lumbreras localizadas en los extremos de los cilindros (lumbreras de escape en la parte inferior del cilindro y lumbreras de admisión en la parte superior). Estas lumbreras son abiertas y cerradas mediante el movimiento de los pistones.


Fig.5. Sala de máquinas de un submarino de la clase Balao, equipada con 2 motores FM 38D8-1/8.

El motor que hemos estudiado es el Fairbanks-Morse 38D8-1/8 es uno de los motores de émbolos opuestos con más éxito de la historia. Fue desarrollado a mediados de los años 30 del siglo XX, entrando en producción regular en 1937. Se empleó en prácticamente todas las clases de submarinos norteamericanos durante la II Guerra Mundial, tales como los de la clase Tambor (1939-1941), Gato (1940-1944), Balao (1942-1946), Tech (1944-1951) y el más reciente de la clase Tang (1949-1952). Posteriormente, el 38D8-1/8 también fue utilizado como generador auxiliar en todas las clases de submarinos nucleares hasta los submarinos de la clase Virginia.


Fig.6. USS Ponpano, submarino de la clase  Porpoise que originalmente incorporaba los nefastos Hooven, Owens, Rentschler, y posteriormente fueron remotorizados con los FM 38D8-1/8.


Fig.7. Submarino USS Bang de la clase Balao transformado a Guppy IIA, que posteriormente fue vendido a España tomando el nombre de Cosme Garcia (S34), fue desguazado en 1983. [6].


Fig.8. Submarino español S35 "NARCISO MONTURIOL", iba propulsado por cuatro motores Fairbanks-Morse 38D8-1/8.

Además de su aplicación inicial en buques de guerra, el 38D8-1/8 se empleó posteriormente en multitud de buques civiles tales como remolcadores, pesqueros, grandes yates y barcos de pequeño y mediano porte en general. En menor medida, otras aplicaciones fueron la propulsión ferroviaria y la producción de energía eléctrica. Su éxito se ha consolidado después de muchas décadas de fabricación y miles de unidades producidas. Increíblemente, más de 80 años después desde la aparición de los primeros prototipos, el 38D8-1/8 todavía continúa en producción en la actualidad como generador diesel dual (gas natural-gasoil).


Fig.9. Motor FM 38D8-1/8 moderno equipado con turbocompresor y quemando GNL.  [2].


El sistema de barrido uniflujo es, sin lugar a dudas, el mejor sistema para un motor de dos tiempos, permitiendo utilizar relaciones carrera/diámetro muy elevadas sin problemas para un barrido eficiente (el 3808-1/8 tiene una relación carrera/diámetro de 2,45). En este sistema, el aire de barrido entra por las lumbreras de admisión y se desplaza en línea recta sin cambios de dirección, empujando como si fuera un pistón a los gases quemados fuera del cilindro a través de las lumbreras de escape, y quedando el cilindro lleno con carga de aire fresco. A pesar de que la máxima eficacia nunca se alcanza, se pueden alcanzar valores muy cercanos al óptimo.


Fig.10. Secuencia del ciclo de un motor de embolos opuestos

La secuencia del barrido y renovación de la carga es la siguiente. Una el vez completada la inyección y realizada la combustión, los pistones se separan en su carrera de trabajo. El pistón inferior (que tiene un er adelanto de 12°) aprovecha la mayor parte de la energía de los gases y, en su desplazamiento hacia abajo, descubre las lumbreras de escape. Esto provoca una caída brusca de la presión residual dentro del cilindro. A continuación, el pistón superior descubre las lumbreras de admisión. Cada cilindro posee 10 lumbreras de escape y 16 lumbreras de admisión. Estas últimas tienen una orientación en sentido randial para forzar al flujo de aire a girar dentro del cilindro en forma de es remolino (fenómeno conocido como swirling). A pesar de la velocidad axial que posee el aire de barrido cuando entra en el cilindro, a medida que la masa de aire fresco va descendiendo en dirección al escape, se va disipando algo su velocidad y se va concentrando cada vez más hacia el centro del cilindro, pudiendo quedar pequeñas porciones de gases residuales en las inmediaciones de las paredes, haciendo que el barrido nunca sea perfecto. Sin embargo, se han hecho muchos esfuerzos para reducir en lo posible este fenómeno. En motores modernos se ha minimizado gracias a los enormes caudales de aire de barrido que producen las turbosoplantes modernas, y que en estos motores con compresor mecánicos no se podrían utilizar debido a la elevada potencia que consumiría el compresor.


Fig.11. Modelo 3D del cilindro del Fairbanks-Morse 38D8-1/8 [4].

Para comprobar el buen funcionamiento de este motor se ha simulado el proceso de barrido mediante CFD con el Software OpenFoam , uno de los mejores programas CFD del mundo para simulación numérica. Los resultados se pueden ver en el siguiente vídeo, que representa el rojo aire y en azul gases frescos. En el instante inicial de la simulación el cilindro está lleno de gases (color azul), y al abrirse las lumbreras de admisión (situadas en la parte superior del cilindro) entra aire (color rojo) en el cilindro que expulsa los gases al exterior por medio de las lumbreras de escape.




La extremada rapidez en que se efectua el ciclo hace que sea prácticamente imposible, (manteniendo una precisión razonable), realizar los cálculos por otros métodos. Un ciclo completo se realiza en menos de 0,083 segundos, lo cual da lugar a velocidades de los gases desplazados realmente elavadas.

Durante el análisis se puede cuantificar con precisión la cantidad de flujo de gases que pasa por las lumbreras de admisión y escape, diferenciando además las cantidades de cada especie, lo cual permite calcular, entre otras cosas, la eficiencia de barrido, que en esta simulación nos da un resultado de 89,2%. Este valor concuerda satisfactoriamente con el 90% calculado por Schweitzer para este mismo motor y en las mismas condiciones de funcionamiento.


FORMACIÓN:

Para análisis CFD recomendamos el software gratuito OpenFOAM, que permite reproducir y simular el funcionamiento del motor en todo lo referente al comportamiento de gases y fluidos.

Por medio del curso de Technical Courses en idioma español o en inglés, se puede introducir en el manejo de este potente Software de CFD.


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REFERENCIAS:

[1] Farirbanks-Morse & Co. Fairbanks-Morse model 38D8-1/8 diesel marine. Engine service manual, 1967.

[2] www.fairbanksmorse.com

[3] OpenFOAM (2008), Version 1.5 User Guide.


[5] Revista Ingeniería Naval

[6] USS Bang, wikipedia

[7] Grupo de Innovaciones Mariñas de la Universidad de La Coruña.

 
Publicado el 2014-05-06 10:22:27 por C. Rodriguez & I. Lamas | Abrir
 
Análisis CFD de una aleta con movimiento ondulante de inspiración biológica
 
Introducción:

Actualmente, el continuo desarrollo de la ingeniería ha dado lugar a que aparezcan nuevos tipos mecanismos y máquinas, entre los que destacan los llamados biológicos. La ingeniería biológica es un campo emergente que se basa en la imitación de los principios de los organismos vivos de la naturaleza, mucho más eficaces teniendo en cuenta que son el resultado de millones de años de progresión evolutiva.

En el campo de la propulsión naval, la ingeniería biológica se aplica al movimiento ondulatorio basado en el modo de nadar de los peces, el cual resulta mucho más eficaz que el clásico movimiento rotativo utilizado en las hélices de los barcos.

Hasta hace pocos años, el funcionamiento de los mecanismos de propulsión basados en el movimiento de los peces se entendía difícilmente porque se carecía de las herramientas adecuadas para su estudio. No obstante, un avance que ha ayudado a entender la hidrodinámica de la propulsión biológica ha sido la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). En lo referente a la propulsión ondulatoria, empezó a aplicarse para el estudio del movimiento de los peces, destacando numerosas publicaciones de autores como Borazjani, Sotiropoulos, Carling, Williams, Botwell, Kern, Koumoutsakos, Sfakiotakis, Lamas, Fauci, Liu, Wassersug, Kawachi, etc.



Análisis CFD:

En el presente trabajo se ha desarrollado un modelo  de CFD para analizar el flujo turbulento producido por un propulsor marino ondulatorio.

Para simular el movimiento fue necesario acudir al empleo de una malla dinámica. Como puede verse en la figura, los elementos fueron triangulares y se refinó el tamaño de la malla en la zona cercana a la aleta. La malla fue creada íntegramente con el programa Gambit 2.4.



El Grupo de Investigación "Innovacións Mariñas" (Universidade da Coruña - España) desarrolló y patentó el propulsor ondulatorio que se muestra en la figura.  En la parte inferior de la misma se muestra la aleta propulsora ondulatoria, de 0.52 m de longitud de onda, 0.2 m de ancho y 0.02 m de amplitud. En la Figura se muestra la dirección del flujo que sigue el agua al verse afectada por el movimiento ondulatorio de dicha aleta.



La fuente propulsora es un motor eléctrico, que se puede ver en la parte superior de la Figura, el cual transmite la potencia a la aleta mediante un mecanismo de conversión de movimiento basado en excéntricas. Se dispone también de un variador de frecuencia para ajustar la frecuencia de oscilación de la aleta.

A continuación se muestra un vídeo del análisis CFD de la aleta con movimiento ondulatorio:




Una de las ventajas que caracteriza a este sistema es que es reversible, teniendo la misma eficacia de funcionamiento marcha adelante o atrás. Esta característica lo hace ideal para vehículos marinos que requieren alta maniobrabilidad.


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Publicado el 2014-04-04 17:31:42 por Isabel Lamas & J.D. Rodríguez | Abrir
 
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