Projecte d'un difusor per un automòbil de resistència (24 hores Le Mans): avantatges i desavantatges

Treball Final de Grau PROJECTE D’UN DIFUSOR PER UN AUTOMÒBIL DE RESISTÈNCIA (24 HORES DE LE MANS) AVANTATGES I DESAVANTATGES Grau en Enginyeria d’Automoció Curs 23/24 Autor: Francesc Román Campos Director: José Juan de Felipe Blanch Data: 12/01/2024 Localitat: Manresa DIFUSOR PER UN AUTOMÒBIL DE RESISTÈNCIA Avantatges i desavantatges Treball Final de Grau RESUM DEL PROJECTE El projecte consisteix en l’anàlisi d’avantatges i desavantatges aerodinàmiques que afecten a un vehicle de competició de resistència de les 24 hores de Le Mans que no disposa d’un difusor, un element aerodinàmic que es situa a la part posterior i inferior de l’automòbil per provocar l’efecte sòl i millorar el seu rendiment, sobretot en el pas per corba. L’estudi es realitza sobre un arxiu CAD dissenyat per l’alumne usant el software Catia, mitjançant un altre software per realitzar les simulacions aerodinàmiques, Ansys. Finalment, s’obtenen els valors dels coeficients de drag (Cd) i lift (Cl) i s’estudiaran les diferències d’aquests i altres característiques aerodinàmiques que variaran en cada un dels dos models. 12/01/2024 - Ver.2 2/33 DIFUSOR PER UN AUTOMÒBIL DE RESISTÈNCIA Avantatges i desavantatges Treball Final de Grau ABSTRACT The project consists in the analysis of the aerodynamic advantages and disadvantages that affect an endurance competition vehicle which has a diffuser, an aerodynamic element which is situated at the rear and bottom part of the automobile to generate ground-effect and improve the performance, especially at the curves. To make the study, CADs of both models (one with an incorporated diffuser and the other without it) will be designed by the student using Catia. The simulation of the wind tunnel and the models will be done with Ansys software. Finally, the drag and lift coefficients will be obtained (Cd and Cl) and it will be studied the differences of these valors and other aerodynamic characteristics between the two models. 12/01/2024 - Ver.2 3/33 DIFUSOR PER UN AUTOMÒBIL DE RESISTÈNCIA Avantatges i desavantatges Treball Final de Grau ÍNDEX 1. INTRODUCCIÓ 6 1.1. OBJECTIUS 6 2. CONCEPTES DE L’AERODINÀMICA 7 2.1. FLUX 7 2.2. TEORIA D’ESPESSOR DE LA CAPA LÍMIT 8 2.2.1. NÚMERO DE REYNOLDS 8 2.3. FORÇA DE LIFT 9 2.3.1. COEFICIENT DE LIFT 9 2.4. FORÇA DE DRAG 9 2.4.1. Coeficient de drag 10 2.5. EFECTE VENTURI 10 2.5.1. FONS PLA I DIFUSOR 11 3. DISSENY DEL MODEL 3D 12 4. SIMULACIÓ DEL MODEL 15 4.1. PREPARACIÓ DE LA GEOMETRIA 15 4.2. MALLAT 17 4.3. BOUNDARY CONDITIONS 20 4.4. SETUP 20 5. RESULTATS 24 6. CONCLUSIONS 31 7. BIBLIOGRAFIA 32 12/01/2024 - Ver.2 4/33 DIFUSOR PER UN AUTOMÒBIL DE RESISTÈNCIA Avantatges i desavantatges Treball Final de Grau ÍNDEX DE FIGURES Fig. 1: Diferents tipus de fluxos. [ingenieriada.wordpress.com/]. 7 Fig. 2: Perfil NACA on es despren la capa límit, creant turbulències [wikipedia.com]. 8 Fig. 3: Esquema resum del funcionament de l’efecte Venturi. [epidor.com] 10 Fig. 4: Fons pla i difusor en un cotxe de competició. [webiltamburello.wordpress.com] 11 Fig. 5: Vista isomètrica del disseny del model 3D del cotxe. [creació pròpia] 12 Fig. 6: Part trasera del vehicle sense difusor. [creació pròpia] 13 Fig. 7: Fons pla i difusor del model. [creació pròpia] 13 Fig. 8: Mesures de l'enclosure que envolta el cotxe (extret d’Ansys amb l’escala prèviament aplicada). 15 Fig. 9: Característiques boolean (extret d’Ansys amb l’escala prèviament aplicada). 16 Fig. 10: Geometria del model escalada, envoltada per túnel de vent i amb el subtract fet (extret d’Ansys). 17 Fig. 11: Característiques de la malla (extret d’Ansys). 18 Fig. 12: Característiques del Face Sizing (extret d’Ansys). 18 Fig. 13: Vista del mallat amb un pla paral·lel a XY en Y = 0 (extret d’Ansys). 19 Fig. 14: Detall del mallat del cotxe a la zona trasera (extret d’Ansys). 19 Fig. 15: Assignació dels noms de les cares (extret d’Ansys). 20 Fig. 16: Característiques del model per defecte (extret d’Ansys). 21 Fig. 17: Característiques de les superfícies de wall (extret d’Ansys). 22 Fig. 18: Gràfica de residus, model amb difusor. [extret d’Ansys]. 23 Fig. 19: Gràfica de residus, model sense difusor. [extret d’Ansys]. 23 Fig. 20: Resultats de pressió del fluid amb difusor a un pla paral·lel en Z = 0 (en Pa). (extret d’Ansys). 24 Fig. 21: Resultats de velocitat del fluid amb difusor a un pla paral·lel en Z = 0 (en m/s). (extret d’Ansys). 24 Fig. 22: Resultats de pressió del fluid sense difusor a un pla paral·lel en Z = 0 (en Pa). (extret d’Ansys). 25 Fig. 23: Resultats de velocitat del fluid sense difusor a un pla paral·lel en Z = 0 (en m/s). (extret d’Ansys). 25 Fig. 24: Detall de la part trasera inferior de la simulació de velocitat. Sense i amb difusor. (extret d’Ansys). 28 Fig. 25: Detall de la part trasera de la cúpula on es despren la capa límit (extret d’Ansys). 29 ÍNDEX DE TAULES Taula 1 26 12/01/2024 - Ver.2 5/33 DIFUSOR PER UN AUTOMÒBIL DE RESISTÈNCIA Avantatges i desavantatges Treball Final de Grau 1. INTRODUCCIÓ Aquest projecte es centra en l’estudi aerodinàmic d’un component molt important dels vehicles de competició, el difusor. S’explica quina és la seva funció i com afecta als coeficients aerodinàmics i al rendiment d’un vehicle la seva presència. Primer es dissenya un model CAD simplificat de la carrosseria d’un vehicle de resistència de la competició del WEC (World Endurance Championship), les 24 hores de Le Mans. Aquest disseny compta amb dues versions, una amb el difusor incorporat i l’altre sense. Mitjançant aquests dos models, es simulen en un túnel de vent virtual amb el software d’Ansys Fluent, que permet obtenir una anàlisi aerodinàmica i d’aquesta manera poder confirmar les avantatges de l’incorporació del difusor a les competicions d'automòbils, destacant les millores en el rendiment. 1.1. OBJECTIUS Les tasques que s’han de dur a terme per completar correctament el projecte són les següents: - Conèixer com afecta l'aerodinàmica a un automòbil. - Entendre el funcionament del difusor en el vehicle. - Dissenyar un model CAD de la carrosseria simplificat (es simula amb Ansys Student, el mallat no pot complicar-se o no es podrà realitzar setup degut a l’excés d’elements). - Simular amb túnel de vent la carrosseria sense difusor i la carrosseria amb el difusor implementat. - Analitzar els resultats obtinguts de les simulacions. 12/01/2024 - Ver.2 6/33 DIFUSOR PER UN AUTOMÒBIL DE RESISTÈNCIA Avantatges i desavantatges Treball Final de Grau 2. CONCEPTES DE L’AERODINÀMICA Un difusor és un element aerodinàmic extern dels cotxes de competició, per tant, és imprescindible conèixer al detall quins són els conceptes i teories de l'aerodinàmica que afecten als automòbils per poder entendre com i perquè varia el rendiment del vehicle si se li incorpora un difusor. 2.1. FLUX El flux d'un fluid és el moviment o el desplaçament del propi fluid. Es el pas de manera contínua de partícules del fluid a través d’un medi. Fig. 1: Diferents tipus de fluxos. [ingenieriada.wordpress.com/]. Hi ha diferents tipus de fluxos, com el flux laminar i el flux turbulent. Al flux laminar, les partícules de fluid es desplacen de forma ordenada i en capes paral·leles, sense barrejar-se entre si. Aquest tipus de flux es caracteritza per ser regular. D'altra banda, al flux turbulent, les partícules de fluid es barregen i es mouen de manera caòtica, generant remolins i turbulències. Aquest tipus de flux és menys ordenat i pot presentar canvis bruscs a la velocitat i direcció del fluid. 12/01/2024 - Ver.2 7/33 DIFUSOR PER UN AUTOMÒBIL DE RESISTÈNCIA Avantatges i desavantatges Treball Final de Grau 2.2. TEORIA D’ESPESSOR DE LA CAPA LÍMIT La teoria de l'espessor de la capa límit descriu el comportament del flux d’un fluid prop d'una superfície sòlida en moviment. La capa límit és la capa de fluid adjacent a la superfície del sòlid on les forces de fricció entre el fluid i la superfície són significativament altes. La teoria de l'espessor de la capa límit estableix que aquesta capa de fluid adjacent a la superfície del sòlid té un gruix variable al llarg de la superfície. Aquesta teoria permet determinar la velocitat del fluid, la pressió i altres paràmetres rellevants dins la capa límit. Fig. 2: Perfil NACA on es despren la capa límit, creant turbulències [wikipedia.com]. 2.2.1. NÚMERO DE REYNOLDS El número de Reynolds és un paràmetre adimensional per descriure el tipus de flux d’un fluid al voltant d’un objecte. El número de Reynolds determina si el flux és laminar (número de Reynolds baix) o turbulent (número de Reynolds alt). 12/01/2024 - Ver.2 8/33 DIFUSOR PER UN AUTOMÒBIL DE RESISTÈNCIA Avantatges i desavantatges Treball Final de Grau 2.3. FORÇA DE LIFT La força de lift, també coneguda com a força de sustentació, és la força aerodinàmica que actua sobre un objecte en un fluid i que s'oposa al pes. Aquesta diferència en la pressió crea una força ascendent que actua perpendicularment a la superfície de l’objecte i cap amunt. En el cas dels cotxes, interessa que la força de lift sigui negativa, també anomenada com downforce. El downforce ajuda a millorar el rendiment del vehicle en la competició perquè ajuda a que el cotxe vagi més a prop del terra, amb els pneumàtics amb més àrea de contacte, aconseguint que més manejable altes velocitats. 2.3.1. COEFICIENT DE LIFT El coeficient de lift, també conegut com a coeficient de sustentació, és una mesura utilitzada en aerodinàmica per quantificar la capacitat d'un objecte per generar sustentació. La fórmula per calcular-lo és la següent: Cl = L / (0.5 * ρ * V^2 * A) On: - Cl: coeficient de lift. - L: Força de lift. - ρ: densitat del fluid. - V: Velocitat de l’objecte respecte el fluid. - A: Àrea frontal del vehicle. 2.4. FORÇA DE DRAG La força de drag o també anomenada força d’arrossegament o de resistència al moviment, és una força que s’oposa al moviment d’un objecte a través d’un fluid. L'arrossegament és el resultat de la fricció entre l'objecte i el fluid que l'envolta. 12/01/2024 - Ver.2 9/33 DIFUSOR PER UN AUTOMÒBIL DE RESISTÈNCIA Avantatges i desavantatges Treball Final de Grau Posteriorment, abans de començar amb el mallat, s’ha dissenyat un túnel de vent amb l'enclosure amb les mesures mostrades a la Fig. 8. Les mesures de l'enclosure han de tenir unes característiques concretes per obtenir els resultats que es busquen. En quant a la cara inferior, ha de ser l'altura a la que circula el cotxe, per deixar lliure l'espai exacte que hi hauria a la realitat entre el terra i el fons pla, splitters i difusor. La cara superior ha de deixar suficient marge sobre del vehicle perquè no afecti als resultats el fet de que hi hagi un sostre, ja que a la realitat no n'hi ha. Si es queda molt baixa la cara superior, afectaria al flux de l'aire, generant pressions i velocitats incoherents per la disminució brusca de l'àrea per un flueix l’aire, entre el cotxe i la cara superior. El mateix efecte passaria a les cares laterals de l'enclosure si no deixessin la suficient distància com per deixar fluir l'aire lliurement com si no hi hagués una paret. La cara frontal no és necessari que es situï molt allunyada, perquè fins que no s'aproxima l'aire a la geometria del cotxe, no variarà el flux. Per acabar, la cara trasera ha de deixar molt espai, no només pel mateix motiu que amb la cara superior i les laterals, sinó que també per poder veure els resultats de com evolucionen les turbulències del fluid generades per la presència del vehicle i analitzar si les turbulències són massa elevades o s’allarguen més del compte. A nivell de competició és important aquest factor, ja que si els cotxes quan es troben al circuit deixen l'aire amb moltes turbulències, els cotxes que circulin darrera un de l’altre rebran aire molt brut que afecta al rendiment del vehicle, fins i tot pot arribar a ser perillós. Fig. 9: Característiques boolean (extret d’Ansys amb l’escala prèviament aplicada). 12/01/2024 - Ver.2 16/33 DIFUSOR PER UN AUTOMÒBIL DE RESISTÈNCIA Avantatges i desavantatges Treball Final de Grau Finalment, es realitza un boolean coma a la Fig. 9 per buidar la geometria del model dins del túnel de vent i deixar només l’espai del fluid que es simula. Operation ha d’estar en Subtract per buidar, Target Bodies és el sòlid creat amb l’enclosure i Tool Bodies és el cotxe. La geometria de la simulació es veu com a la Fig. 10 después de ser preparada. Fig. 10: Geometria del model escalada, envoltada per túnel de vent i amb el subtract fet (extret d’Ansys). 4.2. MALLAT El mallat s’ha creat de 200 mm de tamany general, amb un refinament a la zona del cotxe i les seves proximitats per millorar la modelització de la capa límit, de tal manera que s’obtenen uns millors resultats. A la Fig. 11 es veuen totes les característiques aplicades a la malla. A més, a les superfícies del model 3D, s’ha aplicat un Face Sizing per controlar millor el tamany de la malla del cotxe amb un mallat general de 50 mm (Fig. 12). Perquè la malla no variï el tamany dels elements de forma molt brusca, s’ha activat l’opció de Capture Curvature. 12/01/2024 - Ver.2 17/33 DIFUSOR PER UN AUTOMÒBIL DE RESISTÈNCIA Avantatges i desavantatges Treball Final de Grau Fig. 11: Característiques de la malla (extret d’Ansys). Fig. 12: Característiques del Face Sizing (extret d’Ansys). La malla resultant és la de la Fig. 13. Les zones allunyades del cotxe, les quals no són tan rellevants, tenen elements de més tamany, mentre que quan més pròxim es troben del vehicle, més fina és, com es veu a la Fig. 14. 12/01/2024 - Ver.2 18/33 DIFUSOR PER UN AUTOMÒBIL DE RESISTÈNCIA Avantatges i desavantatges Treball Final de Grau Fig. 13: Vista del mallat amb un pla paral·lel a XY en Y = 0 (extret d’Ansys). Fig. 14: Detall del mallat del cotxe a la zona trasera (extret d’Ansys). 12/01/2024 - Ver.2 19/33 DIFUSOR PER UN AUTOMÒBIL DE RESISTÈNCIA Avantatges i desavantatges Treball Final de Grau 4.3. BOUNDARY CONDITIONS Fig. 15: Assignació dels noms de les cares (extret d’Ansys). Un cop preparada la malla es dóna nom a les diferents superfícies afectades pel fluid. Al mateix mòdul de Mesh, es selecciona cada grup de cares i se li assigna un nom: cara frontal (inlet); cara trasera (outlet); cares laterals, superior i inferior (wall); i les superfícies del cotxe (car), com es pot veure a la Fig. 15. D’aquesta manera, al Setup, s’assigna automàticament la funció de les condicions de contorn de cada cara. 4.4. SETUP El setup es crea per defecte molt similar al desitjat. A la Fig. 16 s’observen les característiques del model per defecte, s’usa un model viscós amb un model de turbulències k-omega sst. El model viscós k-omega sst és un model de turbulència que es basa en l'equació de transport de la turbulència i fa servir dues variables: l'energia cinètica turbulenta (k) i la dissipació turbulenta (omega). Combina els avantatges dels models k-epsilon i k-omega per calcular tant les propietats del flux turbulent, com la viscositat efectiva i les tensions de Reynolds. També té en compte l'efecte de la viscositat i la turbulència a la regió límit on la capa límit es separa. Per aquest motiu és el model seleccionat, ja que és el que es necessita per arribar a obtenir els resultats desitjats. 12/01/2024 - Ver.2 20/33 DIFUSOR PER UN AUTOMÒBIL DE RESISTÈNCIA Avantatges i desavantatges Treball Final de Grau El material del fluid és aire, es selecciona per defecte. Les condicions de contorn aplicades o Boundary Conditions es col·loquen per defecte gràcies als noms que s’han posat a les superfícies prèviament. A inlet s’ha seleccionat Velocity-Inlet i es posa un valor de velocitat de 30 m/s (108 km/h), que és una velocitat que assoleix el cotxe fàcilment en gran part del circuit. Outlet per defecte està seleccionat com Pressure-Outlet amb 0 Pa. Car és un Wall iwall també però se li aplica un canvi. En lloc de considerar el cotxe movent-se a 30 m/s, el cotxe (car) està parat i les parets (wall) i el fluid de dintre són els que es mouen a la velocitat indicada. Per tant, awall se li aplica la modificació de la Fig. 17, posant que són parets mòbils, amb la velocitat del fluid i en la mateixa direcció per aconseguir aquest efecte. Fig. 16: Característiques del model per defecte (extret d’Ansys). 12/01/2024 - Ver.2 21/33 DIFUSOR PER UN AUTOMÒBIL DE RESISTÈNCIA Avantatges i desavantatges Treball Final de Grau Fig. 17: Característiques de les superfícies de wall (extret d’Ansys). Per acabar amb el Setup, s’inicialitza la simulació i es comença a calcular amb 200 itineracions per tenir un millor resultat. Quan la simulació ha acabat es mostar una gràfica que indica com va avançant la simulació en diferents punts com velocitats en els tres eixos, la k, l’omega i la continuïtat. Aquesta és una gràfica de residus (Fig. 18 i Fig. 19) i el que interessa és que els valors de la gràfica siguin el més baixos possible. El valor de la continuïtat a una molt bona simulació ha d’acabar prop del valor de 0,001. En el cas del model amb difusor, a la Fig. 18 es veu que la continuïtat s’estabilitza prop del valor de 0,04 aproximadament, el qual és un valor acceptable però millorable si es volen obtenir millors resultats. La gràfica de residus del model sense difusor (Fig. 19) obté resultats molt similars, amb una continuïtat que s’estabilitza, aproximadament, al valor de 0,02. És un millor que al cas amb difusor, però encara millorable. 12/01/2024 - Ver.2 22/33 DIFUSOR PER UN AUTOMÒBIL DE RESISTÈNCIA Avantatges i desavantatges Treball Final de Grau Fig. 18: Gràfica de residus, model amb difusor. [extret d’Ansys]. Fig. 19: Gràfica de residus, model sense difusor. [extret d’Ansys]. 12/01/2024 - Ver.2 23/33 DIFUSOR PER UN AUTOMÒBIL DE RESISTÈNCIA Avantatges i desavantatges Treball Final de Grau 5. RESULTATS Fig. 20: Resultats de pressió del fluid amb difusor a un pla paral·lel en Z = 0 (en Pa). (extret d’Ansys). Fig. 21: Resultats de velocitat del fluid amb difusor a un pla paral·lel en Z = 0 (en m/s). (extret d’Ansys). 12/01/2024 - Ver.2 24/33 DIFUSOR PER UN AUTOMÒBIL DE RESISTÈNCIA Avantatges i desavantatges Treball Final de Grau Fig. 22: Resultats de pressió del fluid sense difusor a un pla paral·lel en Z = 0 (en Pa). (extret d’Ansys). Fig. 23: Resultats de velocitat del fluid sense difusor a un pla paral·lel en Z = 0 (en m/s). (extret d’Ansys). 12/01/2024 - Ver.2 25/33 DIFUSOR PER UN AUTOMÒBIL DE RESISTÈNCIA Avantatges i desavantatges Treball Final de Grau 7. BIBLIOGRAFIA AUTODESK CFD 2018 HELP. SST K-Omega Turbulence Models. Autodesk [en línia]. Consultat dia 10 de gener de 2024. <https://help.autodesk.com/view/SCDSE/2018/ENU/?guid=GUID-0F5C4828-9F91-4 6B6-A16A-2578D72DCFCC> CFD ONLINE. SST k-omega model. CFD Online [en línia]. Consultat dia 10 de gener de 2024. <https://www.cfd-online.com/Wiki/SST_k-omega_model> DANIALAEZ (03/07/2019). Aerodinámica: Los 3 mitos sobre difusores de competición. Tamburello [en línia]. Consultat dia 20 de desembre de 2023. <https://webiltamburello.wordpress.com/2019/07/03/aerodinamica-los-3-mitos-sobredifusores-de-competicion/> GOODYEAR (14/10/21). Downforce o Carga aerodinámica: ¿en qué consiste?. Goodyear [en línia]. Consultat dia 5 de gener de 2024. <https://kilometrosquecuentan.goodyear.eu/downforce-carga-aerodinamica/> GOODYEAR (27/11/21). ¿Qué es el efecto suelo en coches y cómo influye al conducir?. Goodyear [en línia]. Consultat dia 20 de desembre de 2023. <https://kilometrosquecuentan.goodyear.eu/efecto-suelo/> INGENIERÍADA (18/12/2016). capa límite. Ingenieríada [en línia]. Consultat dia 20 de desembre de 2023. <https://ingenieriada.wordpress.com/tag/capa-limite/> MUNILLA, Victoria (17/08/2023). Efecto Venturi: qué es y cómo funciona. Geoenciclopedia [en línia]. Consultat dia 28 de desembre de 2023. <https://www.geoenciclopedia.com/efecto-venturi-que-es-y-como-funciona-734.html> 12/01/2024 - Ver.2 32/33 DIFUSOR PER UN AUTOMÒBIL DE RESISTÈNCIA Avantatges i desavantatges Treball Final de Grau RENTINGFINDERS. Difusor. Rentingfinders [en línia]. Consultat dia 28 de desembre de 2023. <https://rentingfinders.com/glosario/difusor/#:~:text=El%20difusor%20de%20un%20 coche%20se%20encuentra%20ubicado%20debajo%20de,justo%20bajo%20el%20e je%20trasero> SAN MARTÍN, Sergio (28/04/2022). Efecto Venturi y sus características. Epidor [en línia]. Consultat dia 20 de desembre de 2023. <https://epidor.com/blog/efecto-venturi-y-sus-caracteristicas/> SANTORO, Begoña (20/11/218). Experimento Demostración Efecto Venturi. Experimentos científicos [en línia]. Consultat dia 28 de desembre de 2023. <https://www.experimentoscientificos.es/experimento-demostracion-efecto-venturi/> TOPPR. Fluid flow. Toppr [en línia]. Consultat dia 20 de desembre de 2023. <https://www.toppr.com/guides/physics/mechanical-properties-of-fluids/fluid-flow/#:~:text=Flu id%20flow%20is%20generally%20the,are%20applied%20to%20the%20fluid> WATKINS, Gary (19/08/2019). Hipercoches Le Mans: Velocidad máxima, normas y diferencias con LMP1. Motorsport.com [en línia]. Consultat dia 5 de gener de 2024. <https://lat.motorsport.com/lemans/news/caracteristicas-hipercoches-le-mans-wec-v elocidad-costos-2021/6649628/> WIKIPEDIA. 24 horas de Le Mans. Wikipedia [en línia]. Consultat dia 5 de gener de 2024. <https://es.wikipedia.org/wiki/24_Horas_de_Le_Mans> 12/01/2024 - Ver.2 33/33