Análise Aerodinâmica da Carenagem do Formula

Elétrico 2012

Grupo:

André Stuart Nogueira RA: 085756Bruno Rugno Delatti RA:085784

Introdução

-Competição Estudantil organizada pela SAE Brasil (Society of Automotive Engineers) ;

-Objetivo da Competição: Equipes desenvolvam e construam protótipos puramente elétricos para participar de provas teóricas e práticas presentes na competição, para melhorarem sua formação acadêmica e pessoal;

-Primeiro ano da Competição – 2012;

- Equipe Unicamp E-Racing fundada em Novembro de 2011 com o intuito dos alunos aprenderem sobre a tecnologia de carros elétricos;

Introdução

-Muita tecnologia tem sido desenvolvida para este tipo de competição, como aerofólios, difusores e apêndices aerodinâmicos;

-Essa melhorias proporcionam:1- Adquirir maior tração – aumento do downforce;2- Reduzir o peso do sistema - redução no drag (arrasto);RESULTADO - Ganho de ESTABILIDADE e PERFORMANCE;

Texas Arlington3. Colocação Geral – Fórmula SAE LINCOLN

Universidade do Kansas - Jayhawk1. Colocação Geral – Fórmula SAE LINCOLN

Objetivo

- Analisar o valor do Coeficiente de arrasto do protótipo de Formula SAE Elétrico da Equipe Unicamp E-Racing;

-Idéia inicial – simulação 3D do protótipo – demanda muito processamento e tempo, tornando inviável;

- Método do Projeto – Simulação 2D do protótipo – calcular o valor aproximado do coeficiente de arrasto e analisar a esteira de ar no plano XY;

Domínio

Domínio:X – Comprimento (m);Y – Altura (m);Z – Profundidade (m) – unitário por ser uma simulação 2D;

Valores de adotados de X e Y grandes – Considera o Fórmula Elétrico correndo em espaço aberto;

X=20,0m;Y=5,0m;Z=0,1m;

Condições de Contorno Iniciais

Condições de Contorno Iniciais:

INLET no plano YZ em X=0m, com velocidade de entrada V=16,67m/s (60km/h);

OUTLET no plano YZ em X=20m, com pressão de saída ambiente 1atm;

PLATE – faz o papel do asfalto, com velocidade contrário ao movimento do Fórmula, ou seja na direção –X, de V=16,67m/s (60km/h);

Pista de Fórmula SAE – 1000metros;Tempo da volta do Fórmula Elétrico – 60s;Tempo médio – 16,67m/s=60km/h;

Escolhemos então o modelo de turbulência KEMODEL.

Geometria

Geometria:

- Fórmula Elétrico modelado no software Creo da PTC;- Para simulação 2D – produzida uma fatia na porção central (maior área de seção longitudinal) do assembly;- Arquivo exportado para .STL e alocado como blockage;

Seção do Formula Elétrico com simulação do piloto com capacete

Critérios Numéricos

-Simulação Inicial: 1500 iterações;Malha com 1040 elementos;Nx=40 e Ny=26;

Resíduos

Mapa com 1040 elementos

Mapa de velocidades para malha de 1040 elementos

Mapa de pressão para malha de 1040 elementos

Resultados Iniciais

Critérios Numéricos

-Simulação Final: 15000 iterações;Malha com 6160 elementos;Nx=110 e Ny=56;

Resíduos

Mapa com 6160elementos

Mapa de velocidades para malha de 6160 elementos

Mapa de pressão para malha de 6160 elementos

Resultados Iniciais

Análises

Resultados das forças e velocidade média no probe para cada malha

Obs: Probe foi alocado na esteira de ar do escoamento

- Velocidade média na região do probe se manteve constante nas ultimas 3 simulações, com mudanças apenas nos milésimos, o que reafirma que a malha não precisa ser mais refinada;

Análises

Mapa de pressão para malha de 6160 elementos

-A maior parte do downforce está sendo gerado na parte de trás do formula - representado pelas pressões negativas;- Na frente ocorre o contrário o que nos leva a pensar que o uso de uma asa dianteira seria uma boa ideia para induzir o downforce na dianteira;

Coeficiente de arrasto, Cx é calculado pela expressão:

Onde Fr é a força de arrasto, ρ é a densidade do fluido, U é a velocidade do fluido e A é a área da seção transversal à direção do escoamento. Calculando a área da maior seção transversal da fatia do Formula Elétrico como:

Sendo 0,1m a largura do domínio e 1,1m a altura máxima na maior seção transversal. Assumindo que ρ=1,225 kg/m³.

Calculo do Cx

Comparação 2D – 3D

Coeficientes de arrasto para geometrias simples 3D e 2D.

- Verifica-se valores de Cd pra geometrias 3D na coluna da esquerda e suas seções 2D na coluna da direita;- Nota-se que em alguns casos o Cd 2D é aproximadamente o dobro do Cd 3D e em outros é o triplo;

Distribuição de Pressão

Gráfico Pressão versus comprimento do túnel

- Bico do Fórmula – localizado a partir de X=4m – Maior pressão positiva;-Queda repentina nos valores de pressão a partir de X=5m - região da esteira do escoamento onde se tem baixas velocidades. As pressões são altas mas com valores negativos. - Pico de pressão ocorre precisamente em X=4, e que a transição da região de pressões positivas para a de pressões negativas ocorre da metade pro final do veículo, evidenciando que nesta região as pressões possivelmente geram certa downforce.

Análises

Distribuição de pressão na região do veículo

Distribuição de velocidade U1na região do veículo

- Nota-se que a região do vale, onde temos os menores valores de velocidade representa a mesma localidade dos picos de maior pressão positiva. Ou seja, nesta região o Formula está bloqueando o escoamento e a velocidade do ar está reduzindo bruscamente gerando altas pressões incidentes no bico do protótipo;

Coeficiente de Arrasto versus Performance

- Segundo McBeath, avalia-se a influência do Cd de um veículo em sua performance através de uma simples equação que permite saber o quanto de potência será sacrificada para vencer a resistência do ar por um veículo através de alguns parâmetros, inclusive seu coeficiente de arrasto.

BHP que é a sigla do inglês “Brake Horsepower‟

Sendo: - Cd: coeficiente de arrasto; - A: área da maior seção transversal do veículo; - V: velocidade;

Coeficiente de Arrasto versus Performance

Considera-se:

Vmáx= 120 km/h;Atrans.= 0,9m² (calculada pelo software Pro Engineer, através da área da maior seção transversal);

Conclusões Finais

-Valores aceitáveis de Cd para um veículo que possui uma carenagem que privilegia o escoamento mas que não possui aerofólios, difusor ou outros apêndices aerodinâmicos;

-Valores de Cd são para fins comparativos - simulação é 2D;

-Análise 3D demandaria muito tempo e processamento (trabalho futuro);

- Avaliou-se a influência do valor do Cd obtido através do cálculo do BHP seguindo a literatura de McBeath;

- Formula Elétrico conta com uma carenagem com Cd da ordem de grandeza de 0,85 o que é muito bom e que sacrifica um pouco mas de 16kW de potência do veículo. Visto que a potência do mesmo é de 85kW, temos 18,8% da potência total sendo sacrificada para vencer a resistencia do ar a 120km/h.

FIM!

Obrigado!