Aerodinâmica. L D M V∞ Aerofólio Aerodinâmica Cl Clmax oo Cl max ** Aerofólio.
Análise Aerodinâmica da Carenagem do Formula Elétrico 2012 Grupo: André Stuart Nogueira RA:...
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Análise Aerodinâmica da Carenagem do Formula
Elétrico 2012
Grupo:
André Stuart Nogueira RA: 085756Bruno Rugno Delatti RA:085784
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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;
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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
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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;
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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;
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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.
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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
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Critérios Numéricos
-Simulação Inicial: 1500 iterações;Malha com 1040 elementos;Nx=40 e Ny=26;
Resíduos
Mapa com 1040 elementos
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Mapa de velocidades para malha de 1040 elementos
Mapa de pressão para malha de 1040 elementos
Resultados Iniciais
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Critérios Numéricos
-Simulação Final: 15000 iterações;Malha com 6160 elementos;Nx=110 e Ny=56;
Resíduos
Mapa com 6160elementos
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Mapa de velocidades para malha de 6160 elementos
Mapa de pressão para malha de 6160 elementos
Resultados Iniciais
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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;
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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;
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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
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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;
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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.
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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;
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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;
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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);
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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.
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FIM!
Obrigado!