Aerodinámica en Vehículos de Competencia

Mauricio Toro RestrepoDavid Sierra NavarroDavid Sierra Navarro

AgendaAgenda• Introducción

L 3 L d N t• Las 3 Leyes de Newton• Las Fuerzas• Viscosidad• Flujo: Laminar y Turbulentoj y• Bernoulli y Conservación del Momentum• Apoyo Aerodinámico (Downforce)

– Número de Reynolds• Fuerza AerodinámicaFuerza Aerodinámica• CFD (Computational Fluid Dynamics)• Airdams, Splitters y Spoilers• Alas

S l• Suelo• Repaso

IntroducciónIntroducciónCARRO

E i id dAVIÓN

Ti f• Esta a una gran proximidad del suelo y debe estarlo para que se genere un mayor agarre y provocar más f d t ió

• Tiene que generar una fuerza de sustentación (“lift”) igual a su peso para mantenerse

fuerzas de tracción: aceleración, frenado, curveado

• Ambos tienen que superar la fuerza de arrastre (“drag”)fuerza de arrastre ( drag )

…• Desde sus inicios, la

di á i óaerodinámica aumentó el desempeño de los vehículos.

• Es difícil atribuir la importancia de la aerodinámica en cuanto

l f d ta la fuerza de arrastre. Otros factores influyen: suspensión, llantas, motormotor.

Las 3 Leyes de NewtonLas 3 Leyes de Newton1. Ley de Inercia

Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser en tanto que sea obligado por fuerzas impresas a cambiar su estado.

2. Ley de FuerzaEl cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza sey ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime

3. Ley de Acción y ReacciónCon toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: o sea las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales ysea, las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en direcciones opuestas

Las FuerzasLas Fuerzas

ViscosidadViscosidad

• Le quita energía cinética al aire cerca a la capa límitela capa límite

• Se pierde energía en el flujo• Las fuerzas cortantes son dadas por la

i id d S ál l f i ióviscosidad. Son análogas a la fricciónEs una enemiga

Flujo: Laminar y TurbulentoFlujo: Laminar y Turbulento

TransiciónTransición

• Esto ocurre cuando los efectos viscosos le quitan energía al flujo en la distancia• Ocurre en la Capa Límite

Mientras más energía se remueva más se agranda la capa límite Mientras• Mientras más energía se remueva, más se agranda la capa límite. Mientras más grande la capa límite, más alta es la fuerza de arrastre (“drag”)

BernoulliBernoulli• Por el Principio de la pConservación de Energía, la Presión Total es constante

• Si la velocidad del flujo es forzada a incrementar, la presión estática decrece

• Si la presión estática pdecrece, tendremos menor fuerza de arrastre

Conservación del MomentumConservación del Momentum

• Ecuación de análisis• Cuando el área se reduce

la velocidad del flujo se incrementa (Conservación del(Conservación del Momentum)

• Como la velocidad se i tó l ióincrementó, la presión estática se disminuye

VenturiVenturi

• Entrada – Garganta – Difusor• Efecto Venturi para aumentar velocidad y disminuir presión estáticaEfecto Venturi para aumentar velocidad y disminuir presión estática• OJO!!!: Para evitar una fuerza de arrastre mayor, la velocidad del flujo en la entrada debe ser similar al de la salida.

•Ejemplo: Efecto venturi por debajo del carro. En la parte trasera j p p j pdebe de haber un difusor para evitar una gran turbulencia en la salida

Apoyo Aerodinámico(Downforce – Lift)

• Las partículas viajan más rápido por la parte de abajo porque• Las partículas viajan más rápido por la parte de abajo porque por Conservación del Momentum el flujo tiene que ser el mismo en todos los puntos.

• La figura muestra como un ala genera un apoyo aerodinámico• Como el aire viaja más rápido por debajo del ala, se reduce la

presión estática

“Downforce”Downforce

* Efecto de vacío en la parte inferior

• A mayor apoyo dinámico, mayor agarre, mejor se comportan las fuerzas de tracción.

N° de ReynoldsN de Reynolds• Se usa para caracterizar el movimiento de un fluido • Es un número adimensional• Es un número adimensional

Fuerza AerodinámicaFuerza Aerodinámica• Los 2 principales componentes

de la Fuerza Aerodinámica: Drag, Downforce

CoeficientesCoeficientes

CFD (Computational Fluid Dynamics)

• Es una herramienta computacional para el estudio de la• Es una herramienta computacional para el estudio de la aerodinámica• Permite encontrar las siguientes variables desconocidas:

• Velocidad del fluido en: x, y, z• Presión• Temperatura• Densidad

• Se consideran la Conservación del Momentum y de laSe consideran la Conservación del Momentum y de la Energía

Airdams Splitters y SpoilersAirdams, Splitters y Spoilers

• Aumenta el apoyo dinámico• Son superficies planas en la parte frontal del vehículo diseñadas para contrarestra el “lift” (fuerza de sustentación)contrarestra el lift” (fuerza de sustentación)• Crean una alta presión en la parte frontal y una baja debajo del vehículo

…

AlasAlas

Una AlaUna Ala

EjemplosEjemplos

Ala + FlapAla + Flap

EjemploEjemplo

Ala + Flaps + SlatAla + Flaps + Slat

SoftwareSoftware

• Para el análisis de perfiles de ala sePara el análisis de perfiles de ala, se recomiendan los siguientes software gratuitos en línea:gratuitos en línea: – X Foil

Design Foil– Design Foil– Wind Foil

Ad á t l li i d l• Además se cuenta con las licencias del SENA: Solid Works – Flow Works

SueloSuelo

diferencia… diferencia

RepasoRepaso• Las leyes de Newton se siguen en el estudio de la aerodinámica• Las principales fuerzas aerodinámicas son: “Drag” y “Downforce”• La idea: disminuir al máximo el “Drag” y aumentar la Downforce• ¿Cómo?

– Pensando siempre en el flujo de aire tratando de disminuir la presión estática

– Usando los accesorios adecuados:• Alas • Spoilers Airdams y Splitters• Spoilers, Airdams y Splitters• Efecto Venturi• Formas que

– Se puede usar el CFD– Usar formas amigables con el flujo, evitando generar fuerzas de

sustentación

MUCHASMUCHASGRACIAS POR SU

ATENCIÓNATENCIÓN