Recibido: 23 noviembre 2023
Aprobado 26 diciembre 2023
Volumen 2. Número 2. Año 2023, p. 1-18
1
Análisis computacional del comportamiento aerodinámico de un
vehículo con estructura tubular
Computational analysis of the aerodynamic behavior of a vehicle with a tubular
structure
Jairo Edison Guasumba Maila
1
, Diego Andres Calero Torres
2
, Luis Patricio Criollo
Yanchatipan
3
, Victor Alfonso Garay Cisneros
4
Resumen:
La presente investigación se plantea realizar un análisis computacional a una
estructura tubular de un vehículo con motor Nissan Tiida, con la finalidad de observar
el comportamiento aerodinámico de la estructura en la simulación y verificar si el
método de análisis computacional aplicado concuerda con los cálculos propuestos
desde las referencias teóricas, para ello, la investigación se enfoca en un estudio
descriptivo, que determine paso a paso el proceso de análisis de la estructura de
manera teórica, adicionalmente el estudio se sustenta en la aplicación de una técnica
de investigación acción participativa, con la finalidad de relacionar el proceso
metodológico con el proceso computacional desarrollado por los participantes
especialistas en el área y de los participantes técnicos del área, los valores utilizados
dentro de la investigación son el coeficiente de penetración, coeficiente de empuje y
la velocidad inicial, el prototipo puesto a prueba es una estructura tubular sin
carrocería para el cual se esperó encontrar un coeficiente de penetración (Cx)
alrededor de 3,35 a 0,45, sin embargo el resultado fue de Cx=0,588 superior al
coeficiente presente en los vehículos todoterreno y acercándose más a una estructura
de un bus. La resistencia aerodinámica disminuye con la velocidad a la que circula un
vehículo, siendo ésta para el análisis de hasta 100 Km/h, reflejando que a esa
velocidad la estructura en la simulación presenta un flujo de aire promedio y no
generando alteraciones en su estructura inicial.
Palabras clave: Simulación de flujo computacional, coeficiente de arrastre,
coeficiente de empuje, coeficiente de sustentación
1
Instituto Superior Tecnológico Tecnoecuatoriano, Magister en Diseño Mecánico con Mención en Fabricación de
Autopartes, https://orcid.org/0000-0002-0533-0397
2
Instituto Superior Tecnológico Tecnoecuatoriano, Magister en Energías Renovables, https://orcid.org/0000-
0003-4754-4251
3
Instituto Superior Tecnológico Tecnoecuatoriano, Magister en Educación Mención en Gestión del Aprendizaje
Mediado por TIC, https://orcid.org/0000-0003-3647-2918
4
Instituto Superior Tecnológico Tecnoecuatoriano, Magister en Educación Mención en Gestión del Aprendizaje
Mediado por TIC, https://orcid.org/0000-0001-6739-9309
Autor de correspondencia: jguasumba@istte.edu.ec
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2
Abstract:
The present research aims to carry out a computational analysis of a tubular structure
of a vehicle with a Nissan Tiida engine, with the purpose of observing the aerodynamic
behavior of the structure in the simulation and verifying whether the computational
analysis method applied agrees with the calculations proposed from theoretical
references, for this, the research focuses on a descriptive study, which determines
step by step the process of analysis of the structure in a theoretical manner,
additionally the study is supported by the application of a participatory action research
technique, with the purpose of relating the methodological process with the
computational process developed by the specialist participants in the area and the
technical participants in the area, the values used within the research are the
penetration coefficient, thrust coefficient and the initial speed, the prototype placed
The test is a tubular structure without a body for which it was expected to find a
penetration coefficient (Cx) around 3.35 to 0.45, however the result was Cx=0.588
higher than the coefficient present in off-road vehicles and approaching more like a
bus structure. The aerodynamic resistance decreases with the speed at which a
vehicle circulates, this being for the analysis up to 100 km/h, reflecting that at that
speed the structure in the simulation presents an average air flow and does not
generate alterations in its initial structure.
Keywords: Computational flow simulation, drag coefficient, thrust coefficient, lift
coefficient
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Introducción
El análisis de perfiles aerodinámicos basado en simulación dinámica de fluidos
(CFD) originada mediante un software, proporciona información sobre el
comportamiento de las superficies de un vehículo que se encuentra en contacto con
el flujo de aire, donde el modelo elegido es el que presenta, menores coeficientes de
arrastre, mediante un análisis de flujos, permitiendo determinar resistencias,
variaciones en la estabilidad, entre otras.
El CFD, es considerado como una tecnología de Ingeniería Asistida por
Computadora (CAE), siendo una herramienta fundamental utilizada en la mayoría de
los ámbitos industriales para el desarrollo de diseño en la ingeniería actual (Jaramillo,
Jiménez, Ortega, Ríos y Zambrano, 2022), para la producción de toda clase de
autopartes de vehículos, y, su uso se ha vuelto indispensable para estudios de tipo
aerodinámicos.
El desarrollo de modelos de simulación aerodinámicos, usa los resultados
originados en el CFD, para mejorar todo tipo de diseños conceptuales,
perfeccionando el detalle del producto, con una resolución más apropiada a las
necesidades del rediseño requerido, dándose un rápido acceso en la resolución del
problema, en empresas como Marco Polo la cual innova sus productos en cada
modelo, mientras que en el Ecuador, se han utilizado en Universidades como la
ESPE, las cuales han comparado las propiedades aerodinámicas de vehículos de tipo
SEDÁN estándar con respecto a otros modificados, en tanto que en la ESPOCH,
mediante análisis aerodinámicos se logró obtener una carrocería apropiada para una
motocicleta de Tipo CUSTOM. (Alba & Guaguasi, 2018)
El uso de plataformas y programas que se encarguen de evaluar de manera
teórica el comportamiento de un elemento antes de su fabricación, representa un
ahorro de tiempo, recursos y materiales en el desarrollo de cualquier prototipo
pensado a ser aplicado en la industria, por tanto, la “informática puede utilizarse con
múltiples propósitos, en especial cuando se enfoca a sustituir tareas repetitivas e
iterativas como la solución de fórmulas y sus cálculos matemáticos respectivos”
(Vargas y Contreras, 2007, p. 64). Razón por la cual, en la presente investigación se
plantea realizar un análisis computacional a una estructura tubular de un vehículo con
motor Nissan Tiida, con la finalidad de observar el comportamiento aerodinámico de
la estructura en la simulación y verificar si el método de análisis computacional
aplicado concuerda con los cálculos propuestos desde las referencias teóricas.
Por lo que la mecánica computacional es considerada útil para mejoras
experimentales, a través del uso de herramientas numéricas, donde su forma de
trabajar es en la mecánica de fluidos, con resultados confiables, donde las nuevas
tecnologías y la continua mejora de los algoritmos, han hecho posible ejecutar en
computadoras personales.
Análisis teórico
Aerodinámica
La aerodinámica es la ciencia que estudia los fluidos, encargados de generar
movimiento sobre un cuerpo definido, enfocado en obtener un valor mínimo originado
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por una resistencia originada por un movimiento, evitando efectos negativos posibles,
generados por el consumo de energía, así como la desestabilización del vehículo ante
la presencia de vientos cruzados. (Gómez, Martín, Águeda, & García, 2016)
Por su parte, la resistencia al aire es una fuerza que actúa en dirección opuesta
al movimiento del automóvil y aumenta a medida que la velocidad aumenta. Para
minimizar esta resistencia, los diseñadores automotrices aplican principios
aerodinámicos para dar forma al vehículo de manera que el flujo de aire se deslice
suavemente alrededor de la carrocería en lugar de generar turbulencias.
Algunas características aerodinámicas comunes en los automóviles incluyen,
la forma y curvas de la carrocería, que optimice el flujo de aire y logre minimizar las
turbulencias y el arrastre. Esto se logra mediante el diseño de líneas suaves y curvas,
y la reducción de protuberancias innecesarias.
Los ángulos y pendientes presentes en los parabrisas, ventanas laterales y
parte trasera cuentan con una configuración que permite al aire deslizarse de manera
eficiente. Los alerones traseros y los alerones delanteros también se pueden utilizar
para controlar el flujo de aire y generar fuerza descendente (downforce) para mejorar
la estabilidad a altas velocidades. Las ecuaciones que rigen la aerodinámica se
mencionan en el estudio realizado por ETSEIB (2018) tal como se enlistan a
continuación:
● Ecuación de Navier – Stokes, para una correcta simulación de un flujo de tipo
transitorio e incompresible
● Ecuación de continuidad
● Ecuación de estado
● Condiciones de contorno
● Condiciones iniciales
De igual forma, fueron agrupados por modelos tal como se describen a continuación:
● Modelos premiados de Reynolds (RANS)
● Modelos de Simulación de Grandes Remolinos (LES)
● Modelos de Simulación Numérica Directa (DNS)
Efecto Venturi
En base al principio de Bernoulli, se origina un efecto denominado Venturi, el
mismo que se da cuando un determinado fluido circula por un conducto de tipo
cerrado, con un estrechamiento originado por una depresión, generando un aumento
en la velocidad del fluido. (Martín, 2016)
Número de Reynold.
Reynolds fue quien estudió las características de flujo de los fluidos inyectando
un trazador dentro de un líquido que fluía por una tubería, por lo que el flujo lineal se
denomina laminar y el errático turbulento. (Ruiz & Curicama, 2013). Las
características que condicionan el flujo laminar son aquellas que dependen de las
propiedades del líquido y de las dimensiones del flujo, aumentando las fuerzas del
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momento o inercia, las cuales son contrarrestadas por la fricción o fuerzas viscosas.
Por tanto, cuando las fuerzas opuestas alcanzan un equilibrio se producen cambios
en las características del flujo, definidos estos, como la relación entre las fuerzas
inerciales y las fuerzas viscosas (o de rozamiento).
(1)
Factores Aerodinámicos
Los factores aerodinámicos a tener en cuenta, por su incidencia en el estudio
fueron los perfiles aerodinámicos, flujo de aire, flujo interior, flujo exterior, flujo laminar,
flujo turbulento, resistencia por presión, resistencia por rozamiento, resistencia total
de avance y las partes del vehículo que serán descritos a continuación.
Perfiles aerodinámicos
Los perfiles aerodinámicos se dan en función de sus formas básicas, con
valores de coeficientes Cx, establecidos según la dirección de la corriente de aire
definida. Los fabricantes de vehículos buscan que sus carrocerías prototipo se
asemejen al modelo de una gota de agua, la cual sufre un moldeamiento con el aire,
para poder obtener una menor resistencia posible con una habitabilidad escasa
interior, originando un flujo de tipo tubular o laminar, comparándose la resistencia al
avance de tres formas distintas como se puede observar en la figura 1.
Figura 1
Resistencia al avance de formas aerodinámicas diferentes
Nota. Gómez, Martín, Águeda, y García, 2016
Flujos de Aire
Gómez et al. (2016) mencionan que el flujo de aire es el contacto que se origina
entre el vehículo y el aire, donde actúan varias fuerzas de resistencia que limitan la
aerodinámica de la unidad como se pudo observar en la figura 1, y se clasifican en
flujo interior y flujo exterior. El primero, trata de cuando el aire ingresa por las entradas,
existentes en la carrocería de un determinado vehículo, avión, tren, entre otras;
beneficiando de manera positiva su refrigeración y negativa su aerodinamismo,
produciéndose la ventilación en el habitáculo del piloto, en un porcentaje del 20% del
total, mejorando el confort climático de los ocupantes, con una temperatura constante
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aceptable, la cual depende del exterior y de la velocidad del vehículo, pudiendo
renovar el aire.
El flujo exterior según la investigación realizada por Gómez, consiste en la
circulación del aire sobre una determinada carrocería, generando un factor de
resistencia confiable, pero este flujo provoca zonas de presión y depresión denotando
factores con mayor resistencia en aspectos como el porte y forma de la carrocería, la
velocidad relativa del vehículo respecto al avance, la carga sobre las ruedas, la
densidad del fluido, y el tipo de superficie, determinando que el aire tome formas
denominadas de flujo laminar y flujo turbulento.
En lo que respecta al flujo laminar Gómez et al. (2016) destacó que cada
partícula de aire sufre desplazamiento, con respecto a la carrocería, en una dirección
y velocidad única, conociéndose un flujo uniforme, el cual, cuanto mayor sea el flujo
laminar, menor será la resistencia aerodinámica característico de velocidades de
circulación bajas, mientras que el flujo turbulento, trata de dar un límite laminar, donde
el flujo de aire se transforma en turbulento, dada la pérdida de velocidad de las
partículas de aire existentes con respecto a los cambios de dirección, característico
de velocidades de circulación altas.
Resistencia por presión
Se trata de presiones positivas en las zonas cóncavas y negativas en las zonas
convexas, con base a un coeficiente de presión definido (Domínguez, 2018). Donde
las zonas más cálidas son las presiones positivas, mientras que las azuladas son las
negativas, como se detalló anteriormente.
Resistencia por rozamiento
Se origina por efecto de la viscosidad del aire (Domínguez, 2018)
Resistencia total de avance
Es aquella que depende de la densidad del fluido, superficie frontal, velocidad
de circulación y coeficiente aerodinámico (Domínguez, 2018)
Partes de un vehículo
La forma y el diseño de estas partes se optimizan para reducir la resistencia al
aire, mejorar la estabilidad y aumentar la eficiencia del vehículo; entre las partes que
más se encuentran en contacto con el flujo de aire son los spoilers, mismos que se
encuentran en la parte trasera del vehículo y se utilizan para modificar el flujo de aire
y reducir la resistencia aerodinámica. Pueden estar integrados en la forma del
vehículo o ser elementos separados.
El difusor, que se encuentra en la parte inferior trasera del vehículo, ayuda a
acelerar el flujo de aire y a reducir la presión aerodinámica en esa zona, todo ello, con
la finalidad de mejorar el rendimiento y la estabilidad del vehículo a altas velocidades.
Mientras que el alerón, que se encuentran en la parte trasera del vehículo, está
diseñado para generar fuerza descendente y mejorar la estabilidad a altas
velocidades, puede tener formas y configuraciones diferentes según el tipo de
vehículo y su propósito.
Proceso de Simulación
Los procesos de simulación automotriz constituyen una serie de actividades o
procedimientos que empleando ciertas herramientas permiten evaluar y analizar el
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rendimiento y comportamiento de los vehículos antes de su producción y lanzamiento
al mercado. Estos procesos facilitan simular y predecir cómo se comportará un
vehículo en diferentes condiciones de funcionamiento y escenarios de conducción sin
la necesidad de realizar pruebas físicas en prototipos reales.
● Pre-Procesamiento
● Procesamiento
● Post-Procesamiento
Pre-Procesamiento, es la parte en la que se genera e inserta una geometría en un
determinado software de Diseño tipo CAD, así como las cargas, condiciones de
contorno, mallado en el cual se origina elementos sólidos tetraédricos en 3D,
triangulares en 2D y elementos de vigas en 1D, la cual debe estar diseñada de manera
óptima, dividiéndose en dominios y subdominios, en base a nodos, donde la calidad
de la malla permite verificar el cociente de aspecto, donde los puntos jacobianos a
determinar son importantes, y finalmente está el tipo de análisis. (Martínez, 2017)
Procesamiento, es la parte o sección donde se generan ecuaciones características
de un modelo simplificado, que garantice la idoneidad del mallado, así como las
condiciones de frontera. (Martínez, 2017)
Post-Procesamiento, en esta etapa se visualizan resultados obtenidos, de forma
gráfica. (Martínez, 2017)
Metodología
La investigación se enfoca en un estudio descriptivo, que determine paso a
paso el proceso de análisis de la estructura de manera teórica, adicionalmente el
estudio se sustenta en la aplicación de una técnica de investigación acción
participativa, con la finalidad de relacionar el proceso metodológico con el proceso
computacional desarrollado por los participantes especialistas en el área y de los
participantes técnicos del área, con la finalidad de romper la dicotomía de sujeto-
objeto (Bernal, 2010). Al ser una técnica no científica, los resultados se interpretaran
desde un punto de vista técnico de prueba y error, mientras que la descripción del
procedimiento será monitoreado, para encontrar la configuración adecuada para la
estructura, logrando conformar un equipo de trabajo y método, en el cual se analice
el procedimiento de evaluación de la estructura, mediante el análisis de los resultados
computacionales y los resultados calculados, para ello, a continuación se describen
los principios básicos que rigen las estructuras de los vehículos.
Principios básicos de la aerodinámica
El principio básico de la aerodinámica es la de Bernoulli, quien describe el
comportamiento de un fluido a lo largo de una línea de corriente, y el estudio realizado
por Martín (2016) utiliza la siguiente formula para expresar la teoría mencionada por
Bernoulli.
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(2)
Dónde:
V = Velocidad del fluido
= Densidad del fluido
P = Presión originado a lo largo de la línea de corriente
g = Gravedad
z = Altura en función de la gravedad
Coeficientes Aerodinámicos
En el área automotriz, los coeficientes aerodinámicos son utilizados para
describir y comparar el comportamiento aerodinámico de los vehículos. Estos
coeficientes se obtienen mediante pruebas en túneles de viento y análisis
computacional de dinámica de fluidos. Consisten en números adimensionales que se
usan para un estudio de tipo aeronáutico o aerodinámico de las cargas que generan
un cuerpo en movimiento a través del aire. A continuación, se presentan las
definiciones de coeficientes de tipo de arrastre Cx y de sustentación Cl:
Coeficiente de arrastre o Penetración (Cx)
Influye en el comportamiento de un vehículo, refiriéndose a su aerodinamismo
y a su desplazamiento originado a través del aire, el cual depende de la velocidad y
de su densidad, donde mientras menor sea este, menores serán los efectos que se
producen. El coeficiente de penetración es muy importante en función del flujo que
roza de manera homogénea al vehículo con un grado bajo de rozamiento. (Aguirre,
2009). Los componentes que dependen de los coeficientes de arrastre son:
La superficie y el tipo del cuerpo al que se le ejecuta el análisis.
La velocidad del fluido.
La densidad del tipo de fluido, siendo permitido aumentar o disminuir en un 5%.
El Cx según Aguirre (2009), en la mayoría de los autos varía entre 0.28 y 0.35,
mientras que vehículos todo terreno varían entre 0.35 y 0.45, “vehículos prototipo
pueden bajar aún más su Cx hasta llegar a tener menos de 0.25” (Aguirre, 2009, p.
13), calculando la resistencia aerodinámica que produce la fuerza, con base a una
superficie frontal, expresada de la siguiente manera:
(3)
Dónde:
Fx = Fuerza de arrastre
Cx = Coeficiente de arrastre
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= Densidad del fluido
V = Velocidad relativa de la corriente
A = Área de referencia
En la tabla 1 se muestran los coeficientes de arrastre de marcas de vehículos más
conocidos, con los cuales se relacionaron para obtener el valor del coeficiente que se
aplicó al estudio realizado.
Tabla 1
Coeficientes Aerodinámicos
Modelo
Cx
Modelo
Cx
Volkswagen XL1
0.186
Opel Kadett (1989)
0,38
Tesla Model 3
0.21
Renault Vel Satis (2002)
0,33
Toyota Prius
0.24
Irizar PB (2002)
0,55
Tesla Model S
0.24
Camión con deflectores
0,70
Audi A6
0.26
Autobús
0,49
Jaguar XE
0.26
Motocicleta
0,70
Mazda3
0.26
Fórmula 1 en Mónaco (el mayor)
1,084
BMW I8
0.26
Fórmula 1 en Monza (el menor)
0,7
Nissan GT-R
0.26
Paracaídas
1,33
Mercedes Clase C
0.26
Perfil alar simétrico
0,05
Astra (2004)
0.32
Esfera
0,1
Peugeot 807 (2002)
0.33
Cubo valor de referencia
1
Renault Vel Satis (2002)
0.33
Hispano Divo (2003)
0.349
Renault Espace (2002)
0.35
Renault Espace (1997)
0.36
Citroën CX (1974)
0.36
Nota. Domínguez, 2018 y Aguirre, 2009
Cy (Coeficiente de empuje lateral)
El coeficiente de empuje lateral Cy, se deriva del efecto de aire, aplicado a la
unidad en forma lateral, incidiendo así la conducción y trayectoria, producida u
originada (Gómez et al, 2016).
Cl (Coeficiente de sustentación)
Este tipo de coeficiente indica la capacidad de crear una fuerza en dirección
perpendicular a la velocidad que origina movimiento, incide en forma vertical sobre la
carrocería hacia debajo de modo que el empuje del vehículo sea hacia el asfalto, lo
que produce mayor agarre e incremento de la estabilidad (Uribe, 2008).
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Figura 2
Diferencia de Presiones
Nota. Uribe, 2008
El coeficiente de sustentación según Uribe (2008), depende del cuerpo a
analizar, el cual se determina con base a la siguiente ecuación:
(4)
Dónde:
Fl = Fuerza de sustentación
Cl = Coeficiente de sustentación
= Densidad del fluido
V = Velocidad relativa de la corriente
A = Área de referencia
Dinámica de flujo computacional CFD
En el contexto automotriz, CFD desempeña un papel importante en el diseño
y desarrollo de vehículos, ya que permite analizar y optimizar los flujos de aire
alrededor del vehículo y dentro de sus componentes. Siendo útil para un estudio
encargado de la mecánica de fluidos, que utiliza los métodos numéricos y algoritmos,
que analizan problemas sobre el flujo de sustancias, donde, los ordenadores son
usados para realizar millones de cálculos necesarios para simular la interacción de
los líquidos y gases con superficies complejas, reduciendo la velocidad de cálculo en
un tiempo con situaciones complejas como los fluidos trans sónicos o turbulentos
(ETSEIB, 2018), como se puede observar en la figura 3, donde los casos de validación
(cuerpo de Ahmed), es un modelo de tipo genérico con una forma muy simple, en el
cual los resultados experimentales son muy precisos, con un ángulo fijo de hasta
12.5° (Sacco, González, & Giuggioloni, 2005). Se coloca este ejemplo por el hecho
de que el estudio busca que los resultados obtenidos en el ordenador coincidan con
los que se han calculado, y de esa manera, validar el procedimiento y parámetros
utilizados para simular un caso puntual que con base a los datos que arroje el estudio,
pueda ser fabricado
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Figura 3
Esquema del cuerpo de Ahmed
Nota. Sacco, González, y Giuggioloni, 2005
Los factores que determinan la resistencia aerodinámica son:
(5)
Dónde:
Velocidad al cuadrado, es proporcional a la resistencia aerodinámica en el cual
se incrementa más deprisa la velocidad.
Superficie Frontal, es el área que ocupa el auto, visto de manera frontal, donde los
coches de gran altura y anchura se dan más oportunidades de hacer fluir el aire
suavemente. (ETSEIB, 2018). Los parámetros para analizar comúnmente en un
ensayo de tipo CFD son:
- Distribución de presiones, donde se observa las partes que tienen mayor
presión ante un flujo determinado.
- Velocidad del aire, donde se permite observas las zonas o secciones que
corresponden a velocidades de aire mayores, así como las menores.
Efectos de modificación
Las modificaciones aerodinámicas en el área automotriz pueden tener diversos
efectos, desde la reducción de la resistencia aerodinámica y la generación de fuerza
descendente hasta el control del flujo de aire y el enfriamiento del motor. Estas
modificaciones se realizan con el objetivo de mejorar el rendimiento, la eficiencia y la
estabilidad del vehículo, a continuación, se describe los efectos que dichas
modificaciones producen en un vehículo
● Consumo alto de combustible
● Velocidad final menor
● Esfuerzo innecesario del motor
● Eficiencia del sistema de enfriamiento menor.
● Disminución de la capacidad de disipación originada por el calor de los frenos.
● Esfuerzos innecesarios originados en la suspensión.
● Desgaste de neumáticos.
● Ruido excesivo del viento.
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Software SolidWorks 2018
Modelado 3D: SolidWorks 2018 permite crear modelos 3D utilizando una
amplia gama de herramientas y funciones. Puedes comenzar creando un nuevo
archivo y seleccionando el tipo de diseño que deseas realizar, como piezas,
ensamblajes o dibujos. Luego, puedes utilizar las herramientas de modelado, como
extrusión, revolución, barrido, entre otras, para crear las formas y geometrías
deseadas. Es una versión donde destaca el análisis y validación de los diseños y el
diseño mecánico, eléctrico y electrónico conectados en el proceso de diseño.
Las dimensiones externas del Chasis tienen un largo de 3615 mm, ancho de
1409mm y una altura de 1102.5 mm, mientras que las dimisiones de los tubos son de
● Tubo Redondo: 50x2.2 mm
● Tubo Redondo: 25.4 x 2.2 mm
● Tubo Redondo: 70 x 2.2 mm
● Angulo: 50 x 40 2.2 mm
● Tubo Estructural Cuadrado: 25.4 x 2.2 mm
Según la ANT (2019), los vehículos livianos, motocicletas y similares, el límite
máximo es de 100 Km/h = 27.77 m/seg. Como se tiene las medidas principales se
procede a modelar el chasis, Iniciando con: Vehículo Tubular Nissan Tiida Un
bosquejo en 3 D del vehículo como se presenta en la figura 4
Figura 4
Bosquejo lineal 3D de la estructura del vehículo a analizar
Nota. Autores, 2019
El siguiente paso es seleccionar el miembro estructural a utilizar tubo cuadrado
25mm x 25mm x 2mm. Finalmente se da el modelado del chasis tubular tipo jaula
biplaza con motor Nissan Tiida figura 5
Figura 5
Diseño 3D tubular de la estructura a ser analizada
Nota. Autores, 2019
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En la tabla 2 se presentan las dimensiones del vehículo que entrara en el proceso
de simulación
Tabla 2
Perfil Aerodinámico de Nissan Tiida
Sección
Medidas
Largo
3615 mm
Ancho
1409mm
Altura
1102.5mm
Nota. Estas dimensiones serán puestas a prueba con una condición de frontera de velocidad 27,77
m/seg. Autores 2019.
Dentro del programa de diseño el cuerpo se encuentra ubicado en las coordenadas
que se presentan en la tabla 3
Tabla 3
Dimensiones computacionales
Coordenada
Ubicación
X min
-2.000m
X max
3.000m
Y min
-1.000m
Y max
2.500m
Z min
-2.000m
Z max
2.000m
Nota. Autores 2019
Las condiciones de simulación bajo las cuales se realizó el análisis tomaron
como opciones de flujo externo, laminar-turbulento, adiabático, con una presión de
101325 Pa a una densidad del aire de 1.225kg/m3, en una temperatura de 270oK y un
modelo tubular K-epsilon
Simulación
El siguiente paso es activar la pestaña denominada Flow Simulation y de ahí
la ventana Wizard, abre una pantalla en la cual se ubican todas las propiedades que
se mencionaron con anterioridad. Luego se ubican las unidades en las que se quiere
trabajar, para después, continuar con la selección del tipo de análisis, el cual, puede
ser interno o externo. Posteriormente se selecciona el tipo de fluido para la simulación
CFD (aire); una vez activado y seleccionado el fluido, se procede a detallar las
características. Finalmente se ubican los datos requeridos como presión,
temperatura, velocidad, intensidad de turbulencia, entre otras.
Una vez definidas todas las características y propiedades que se requieren
para el análisis, se procede a establecer el dominio computacional, como se detalla
en la Figura 6.
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Figura 6
Dominio Computacional
Nota. Autores, 2019
En este paso, se establecen los límites requeridos para finalmente ejecutar el
análisis en la opción Run. Una vez efectuado el análisis del software, se procede a
fijar la trayectoria del fluido, seguido de la localización, temporalidad y condiciones del
lugar donde se ejecutó el proceso investigativo. Es necesario que se declare
adecuadamente la población, muestra, recolección de datos, pruebas y equipos de
medición, junto al análisis estadístico (proceso y software) y las referencias en caso
de que aplique.
Resultados y discusión
De acuerdo a los resultados del análisis del coeficiente aerodinámico
expuestos en la figura 7, se evidencia que para diferenciar las magnitudes, el
programa asigna una escala de colores, para la presión mínima azul y para la máxima
roja, dando los siguientes valores de: Pmin=36276.52 Pa / Pmax=104470.57 Pa.
Figura 7
Simulación aerodinámica / presión
Nota. Autores, 2019
Los resultados de velocidad se observan en la figura 8, al igual que la presión
las velocidades se pueden apreciar mediante el código de colores, partiendo de cero
como mínima en azul, hasta 420.668 m/seg., en color rojo, dando valores de:
Vmin=0 m/seg. Vmax=420.668 m/seg
Recibido: 23 noviembre 2023
Aprobado 26 diciembre 2023
Volumen 2. Número 2. Año 2023, p. 1-18
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Figura 8
Simulación aerodinámica /velocidad
Nota. Los Autores
Análisis: Las temperaturas se dan mediante el código de colores, partiendo
de 103.56 °K en azul, hasta 23.62 °K en color rojo.
Figura 9
Simulación aerodinámica / temperaturas
Nota. Autores, 2019
El cálculo de los coeficientes aerodinámicos, se basaron en los resultados de
las fuerzas en (x, y) del análisis computacional, donde el coeficiente de arrastre Cx
para el prototipo con estructura tubular presentó un 0.588 muy similar a los Cx del
Irizar PB (2000) con 0.55, al camión con deflectores con 0,70 y un autobús con 0,49
(Domínguez, 2018; Aguirre (2009). Llegar a caracterizar el Cx del prototipo estudiado
y observar el comportamiento del aire con la estructura sin incurrir en costos
experimentales como un túnel de viento, es uno de los factores que el análisis CFD
aporta al diseño mecánico de prototipos en la industria actual (Romantchik et al,
2019), además, durante el desarrollo de este análisis las ecuaciones presentadas
generaron algunos datos que no se tenían en cuenta, por ello, dentro del software se
introdujeron los parámetros mínimos mencionados en el apartado de la metodología,
y con base a ellos, el programa mediante el uso de la aplicación solver se
determinaron las variables desconocidas del sistema de ecuaciones como el
desplazamiento, velocidad, temperatura y presión (Jaramillo et al, 2022), para luego,
analizarlas y obtener el valor Cx presentado. Por tanto, se puede decir que el prototipo
puede alcanzar un máximo de velocidad de viento de 420.668 m/seg y que alrededor
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de la estructura se pueda soportar una presión máxima de Pmax=104470.57 Pa.
Figura 10
Análisis de fuerzas presentes
Nota. Resultados de simulación. Autores 2019
Fx = 430.683 N
0.588
Fy = 362.08 N
0.49455
Relación Cx/Cy calculada
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Conclusiones
A través de la realización de este estudio se llegó a las siguientes
conclusiones:
El análisis computacional es una tecnología que se encuentra en crecimiento
y en la mayoría de industrias se ha llegado a utilizarlo para todo tipo de desarrollo de
prototipos y diseños, aporta con recursos que reducen tiempo y costos que un
proyecto de desarrollo normal requeriría, sin embargo se debe tener en cuenta de que
el manejo de los software requieren de conocimiento y de la habilidad de interpretar
los resultados, esto se puede lograr en base a la comparación de datos obtenidos con
los fundamentos teóricos que juegan un papel preponderante en este tipo de trabajos,
ya que, la fundamentación teórica respalda con elementos referenciales sobre valores
a los que se puede llegar con una estructura tubular y mas considerando que es un
prototipo que no posee un valor Cx definido, y que dentro de la teoría como se pudo
observar en la tabla 1 los valores referenciales estuvieron muy cercanos a los valores
de Cx obtenido durante la simulación.
La resistencia aerodinámica disminuye con la velocidad a la que circula un
vehículo, siendo ésta para el análisis de hasta 100 Km/h, sin embargo, al realizar las
simulaciones se puede observar que el Cx de la estructura prototipo se comporta
como la estructura de un bus, esto se debería a que el prototipo al no contar con
superficies amplias, donde, el aire pueda circular sin alteraciones genera este valor
elevado, a pesar de ello, dentro de la simulación las velocidades a las que pueden
estar sometido los flujos de aire ante el chasis son de hasta 420.668 m/seg = 1514
Km/h y soportar este flujo sin generar alteraciones en su estructura.
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Referencias
Alba, R., y Guaguasi, D. (2018). ANÁLISIS AERODINÁMICO DE UN PROTOTIPO DE AUTO
ELÉCTRICO BIPLAZA UTA CIM17. Ambato: Autor - Editor.
Aguirre, Gómez, F., A., (2009). Análisis aerodinamico del vehículo para la competicia ECO-
SHELL. Universidad Politécnica de Valencia.
Bernal, Torres, C., A., (2010). Metodología de la investigación administración, economía,
humanidades y ciencias sociales. PEARSON. 3ra ed. Bogotá, Colombia
Domínguez, C. (11 de abril de 2018). Análisis aerodinámico de un Fórmula 1 mediante
Dinámica de Fluidos Computacionales (CFD). Obtenido de momentogp.com:
https://www.momentogp.com/analisis-aerodinamico-de-un-formula-
1/?fbclid=IwAR0NHu_77PauBUWg0ICIsy_b0Wx5axzLmEYqRQ9xf19OPNVyGRyG5
YwY-2Q
ETSEIB. (2018). Análisis CFD aerodinámico de “Juke Nismo”. Barcelona: Autor - Editor.
Gómez, Martín, Águeda, y García. (2016). Estructuras del Viento. Madrid: Paraninfo. S.A.
Jaramillo, Suárez, H., E.; Jiménez, Cuero, B., Q.; Ortega, Cabrera, I., O.; Ríos, Chaparro, C.,
E. y Zambrano, Romero, G., A., (2022) Evaluación computacional del comportamiento
de carga de una aeronave liviana, usando software libre. Ciencia y Poder Aéreo. 17(2),
36-51 doi: https://doi.org/10.18667/cienciaypoderaereo.749
Martínez. (2017). Análisis por el método de elementos finitos de los anclajes de cinturones de
seguridad en asientos de autobús interprovincial para verificar su resistencia según la
norma NTE INEN 2704 en la empresa MIVILTECH SOLUCIONES INDUSTRIALES S.
A. Ambato: Autor - Editor.
Romantchik, Kriuchkova, E.; Santos, Hernández, A., M.; Ríos, Urbán, E. y Terrazas,
Ahumada, D., (2019). Análisis del flujo de aire de los extractores de invernadero
usando la simulación por CFD. Ingeniería, Investigación y Tecnología. 20(1), 1-14
doi: https://doi.org/10.22201/fi.25940732e.2019.20n1.012
Ruíz, H., & Curicama, Á. (2013). DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TÚNEL DE VIENTO
PARA PRUEBAS AERODINÁMICAS EN VEHÍCULOS PARA LA ESCUELA DE
INGENIERÍA AUTOMOTRIZ. RIOBAMBA: AUTOR - EDITOR.
Sacco, González, & Giuggioloni. (2005). ANÁLISIS DE LA AERODINÁMICA DE UN
AUTOMÓVIL DE COMPETICIÓN. Buenos Aires: Larreteguy.
Uribe. (2008). Diseño de un mecanismo de auto ajuste para spolier trasero de un auto GT.
México D.F.: Autor - Editor.
Vargas Tamayo, L., F. y Contreras, Bravo, L., E., (2007). Enseñanza de la mecánica de
materiales enriquecida con herramientas computacionales. Ingeniería, 12(1), 64-71
http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=498850164010
