Aerodinámica externa en vehículos terrestres

Análisis y estudios previos a la experimentación con prototipos, con el fin de asegurar que cada vehículo cumpla con los requisitos que garantizan los mejores resultados de eficiencia energética, emisiones y dinámica.


Timeline

2017-2022

Sector

Automoción y ferroviario

Scope

Análisis y optimización de la aerodinámica en automoción y ferrocarriles
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RESUMEN

Todos los vehículos terrestres están sometidos a la acción del aire, lo que repercute directamente en su funcionamiento, tanto por oponerse al desplazamiento (resistencia aerodinámica) como por otras cargas aerodinámicas (viento cruzado, downforce, etc.). Esto da lugar a diferentes particularidades que afectan a la correcta operación de los nuevos diseños.

Para minimizar las circunstancias adversas y potenciar las favorables es preciso una metodología de análisis y un nivel avanzado de modelización matemática con un alto grado de detalle para poder ofrecer resultados óptimos. SOLUTE realiza estos análisis, asegurando un comportamiento aerodinámico eficiente enfocado a las necesidades que se requieran.

Tanto la industria automovilística como la ferroviaria diseñan y desarrollan continuamente nuevos vehículos que ofrezcan una mayor competitividad, para lo que buscan mejorar su rendimiento aerodinámico, que influye directamente en coste de operación. Los vehículos más eficientes aerodinámicamente suponen un menor consumo de combustible o electricidad, reduciendo los gastos asociados.

Otras características aerodinámicas a tener en cuenta son el ruido y la fuerza vertical. El primero es de especial relevancia para el confort de los ocupantes y la segunda cobra especial importancia en vehículos que deben operar a altas velocidades, como coches deportivos o trenes de alta velocidad.

Uno de los aspectos clave en este proceso de desarrollo es la interacción del vehículo en movimiento con el aire que lo rodea. Desde SOLUTE se realizan una serie de análisis y estudios previos a la experimentación con prototipos, con el fin de asegurar que cada vehículo cumpla con los requisitos que garantizan los mejores resultados de eficiencia energética, emisiones y dinámica.


RESULTADOS 

Las tareas de simulación y el análisis de sus resultados permiten adoptar, de una manera muy dinámica, alternativas de diseño o concepto frente a resultados insatisfactorios, así como la optimización de geometrías. De esta forma, se aportan análisis de gran valor añadido sobre el comportamiento aerodinámico del vehículo, enfocándose en magnitudes de interés, como la resistencia aerodinámica, acompañado de un análisis detallado de los resultados que incluye otros parámetros (distribución de velocidades o esfuerzos en el modelo).

EXPERIENCIA

SOLUTE cuenta con varios años de experiencia, desde 2017, trabajando en el desarrollo de nuevos modelos de coche, donde su participación ha sido fundamental para la consecución de los objetivos de eficiencia aerodinámica establecidos por los fabricantes.

Asimismo, ha contribuido al análisis y diseño de otros transportes terrestres, principalmente autobuses. Se ha optimizado las formas de componentes claves, como retrovisores, difusores y difusores bajopiso.

La misma metodología es fácilmente aplicable a otras áreas, como ferrocarriles o aviación.

Para llevar a cabo estos cálculos se emplean códigos comerciales (ANSYS, ALTAIR) y códigos de uso libre (OpenFOAM) sobre los que, aun con diferencias por su origen, prevalecen las normas de buena práctica en modelado, los criterios de analistas expertos y la base de una amplia experiencia.

METODOLOGÍA

El análisis se realiza mediante herramientas CFD (Dinámica de Fluidos Computacional) empleando el Método de los Volúmenes Finitos (FVM) o el Método de Elementos Finitos (FEM), según el solver elegido. Para llevar a cabo estos cálculos se emplean códigos comerciales (ANSYS, ALTAIR) y códigos de uso libre (OpenFOAM) sobre los que, aun con diferencias por su origen, prevalecen las normas de buena práctica en modelado, los criterios de analistas expertos y la base de una amplia experiencia.

Se deben crear modelos basados en la geometría objeto de análisis y en el caso de estudio para simplificar y discretizar el modelo que permita conseguir un compromiso entre precisión de los resultados y carga computacional. En la mayoría de las situaciones se recurrirá a simulaciones estacionarias RANS (Raynolds-Averaged Navier Stokes) o su variable transitoria URANS (Unsteady RANS), y eventualmente también puede ser necesario recurrir a las más costosas, aunque precisas, LES (Large Eddy Simulation). La amplia experiencia demostrada en el sector facilita la idónea selección del modelo de cierre turbulento, entre los que destacan k-ω, k-ε y sus variantes.

A partir de un escenario que contemple todas las físicas y todos los condicionantes propios del análisis a tratar, es posible calcular y determinar los aspectos deseados del modelo, como la resistencia aerodinámica, el caudal de aire que atraviesa una región específica, las distribuciones de presiones o velocidades, o las fuerzas generadas sobre el vehículo. Además de un resultado cuantitativo, las herramientas utilizadas también permiten evaluar el comportamiento cualitativo de los sistemas evaluados, detectando las zonas que provocan comportamientos indeseados y las regiones que tienen potencial de mejora.

Para ello, es fundamental contar con las habilidades y el conocimiento de ingenieros expertos en la materia, gracias a los cuales es posible ofrecer una valoración de los resultados junto con propuestas de mejora sobre el diseño estudiado.

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