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Análisis CFD: Brida de admisión de un coche de la Fórmula SAE

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Muchas universidades de todo el mundo se han incorporado a la competición automovilística en los últimos años a través de certámenes como la Fórmula SAE o la Fórmula Student, e incluso en motociclismo con la Moto Student. En ambos casos, el objetivo de las universidades y a la vez de la organización de dichas competiciones es proporcionar a los integrantes de los equipos una formación y conocimientos técnicos de primer nivel, que las propias universidades, por diversos motivos, no pueden aportar a la formación de sus alumnos. Dichos conocimientos, en definitiva, son adquiridos por los propios alumnos, los cuales son los encargados de gestionar un equipo ‘real’ de competición, aprendiendo todo lo necesario para ello, así como aprender a relacionarse con todos los alumnos que forman parte del equipo.

Por esta razón, cada equipo participante, dispone de sus propios departamentos encargados de, no sólo diseñar y fabricar el vehículo de competición, sino también de conseguir los fondos económicos para ello, pues la universidad sólo les puede aportar lugar físico y poco más. Magnifica iniciativa que como decía antes, cada vez más y más universidades quieren participar, con todos los beneficios que ello supone para los alumnos interesados.

Pero la falta de formación y conocimientos técnicos es un punto muy importante a tratar. De ahí que desde SoyMotor.com queramos resolver muchas dudas periódicamente, para que sea punto ineludible de consulta para cualquier equipo universitario que esté interesado en participar, y una vez inscrito, quiera diseñar o mejorar su vehículo.

En este primer artículo, vamos a tratar el tema de la Brida de Admisión del motor, que por normativa técnica están obligados a diseñar e implantar en su vehículo.

 

BRIDA O RESTRICTOR:

La organización, para asegurarse la misma potencia de motor para todos los equipos o lo que es lo mismo, para asegurarse una potencia máxima, obliga a todos a colocar una tubería de admisión de aire del motor con un diámetro determinado. Esto también ocurre en muchas categorías de competición, tales como el universo de los GT, sin ir más lejos.

Ello significa que cada equipo ha de diseñar y colocar en su vehículo un tramo de tubería con ese diámetro máximo; pero lo que haya delante y detrás de ese “diámetro”, cada equipo lo diseña en función de sus conocimientos y habilidades, también de construcción, no sólo de diseño.

Podemos apreciar este tipo de bridas o restrictores en otros coches ‘normales’, como el Mitsubishi Evo:

brida-admision-fsae-5-f1-soymotor.jpg

 

O el Ferrari 575 GTC GT1:

brida-admision-fsae-7-f1-soymotor.jpg

 

¿Cómo diseñar lo que va delante y detrás del diámetro máximo?

El objetivo es triple:

  • El caudal de aire que llegue al motor ha de ser el máximo posible.
  • Las pérdidas de carga, por tanto, han de ser las menores posibles.
  • La presión justo en la salida de la brida ha de ser la máxima posible.

Estas son las tres premisas que toda brida, ha de cumplir y a lo que los equipos deben enfocar sus análisis y estudios.

En el caso que nos lleva este artículo, vamos a analizar una brida de un Audi 1600. Dicha brida está inmersa en un sistema de admisión:

brida-admision-fsae-92-f1-soymotor.jpg

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Para poder hacer un estudio CFD-Aerodinámico es necesario que seamos capaces de ‘limpiar’ la geometría para quedarnos sólo con la parte que nos interesa, que, en este caso, es la parte interior (señalada con flechas rojas):

brida-admision-fsae-9-f1-soymotor.jpg

brida-admision-fsae-8-f1-soymotor.jpg

 

Ahora sí estamos en condiciones de analizar el flujo transitorio por la brida de admisión.

¿Cómo funciona una brida?

El principio es muy simple y eficiente:

Al tener un diámetro interior impuesto por la organización, diámetro estudiado y no aleatorio, el aire empieza a entrar por la brida, y a medida que el vehículo tiene más y más velocidad, entra más y más aire. Pero llega un momento en el que el aire ya no se puede comprimir más. A partir de ese punto, ya no entra más aire. Este caudal final se denomina caudal máximo másico de aire y la barrera que se forma justo en el diámetro o zona mencionada se denomina tapón sónico o tapón viscoso.

Para que una brida funcione como tal ha de producirse este tapón viscoso y es lo que los equipos de las universidades han de perseguir, esto es: en la parte del diámetro impuesto, el aire ha de circular a la velocidad del sonido.

 

CONDICIONES DE LA SIMULACIÓN CFD:

La simulación CFD, ha de cumplir una serie de condicionantes que imperiosamente, han de hacerse realidad:

  • Tamaño de malla sobre las superficies, cuanto más pequeña mejor (menos de 1 mm).
  • Igualmente para la malla volumétrica.
  • La capa límite es extremadamente importante. Ha de tener como mínimo 10 capas, en una altura máxima de capa límite, correspondiente a un Y+ de 5.
  • Todos estos valores anteriormente citados, han de ser calculados teniendo en cuenta que la velocidad máxima del flujo de aire por la brida, es la velocidad del sonido, nada más y nada menos.
  • En cuanto al tiempo de simulación, basta con 2 segundos de tiempo total a simular, para que el flujo se estabilice totalmente.
  • Los valores a calcular, son los mencionados ya: caudal de salida y presión de salida.
  • Por último, decir que esta simulación no se realiza tradicionalmente imponiendo una velocidad de entrada; el aire ha de circular por la diferencia de presión entre entrada y salida de la brida. Esta diferencia de presión, no es mayor de 15.000 pascales.

Vamos a representar las velocidades en el interior de la brida, a medida que va pasando el tiempo, desde cero segundos, hasta llegar a los dos segundos de tiempo de cálculo:

En esta primera fase de la simulación, es como si el aire entrara por el conducto, sin estar en absoluto estabilizado (rojo es mucha velocidad y azul poca velocidad):

brida-admision-fsae-93-f1-soymotor.jpg
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      Podemos apreciar una cierta y ligera estabilización, pero todavía insuficiente:

brida-admision-fsae-93-f1-soymotor.jpg
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      La velocidad va mejorando:

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Hasta que pasado un segundo aproximadamente, la simulación se estabiliza:

brida-admision-fsae-93-f1-soymotor.jpg
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Podemos apreciar perfectamente, que en la parte central, se produce el llamado antes, tapón sónico, necesario para que la brida actúe como tal.

En cuanto a la pérdida de carga, y por tanto, un caudal menor de aire que llega al motor, las zonas azules (marcadas en verde) que se encuentran en las paredes, indican que, en dichas zonas, la velocidad es muy reducida, lo cual hace que el caudal de aire circule a alta velocidad sólo por la parte central; es como si la tubería se redujese de diámetro, cosa que no queremos en absoluto. Por tanto, hay que estudiar y variar las zonas marcadas en rojo:

brida-admision-fsae-93-f1-soymotor.jpg
brida-admision-fsae-6-f1-soymotor.jpg

 

CONCLUSIONES:

Hay que conseguir:

  • Que el caudal de aire que llegue al motor sea el máximo posible.
  • Que las pérdidas de carga sean las menores posibles.
  • Que la presión justo en la salida de la brida sea la máxima posible.

Para ello, hay que “retocar” y modificar las paredes de la brida, para que no existan –o o al menos reducir lo máximo posible– las zonas azules de baja velocidad sobre las paredes de la brida.

Es una tarea de prueba y error: se analiza un diseño, se localizan los “posibles” errores y se modifican, volviéndose a simular y analizar.

Tampoco hay que perder de vista que la brida no es una pieza suelta o aislada: va insertada en un conjunto que es el vehículo; por ello, una vez diseñada totalmente de forma aislada, es necesario introducirla en el vehículo y ver su aptitud ya colocada donde ha de estar finalmente. No sería extraño, en este caso, tener que volver a modificarla una vez insertada en el modelo completo.

La brida o en general sistema de admisión, es algo muy importante a tener en cuenta en todo vehículo, y volveremos sobre ello, en próximos artículos.

 

SOBRE LOS AUTORES

Timoteo Briet Blanes:

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Licenciado en Matemáticas y profesor en Ingeniería Industrial. Especialista en Aerodinámica, Simulación CFD, análisis Aero Post Rig. Ha dado clases en Másters de Ingeniería de Competición (Ismans, Le Mans, Mastac, Sun Red Team (Star CCM+), MIC, Campos Racing, Universidad de Nebrija (Star CCM+) y ha trabajado en el diseño de múltiples vehículos de competición y más (Tata Motors, bus Xerus, Aprilia, 125 cc, Pikes Peak Enviate Team USA, STC2000, Peugeot Argentina, Beta Epsilon (Vans con CFD - Fluent), Formula SAE en muchas universidades (Open Foam y más), Johnson Matthey (ESP y TDYN). También organiza conferencias y cursos presenciales y Online sobre aerodinámica, CFD y análisis Aero Post Rig ( https://lnkd.in/e3NpXEk ). Ha escrito más de 25 libros (Amazon) sobre estas temáticas y generado aplicaciones de software. Ahora está abierto a nuevos retos profesionales en cualquier parte del mundo.

 

Ignacio Suarez Marcelo:

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Recibió su Máster en Ingeniería y Doctorado en Ingeniería Electrónica en la Universidad de Extremadura en 2002 y 2011 respectivamente. Forma parte del equipo de investigación en Ingeniería Electrónica, Electrónica y Departamento de Automoción de la Universidad de Extremadura. Tiene una amplia experiencia en vehículos autónomos y sistemas incorporados, desarrollando sistemas para recabar datos en test aerodinámicos, módulos de control y paneles de instrumento para coches deportivos. En base a su colaboración con equipos de competición e ingenieros, ha desarrollado una plataforma de simulación virtual de siete puntos para el análisis del vehículo y del rendimiento de su manejo. Sus principales puntos de investigación son la optimización de la suspensión pasiva de los vehículos para mejorar la adherencia, manejo, análisis de aerodinámica inestable en coches de carreras de alto rendimiento y su efecto en las dinámicas verticales del vehículo, vehículos autónomos, sensores inteligentes y sistemas incrustados.

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7 comentarios
Imagen de DavidMontecino
Sé que se trata de un artículo de divulgación hacia un público general, pero cuando se habla de las condiciones de la simulación me parece interesante que se incluyan, sobre todo el time-step al ser un transitorio, y quizás nombrar el modelo de turbulencia empleado. Por último, aclarar que cuando se habla del y+, es la primera celda la que tiene que tener el valor máximo de 5 y no la última. Un saludo, y espero seguir leyendo artículos técnicos en el futuro!!!
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Imagen de Aguila
Sin tener ninguna preparación en mecánica de de fluidos, y sin saber como está compuesto el interior del tubo, supongo que se podría acelerar el paso por el hueco disponible con unas estrías helicoidáles como las de el cañón de un arma de fuego, lo cual supongo es obvio para los ingenieros encargados del diseño
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Imagen de AlexBolchevique
Buen trabajo chicos!!!! Da gusto leer artículos así!
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Imagen de timoteo
[#1 Monika] Un placer siempre siempre.
Buen trabajo otra vez chicos. Aunque a mí esto ya se me complica, me ha parecido muy interesante, para leer y aprender. Muchas Gracias por el trabajo.
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Imagen de timoteo
[#2 F1Engineer] Genial idea. Veremos como hacerlo pues hay que redibujar. Un abrazo enorme.
¡De nuevo un análisis muy interesante! A pesar de que mis conocimientos de mecánica de fluidos son limitados me parece bastante sencillo de entender y se agradece. Por cierto, si alguna vez andáis buscando ideas, ¿sería posible hacer una comparación entre el efecto aerodinámico de las dos filosofías de morro (tipo aguja de Mercedes y McLaren o más ancho como Ferrari)? Un saludo.
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Imagen de F1Engineer
¡De nuevo un análisis muy interesante! A pesar de que mis conocimientos de mecánica de fluidos son limitados me parece bastante sencillo de entender y se agradece. Por cierto, si alguna vez andáis buscando ideas, ¿sería posible hacer una comparación entre el efecto aerodinámico de las dos filosofías de morro (tipo aguja de Mercedes y McLaren o más ancho como Ferrari)? Un saludo.
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Imagen de Monika
Buen trabajo otra vez chicos. Aunque a mí esto ya se me complica, me ha parecido muy interesante, para leer y aprender. Muchas Gracias por el trabajo.
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