Memorias del Congreso ASME USB 2005: IV CONGRESO ANUAL DE INGENIERÍA ASME USB 2005 16-18 de junio, 2005, Caracas - Venezuela

AUSB2005-080207 ANALISIS AERODINAMICO DEL CARENADO DE UNA MOTO PROTOTIPO USANDO TECNICAS EXPERIMENTALES

García N. Profesor Asistente Departamento de Tecnología Industrial Laboratorio de Mecánica de Fluidos Universidad Simón Bolívar 89.000, Caracas, Venezuela e-mail: [email protected]

Arocha H. Profesor Instructor Departamento de Tecnología Industrial Laboratorio de Mecánica de Fluidos Universidad Simón Bolívar 89.000, Caracas, Venezuela e-mail: [email protected]

RESUMEN En este trabajo de investigación se estudia el comportamiento aerodinámico del carenado de una moto prototipo, diseñada y construida en Venezuela1, con materia prima venezolana en un 60%. El objetivo principal es conocer el coeficiente de arrastre (CD), sustentación (CL), momento de cabeceo (CM) y la ubicación del centro de presiones; para optimizar su diseño aerodinámico. El estudio fue realizado en un túnel de viento subsónico con una balanza de tres componentes. El prototipo fue sometido a un estudio de similitud, obteniéndose la escala de 1:7 para los su estudio en el túnel de viento. Se utilizo un suelo artificial para generar el efecto suelo. Se realizaron dos tipos de pruebas: variando la distancia del modelo al suelo, y variando el ángulo de guiñada (YW). Los resultados obtenidos fueron satisfactorios, sin ignorar los efectos producidos por un estudio hecho a escala. Se plantean las propuestas para mejorar el prototipo. OBJETIVOS Las metas planteadas en este trabajo de investigación son las siguientes: • Determinar en comportamiento de los coeficientes aerodinámicos de una moto prototipo con el fin de calcular las fuerzas que actúan sobre ella. • Analizar los efectos del estudio a escala como son: limitaciones del área del túnel, el uso de un suelo artificial fijo y la variación del número de Reynolds. • Estudiar la influencia en el comportamiento aerodinámico de una persona montada en la moto y el ángulo de guiñada Yw, con respecto a la corriente de aire en virajes fuertes. 1

Patente solicitada, autor Prof. Hector Arocha.

Lorenzo J. Tesista de Ingeniería Mecánica Laboratorio de Mecánica de Fluidos Universidad Simón Bolívar 89.000, Caracas, Venezuela e-mail: [email protected]

NOMENCLATURA A = area frontal Am = area del modelo At = área del túnel de viento = Coeficiente de Arrastre CD = Coeficiente de sustentación CL = Coeficiente de Momento CM D = fuerza de arrastre FC = factor de corrección para el área de bloqueo H = Separación de placa-modelo L = fuerza de sustentación Lp = longitud desde el inicio del suelo artificial al modelo longitudinalmente M = momento = densidad del aire ρ V = velocidad del aire = variación de la velocidad puntual con respecto a la promedio. Yw = ángulo de guiñada INTRODUCCION Las fuerzas aerodinámicas de arrastre, sustentación y momento, al igual que en un avión; tienen influencia en el movimiento de un vehículo automotor ya que este enfrenta un flujo de aire que varia de acuerdo a su velocidad. En la actualidad se esta utilizando en el campo automotriz con el fin de mejorar el rendimiento de los vehículos automotores; como por ejemplo las motocicletas de alto rendimiento usadas tanto en carreras como de uso particular. Estas pueden alcanzar velocidades de 200 Km./h (velocidades para las cuales cobran gran importancia los efectos aerodinámicos sobre su comportamiento dinámico). Las grandes competencias de

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carrera automovilística como la Formula 1, buscan en sus diseños disminuir el arrastre (D) y obtener una sustentación negativa (downforce) que mejore la tracción de las ruedas [1]. En el caso de las motocicletas no se aplica la ganancia de fuerza de sustentación negativa, pero si la reducción de D. Las formas estilizadas ya no solo están presentes en estas grandes competencias sino que se pueden observar a diario en las calles. Inclusive se buscan como forma de mejorar la apariencia de los automóviles y motocicletas. La inquietud por desarrollar una moto nacional que contara con los insumos para su construcción en Venezuela, con el fin de en un futuro crear una industria nacional que la manufacture, fue la motivación de la construcción del prototipo en estudio. El prototipo (ver Fig. 1) cuenta con un motor 4 tiempos de 1104 cc basado en el de una motocicleta Kawasaki© KZK-1000, el cual fue modificado en un 40%. Los materiales con los cuales la motocicleta fue elaborada fueron: • Aluminio 6063-T5 para el cuadro tubular (nacional). • Acero 1045 para los discos, bastidor y la punta de eje, además de aceros 4340, 4140 y 1020. • Fibra de vidrio para el carenado de la moto y fibra de vidrio Isoftalica para el tanque de combustible. • Los amortiguadores son convencionales de motocicleta. Los materiales y piezas utilizados en la manufactura de la moto son 60% nacionales y 40% importados.

CM =

(3) M 1 2 ρV A * L 2

En la figura 2 se muestra las fuerzas de arrastre (D), sustentación (L ) y momento (M) que actúan sobre el prototipo.

Figura 2. Fuerzas actuando sobre el prototipo. Túnel de viento El túnel de viento utilizado para los estudios es un túnel de ciclo abierto subsónico, con máximas velocidades entre los 30 y 35 m/seg., con una sección de pruebas de longitud de 120 cm y un área transversal de 45x45 cm. Posee una balanza de tres componentes que permite la medición de fuerzas en dirección vertical y horizontal (sustentación y arrastre), además del torque (momento) en el plano de simetría longitudinal del modelo. Se realizó un estudio de variación de la velocidad con respecto a la velocidad promedio en la sección de pruebas. Como se observa en la Fig. 3, la diferencia de velocidad no es mayor al 0.25%. Este porcentaje es debido tanto a la geometría del túnel como a la capa limite que se forma en la superficie de sus paredes. Sin embargo, en la sección de trabajo del modelo el comportamiento es estable [2].

Figura 1. Moto prototipo. METODOLOGIA EXPERIMENTAL El estudio aerodinámico fue realizado en un Túnel de Viento de ciclo abierto, para el cual se realizo un análisis de similitud con el fin de obtener las dimensiones del modelo a estudiar. El proyecto comprendió desde el desarrollo del montaje experimental hasta la obtención de curvas características. Se cuantificaron los valores de los coeficientes de arrastre (Cd), sustentación (Cl) y momento (Cm); definiéndose como: (1) D CD =

1 ρV 2 A 2 L CL = 1 ρV 2 A 2

(2)

Figura 3. Distribución de velocidades en el túnel de viento. Estudio de similitud El estudio de similitud consta de la Similitud Geométrica y Similitud Dinámica. La similitud geométrica es la relacionada con la semejanza geométrica que debe existir entre el modelo y el prototipo. En el caso de la similitud dinámica, esta debe garantizar que la relación de las fuerzas que actúan sobre el modelo sean proporcionales a las del prototipo. Debido a las características del flujo de aire (densidad, viscosidad cinemática) y los rangos de velocidad en los cuales se trabaja en este tipo de ensayos, lo adecuado sería realizar el estudio de similitud dinámica haciendo uso del Número de Reynolds. Ya que con respecto a este, el coeficiente de arrastre tiende a tener poca variación, siendo en algunos casos independiente del Número de Reynolds a partir de aproximadamente Re=103 hasta Re=105[3]. Para el caso en

2

estudio el Re del modelo esta entre 103 y 104 mientras que en el prototipo esta alrededor de 105. Otro factor influyente en este tipo de ensayos es el bloqueo del flujo debido a las paredes del túnel, acarreando errores en los resultados. Para reducir el efecto de bloqueo de las paredes, el modelo debe ser lo más pequeño posible. Sin embargo, esto traería otras consecuencias, como alejarse aún más del número de Reynolds real y obtener un modelo con menos detalle. Por lo que se crea un compromiso entre el nivel de exactitud del modelo y las facilidades que preste el túnel de viento. Por esta razón, para obtener buenos resultados se recomienda que la relación entre el área frontal del modelo y el área transversal de la sección de pruebas del túnel de viento no exceda el 7,5% [4]. Para cumplir este requerimiento, se seleccionó un factor de escala de 7 entre el prototipo y el modelo, con lo que se logra una relación de áreas modelo-túnel de 5.36%. Para dicha escala el modelo posee una longitud de 280 mm y una altura de 174 mm, con un área frontal de aproximadamente 0.0083 m2. El Efecto de Bloqueo sobrestima los valores de los coeficientes aerodinámicos, y para ello existe el siguiente factor de corrección (FC), que relaciona el área del modelo (Am) y la sección transversal del túnel de viento (At) [4]. ⎡ ⎢ 1 FC = ⎢ 2 ⎢⎛ 1 Am ⎞ ⎢ ⎜1 + * ⎟ 4 At ⎠ ⎢⎣ ⎝

⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥⎦

(4)

El factor de corrección aplicado fue de 0.95. Montaje experimental Modelo. El túnel de viento utilizado esta diseñado para estudiar perfiles de alas y no otro tipo de modelos. Por lo tanto, fue necesario realizar el diseño del modelo con un agarre a la balanza similar al de un perfil de ala (Fig.4). El objetivo primordial del modelo es que tuviese la mayor precisión geométrica posible, sobretodo en el área frontal, ya que esta es la que enfrenta el flujo de aire directamente. La construcción fue realizada de diversos materiales: madera balsa, yeso, masilla plástica, cobre, entre otros.

aspiración de capa límite y el de banda de rodamiento, con un desempeño aceptable si se estudia en efecto de la capa límite. Además cumplió con las siguientes características: dimensiones de ancho y largo suficientes para que el efecto en sus bordes no afectara el flujo alrededor del modelo, adaptación de altura, totalmente plano, fácil de adaptar al túnel de viento acabado liso (para que la capa limite fuera lo mas delgada posible) y un comportamiento estable frente al flujo de aire. Las medidas del suelo artificial son: longitud 600 mm, ancho 270 mm y altura 152 mm. En la Fig. 4 se puede observar el montaje final en la sección de pruebas del túnel de viento [5]. PRUEBAS REALIZADAS AL MODELO El estudio realizado a la moto comprendió las siguientes experiencias: • Pruebas donde se varía la distancia del suelo artificial a las ruedas del modelo sin modelo humano (Fig. 4 y 5). • Prueba realizada con modelo humano (Fig. 8). • Prueba con ángulo Yw a 5°, 10° y 15º (Fig. 6 ). La separación del modelo al suelo artificial a tres diferentes alturas (H= 1, 2, 3 mm) se realiza con el fin de determinar el efecto que produce la capa límite en la medición de las variables a estudiar y por ende conocer el error que esta puede inducir [6], sabiendo además que se imposible pegar el modelo al suelo ya que se perdería la medición en la balanza. El estudio del ángulo Yw permite estudiar el comportamiento en los virajes de la motocicleta y su influencia en los coeficientes aerodinámicos. Cada una de las pruebas se realizo para cuatro velocidades diferentes: 20, 24, 28, y 30 m/s, las cuales brindan un rango de la velocidad desarrollada por la moto en estudio bastante amplio. Para cada velocidad se realizaron cinco mediciones en la balanza con el fin de contar con un número suficiente de datos para el estudio de los errores experimentales.

Soporte Modelo-Balanza

Figura 5. Separación de suelo-modelo H y distancia desde el borde de la placa al modelo Lp.

Suelo Artificial

Figura 4. Montaje del modelo en el túnel de viento. Suelo artificial. El uso del suelo artificial es necesario para recrear las condiciones reales del estudio. Para la simulación del suelo se utilizo un suelo artificial de tipo placa plana, este es de construcción sencilla comparado con los suelos con

Figura 6. Angulo de guiñada (Yw).

3

Fuerza de sustentacion vs velocidad del prototipo (b)

Cl vs Reynolds (a) Fuerza de sustentacion Nw

Coeficiente de sustentacion

2,00 1,00 0,00 -1,00 -2,00 6,0E+03

300 200 100 0

-100 -200

8,0E+03

1,0E+04

18

20

Reynolds

Cd vs Reynolds (c)

0.50

30

32

8.E+03

1.E+04

400 300 200 100 18

20

Reynolds

22

24

26

28

30

32

Velocidad

Cm vs Reynolds (e)

Momento vs velocidad del prototipo (f)

1.30

300 Momento

Coeficiente de momento

28

500

1.00

0.30

-0.70

-1.70 6.E+03

26

Fuerza de arrastre vs velocidad del prototipo (d)

1.50

6.E+03

24

Velocidad

Fuerza de arrastre

Coeficiente de arrastre

2.00

22

150 0 -150

(E)

8.E+03

-300

1.E+04

18

Reynolds

20

22

24

26

28

Velocidad

Figura 7. Graficas de coeficientes y fuerzas aerodinámicas de moto prototipo.

4

30

32

Figura 8. Montaje del modelo humano a la misma escala. RESULTADOS La Fig. 7 muestra los resultados de los coeficientes aerodinámicos vs. número de Reynolds y las fuerzas aerodinámicas vs. velocidad que se obtuvieron con el modelo a escala 1:7 y se escalaron para cuantificar sus valores en el prototipo. Los errores obtenidos en el estudio experimental son cuantificados utilizando dos métodos: Propagación de errores y Desviación Estándar. La propagación de errores refleja el error producido por la precisión de los instrumentos utilizados durante la obtención de los datos, y se calcula utilizando el Método Estándar de Propagación de Errores. Por otro lado, la desviación estándar muestra la dispersión obtenida en cada prueba, puntualizado para cada toma de datos en los diferentes Números de Reynolds. Como error de dispersión se define una vez la desviación estándar que corresponde un nivel de confianza del 91%[7]. De esta forma se obtiene que el error máximo en los valores es de: CD=±0,11 CL=±0,24 y CM=±0,10.

de Reynolds aunque no de manera pronunciada [8]. El valor máximo de arrastre que sufre la moto a su mayor velocidad llega hasta 400 Nw aproximadamente (40 Kgf). El coeficiente de momento se mantiene prácticamente constante independientemente del aumento del numero de Reynolds y de la distancia H (Fig. 7e). Los valores de CM además indican que el centro de gravedad se encuentra desplazado del centro de gravedad de la moto, originando un torque de 160 New x m en promedio. Los resultados obtenidos con el modelo humano si bien no son característicos para el estudio de la moto tienen tendencias similares en cuanto al arrastre y al momento. En el caso del CD el aumento de este es mas rápido con el modelo humano (Fig. 7c), aunque luego decae. El aumento del flujo de aire aumentó la turbulencia y por ende los valores se pudieron ver afectados, aunado a esto la vibración producida por el modelo humano. El coeficiente de sustentación se comporta diferente al resto siendo este mucho menor al calculado para las otras pruebas. En la Fig. 9 se muestra el comportamiento que tiene el CD respecto al ángulo de guiñada (Yw). El orden descendente a medida que aumenta el ángulo esta relacionado con el aumento del área en contacto con el flujo de aire y al arrastre. Si bien se podría considerar un arrastre mayor (mayor área frontal de 5 a 15 % mayor para ambos Yw), la fuerza no vario en gran medida con respecto a la medición a 0 grados. Esto puede ser motivado a que la moto no es un cuerpo totalmente macizo, permitiendo que el aire pueda circular entre ella, caso contrario al de un vehículo. CD vs Yw 1,4

Tabla 1. Valores de espesor de capa limite. Reynolds Espesor 2.5 mm

8.33E3

1.5 mm

9.71E3

0.2 mm

1.04E4

0.1 mm

Los valores de la tabla 1 muestran los espesores de la capa límite para las velocidades de prueba. Se puede observar que para las dos primeras velocidades los cauchos de la moto se encuentra dentro de la capa limite, sin embargo en las dos ultimas velocidades y para la H= 3, la moto se aleja de ella. Esto afecta la medición de los datos y en consecuencia los valores de los coeficientes obtenidos Se observa que el coeficiente de sustentación Cl para la H=1 (Fig. 7.a) es prácticamente plana, lo que no ocurre con las otras dos alturas, en las cuales el coeficiente tiende a aumentar aunque de manera poco pronunciada. El motivo de este comportamiento puede ser producido debido a los efectos viscosos en la moto; situación que se pudo observar debido a la vibración del modelo durante la adquisición de datos. La fuerza de sustentación mayor es de aproximadamente 200 Nw (25 Kgf). Por otra parte, el coeficiente de arrastre Cd (Fig. 7c), muestra un comportamiento para las diferentes alturas semejante. La tendencia de CD es ha aumentar a medida que crece el numero

1 CD

6.94E3

1,2

0,8 0,6 0,4 0

4

8

12

Yw

Figura 9. Grafica de CD vs. Angulo de Yw. CONCLUSIONES El estudio experimental permitió conocer las características aerodinámicas de la moto prototipo a través del análisis de similitud. La separación del suelo de la moto-modelo 1:7, no presento grandes variaciones en el comportamiento de los coeficientes. Para una H = 3 y velocidades superiores a los 28 m/s los efectos producto de la salida del modelo, del contacto con la capa limite deben ser considerados. La razón de ello puede estar en que el área que se mantiene muy cercana al suelo es pequeña y por ende la influencia de este sobre el comportamiento aerodinámico de la moto no es apreciable.

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La sustentación de la moto es mayor en comparación con la de un automóvil. Por ejemplo, el CL de un auto tipo sedan es de 0.3 [3] mientras que el obtenido en la moto es 1. En cuanto el arrastre, se comprobó que la influencia del numero de Reynolds es poca a partir del rango estudiado (Re>6x103 a 1.5x104). El momento presentado por el modelo, indica que el centro de gravedad del prototipo no esta ubicado en el centro de presiones, lo cual afecta el desempeño de esta; tendiendo a levantar la nariz a altas velocidades. Por lo tanto es necesario trasladar lo más cerca posible el centro de presiones al centro de gravedad, o determinar este último con mayor precisión. La asimetría de la moto indica que el CD para diferentes Yw debe variar. Sin embargo, y a falta de un estudio mayor, la influencia que puede tener el cambio respectivo de área es muy apreciable. REFERENCIAS [1] Potter, Merle C. y D.C. Wiggert, 1997, “Mecánica de Fluidos”.Prentice Hall, México. Segunda Edición. pp 243244. [2] Atramiz, E., Tesis de Grado de Ingeniería Mecánica, 2004, “Estudio experimental de la aerodinámica de un carro tipo fórmula”. Universidad Simón Bolívar. [3] Munson, Young. 1998, “Fundamentals of Mechanics”. Jhon Wiley, E.E.U.U., pp 610-714.

Fluid

[4] Katz, Joseph, 1995, “Race Car Aerodynamics: Designing for speed”. Robert Bentley Automotive Publishers, E.E.U.U., pp 73-74, 81-84 . [5] Atramiz E., García N., Díaz S., 2004, “Estudio Experimental de la Aerodinámica de un Carro Tipo Fórmula”. Memorias del CONIM, pp 157-162. [6] Melo M., Díaz S., Moreno N., García N., Bastardo R., 2004,“Estudio del Efecto Suelo de un Vehículo Tipo Formula a través del uso de la DFC”. Memorias del CIMENICS, pp MF-77 al MF-84. [7] Hall, Carl W. 1977, “Errors in Experimentation”. Matrix Publishers, E.E.U.U., pp 25- 34 . [8] Boschetti P., Cardenas E., García N., 2004,“Experimental Aerodynamic Study of UAV Wind Túnel Model for Low Reynolds Number”. Proceeding of 22nd Applied Aerodynamics Conference,AIAA2004-4969.

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