UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
Métodos Computacionais em Engenharía
Térmica e Ambiental EM - 974
Alunos
:
Alessandro H. Nakamura
023004
Edmundo Javier P. Markens
108031
Professor :
Eugênio Spanó Rosa
Data
30 de junho de 2010
:
Introdução ao Trabalho
- O combustível chega a representar cerca de 25% no total de despesas por veículo para
os frotistas e, por esse motivo, a busca por soluções de redução de consumo de
combustível tem sido uma constante para qualquer empresa de transporte no mundo.
- O desafio está em reduzir o consumo de combustível sem afetar o desempenho do
veículo. Essa constatação está fazendo com que o uso de defletores tipo sopiler cresça a
cada dia entre as empresas de transportes de cargas, visando reduzir o consumo e
melhorar o desempenho.
Objectivos do Trabalho
- O principal objetivo do estudo é determinar a diminiução do consumo de combustivel
desse caminhão analisando a diminuição da força de arrasto de um caminhão
transportador de container pela utilização de diferentes spoilers superiores.
Revisão de Literatura
Consumo de Combustível
- A importância relativa do design aerodinâmico para
reduzir o consumo de combustível de um caminhão
pode ser visto de uma vista geral de vários fatores
involvendo consumo de combustível.
- Como a figura mostra, 15% do combustível é usado
para compensar o atrito no motor, caixa de marchas e
barra de direção. 45% do combustível é utilizado para
superar a resistência de rolamento. O arrasto é
responsável por 40% do consumo de combustível.
velocidade do veículo vs. arrasto
Revisão de Literatura
Aerodinâmica e Arrasto
- A fonte do arrasto pelo atrito de superfície é o contato entre o fluxo de ar e o corpo em
questão. Por causa da viscosidade do ar, uma camada de ar ao redor do veículo, conhecida
como camada limite, é arrastada junto com ele criando forças de cisalhamento. A soma
dessas forças por toda a superfície produzem o arrasto na superfície pelo atrito, com os
lados e o topo fazendo as maiores contribuições. Deve-se notar que este arrasto aumenta
com o aumento do comprimento do veículo. Para manter este arrasto pequeno, as
superfícies devem ser lisas.
- A correlação entre arrasto por pressão
e pelo atrito para diferentes tipos de
veículos é ilustrada. É mostrado que o
arrasto pela pressão é a componente
principal no caso de veículos pesados.
arrasto por pressão vs. arrasto por atrito
Revisão de Literatura
Aerodinâmica e Arrasto
- O arrasto “D” pode ser representado pela seguinte fórmula:
Uo ²
D  Cd *  * S *
2
- O arrasto de um veículo é determinado pela extensão substancial de seu formato. Para
expressar a qualidade da aerodinâmica do design de um veículo com um só número,
usamos o que é chamado de “coeficiente de arrasto” Cd, o que é determinada como se
segue;
Cd 
D
U²
 *S *
2
- Onde (Cd) é o coeficiente de arrasto, “rho” (ρ) é a densidade do ar, (Uo) é a velocidade do
caminhão e (S) a área frontal. O arrasto é, então, determinado pelo formato aerodinâmico
expressado em termos de (Cd), a pressão do vento (ρ x ½Uo2) e o tamanho do veículo (S).
Revisão de Literatura
Aerodinâmica e Arrasto
- Como o Cd é sempre relacionado com a área frontal S, o
produto Cd x S (conhecido como área de arrasto) é crítico
para o arrasto e sua contribuição para o consumo de
combustível. Logo, um veículo com alto Cd e pequena área S
pode ter um arrasto menor do que um veículo grande com
baixo Cd e vice-versa.
coeficiente de arrasto para tipos diferentes de veículos
resistência ao fluxo para diferentes geometrias
Condições de Contorno e Modelos Utilizados
Desenho do Caminhão
- Como estudaremos especificamente a diminuição do arrasto pela utilização de três
diferentes tipos de spoilers, as seguintes condições foram estabelecidas:
- caminhão como um só objeto pela utilização de colares para cabine;
- rodas cobertas com painéis;
- perfil do caminhão foi feito no PRO/Engineer com cantos arredondados
na frente de modo a aproximar o design da realidade
Caminhão sem spoiler
- As dimensões do caminhão consideradas foram:
- cabine: 2 metros de altura e 2,5 metros de comprimento
- container: 3,5 metros de altura e 8 metros de comprimento
- largura : 3 metros
Condições de Contrno e Modelos Utilizados
Spoilers utilizados
Spoiler tipo 1
Spoiler tipo 2
Spoiler tipo 3
Caminhão com Spoiler 1
Caminhão com Spoiler 2
Caminhão com Spoiler 3
Condições de Contrno e Modelos Utilizados
Malha e Resíduos
- A escolha da malha foi feita tomando por base os resíduos gerados em cada simulação e
com base na distribuição de pressão e velocidade obtidos. Foram feitas 3 simulações de
malhas diferentes (malha A, B e C) e aquela que obteve menores resíduos foi escolhida
como a “malha refinada” a ser utilizada em todas as outras simulações.
Malha A
Malha B
Malha C
Condições de Contrno e Modelos Utilizados
Malha e Resíduos
- Também fizemos simulação de malha default (dada pelo próprio PHOENICS). Os
resíduos obtidos foram um pouco mais baixos do que os anterior. Mas, como é uma malha
grosseira, não foi capaz de apresentar os fluxos de maneira satisfatória no que diz respeito
aos vórtices e separações em lugares de maior interesse.
- Foram adicionados objetos “NULL” para que pudessemos refinar a malha em regiões de
interesse, como a parte superior do spoiler e na parte frontal do caminhão. Foram feitas
modificações no “Power Law” para que também cobríssemos regiões interessantes.
- Como foi a malha A que resultou em resíduos mais aceitáveis, ela é a que será utilizada nas
próximas simulações.
configurações na direção X
configurações na direção Y
Condições de Contrno e Modelos Utilizados
Modelo de Turbulencia
- Testamos dois modelos de turbulência: KECHEN e LVEL. Para ambos, analisamos os
resultados de forças. São apresentadas a seguir:
sem spoiler utilizando LVEL
sem spoiler utilizando KECHEN
spoiler tipo 1 utilizando LVEL
spoiler tipo 1 utilizando KECHEN
- Ambos modelos resultaram em dados satisfatórios com algumas diferenças entre eles.
Optamos por utilizar o modelo KECHEN pois é o mais indicado para a simulação em
questão, já que ele retorna bons resultados sobre separação de camadas e vórtices. O modelo
LVEL, no entanto, se mostra mais útil quando existem muitos objetos e a malha é grosseira (o
que não é o caso).
Análise Numérica e Resultados
Caso sem spoiler
caminhão sem spoiler
campo de velocidades
distribuição de pressão
Análise Numérica e Resultados
Caso spoiler tipo 1
caminhão com spoiler tipo 1
campo de velocidades
distribuição de pressão
Análise Numérica e Resultados
Caso spoiler tipo 2
caminhão com spoiler tipo 2
campo de velocidades
distribuição de pressão
Análise Numérica e Resultados
Caso spoiler tipo 3
caminhão com spoiler tipo 3
campo de velocidades
distribuição de pressão
Análise Numérica e Resultados
Resultados Obtidos
força do arrasto caminhão sem spoiler
força do arrasto caminhão com spoiler tipo 1
força do arrasto caminhão com spoiler tipo 2
força do arrasto caminhão com spoiler tipo 3
Forças do
Arrastro
Sem Spoiler
Spoiler 1
Spoiler 2
Spoiler 3
6,661E03 (N)
2,239E03 (N)
6,637E03 (N)
2,959E03 (N)
Spoiler
Tipo1
Tipo 2
Tipo3
Redução do
arrasto
66,37%
0,36%
55,58%
Análise Numérica e Resultados
Resultados Obtidos
- Determinação da redução do consumo de combustível devido ao uso de spoiler:
- Como foi dito anteriormente, o arrasto é responsável por 40% do consumo de combustível;
Spoiler 1:
(66,37%) x (40%)
=
26,55%.
Spoiler 2:
(0,36%) x (40%)
=
0,14%.
Spoiler 3:
(55,58%) x (40%)
=
22,23%.
- Determinação da coeficiente de arrasto (Cd):
- Parâmetros e unidades utilizadas;
D
= forças do arrastro (N)
ρ
= 1,189 (kg/m3)
Uo = 80 (kn/h) = 22,22 (m/s)
S
= 3 (m) x 3,5 (m) = 10,5 (m2)
Cd 
D
U²
 *S *
2
Análise Numérica e Resultados
Resultados Obtidos
-Determinação da coeficiente de arrasto (Cd):
Coeficiente de
Arrastro “Cd”
Sem Spoiler
Spoiler 1
Spoiler 2
Spoiler 3
2,161
0,726
2,153
0,96
coeficiente de arrasto para tipos diferentes de veículos
coeficiente de arrasto para diferentes objetos
Conclusões do Trabalho
- Os altos valores do coeficiente de arrasto do caminhao sem spoiler e com spoiler 2 se deve
ao fato de poderem ser interpretados como sendo placas planas retangulares normais ao
fluxo, como mostra a tabela 2.1.
- O comportamento da camada limite, como mostrado na literatura, atua corretamente de
acordo com os gráficos obtidos a velocidade e pressão, o que demonstra um adequado
desenho utilizado.
- Segundo nossa análise, o melhor spoiler recomendado para utilizaçao é o tipo 1, o qual
mostra uma boa reduçao da força de arrasto. O coeficiente de arrastro calculado Cd=0,74
concorda com a literatura como mostrado na figura 2.5.
- O spoiler tipo 2 resulta em uma diminuição muito pequena em comparação aos outros
tipos de spoilers. Portanto, indica o tipo de spoiler menos recomendado para ser utilizado.
- É vantajoso, se possível, usar uma cabine menor e um container mais baixo, já que reduz
diretamente o arrasto e, assim, reduzir o consumo de combustível.