7/22/2019 Diseo de un auto solar de cuatro ruedas
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Diseo de un auto solar de cuatro ruedas.
Es relevante hoy en da moverse en las
grandes metrpolis, y es un grave problema
el consumo energtico que se produce en los
atascamientos vehiculares de estas grandescapitales. Por ello es que es necesario lograr
concentrar el esfuerzo en uso de energas
alternativas y limpias, como la energa solar.
Y ya no es nuevo el hecho de que si existen
vehculos solares.
Es por ello que se requiere disear un auto
solar de cuatro ruedas, para acercar los
diseos existentes de 3 ruedas a vehculos
con caractersticas ms convencionales tal
que estos puedan parecer un vehculo
tradicional pero con la diferencia que sean
impulsados por energa solar.
Para este efecto se procede a observar
diseos previos y formas posibles con
estudios con tal de realizar estas
aproximaciones a vehculos ms
tradicionales.
Diseo.
Para comenzar se estudia un modelo
propuesto por HONDA, que hace casi 20
aos ya tenan este concepto. El vehculo
propuesto se denomina DREAM, en
particular para este diseo se revisa la
versin del 96.
La principal caractersticas de los diseos
actuales es la aerodinmica, puesto que es
un factor importante para la eficiencia
energtica del vehculo.
El auto DREAM tiene las siguientes
caractersticas:
Figura 1: plano con medidas del modelo DREAM del 96
Luego de estudiado el modelo se procede a
realizar un CAD del modelo para realizarle
estudios y simulaciones computacionales.
Para ello se utiliza el programa SolidWorks
2013 x64 Edition. Para facilitar el diseo, y
aprovechando la geometra del modelo, sedisea y dibuja solo la mitad del auto, puesto
que existe simetra a lo largo del vehculo.
Algunas vistas del modelo diseado se
muestran en las siguientes figuras:
Figura 2: vistas lateral modelo CAD dibujado enSolidWorks 2013
Figura 3: vista de planta del modelo CAD dibujado.
Figura 4: vista frontal del modelo CAD dibujado
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Figura 5: vista trimtrica del modelo CAD dibujado
Figura 6: fotos del modelo CAD renderizado en
SolidWorks
Modelo matemtico.
Para realizar los estudios correspondientes al
estudio del diseo mostrado previamente, se
requiere un modelo matemtico el cual
consta de las siguientes ecuaciones:
() (1)
( ) () (2)
()
()
[ ] (3) () () [ ] (4)
Estas ecuaciones son la ecuacin de
continuidad, la de momento lineal, la
energa cintica turbulenta y la tasa de
disipacin de energa turbulenta
respectivamente.
Para el modelo se definen las condiciones
de pared como sigue:
{
()
(5)
(6) (7)
Simulaciones.
Para resolver el problema se desarrolla por
partes. Para este caso se desarrolla en 2D, en
un flujo permanente turbulento. No se
considera en esta parte las propiedades
trmicas, por lo que la densidad y las
propiedades del fluido son constantes.
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En cuanto a poder resolver la simulacin, en
el modelo CAD se disea una caja de
dimensiones especficas las cuales son
utilizadas para simular un tnel de viento.
Las dimensiones de la caja son de 12 metros
de alto 12 metros de ancho por 48 metros delargo. Estas dimensiones son pensadas en
que lo que suceda en las paredes no
afectaran en lo que sucede cerda del auto
con la aerodinmica.
Figura 7: situacin fsica del tnel de viento para la
simulacin.
Figura 8: condiciones de borde para el tnel de viento.
Una vez lista todas las condiciones para la
simulacin, se procede al mallado. El
programa a utilizar para el estudio es ANSYS
FLUENT R14.5.
Se realizan 2 mallados distintos, con el
objetivo de ver la variacin de los resultados.
Figura 9: primer mallado con 18036 nodos
El mtodo de clculo para esta situacin es
utilizando el algoritmo SIMPLE, calculando
las ecuaciones del modelo k- con power
law. El costo de tiempo de clculo es de 204
segundos con 1023 interaciones.
Los resultados en cuanto a la velocidad se
muestran en las siguientes figuras:
Figura 10: contorno de velocidad alrededor del auto.
Figura 11: vectores de velocidad alrededor del auto
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Figura 12: grafica de Wall Yplus
Figura 13: fuerzas de arrastre y coeficiente de arrastre.
Para validar el mtodo de clculo se realiza el
problema pero con un mallado distinto como
se muestra en la figura 14.
Figura 14: segundo mallado para la resolucin del
problema con 7465 nodos
A diferencia del mallado anterior, este
contiene menos nodos, pero estn mucho
ms concentrados en las paredes del auto. El
mtodo de clculo se mantiene como en la
solucin anterior. El tiempo de clculo es de
149 segundos a las 843 iteraciones. Los
resultados se muestran a continuacin.
Figura 15: contorno de velocidad alrededor del auto.
Figura 26: vectores de velocidad alrededor del auto.
Figura 17: grafica de Wall Yplus
Figura 18: fuerzas de arrastre y coeficiente de arrastre.
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Anlisis y discusiones.
Si bien el diseo del vehculo est basado en
un modelo que se dise por la marca
HONDA, el modelo se comporta muy bien
de acuerdo a los resultados obtenidos. Sinembargo estos resultados son errneos y
solo se consideran una estimacin, ya que al
realizar el problema en 2D, este considera un
rea frontal en la direccin Z muy grande
respecto a las dos dimensiones usadas, por
lo cual, aunque estos clculos estn bien
realizados, no son comparativos con modelos
reales.
Para realizar el modelo en 3D, se requiere de
una mquina de mayor poder, por lo cual
dada las limitantes de poder de clculo, este
problema se limita a resolver el problema en
2D.
Conclusiones.
Dentro de las conclusiones, considerando el
desarrollo, los valores estn acuerdo a lo
establecido por el modelo realizado por
HONDA, ya que son valores aproximados yestiman el comportamiento a nivel de perfil.
Con respecto a las mallas, si bien la segunda
malla est ms concentrada en la pared del
auto, los valores obtenidos son ms altos.
Esto puede significar que la primera malla
estaba mal refinando en el contorno del
auto, pero dada la cantidad de nodos, los
resultados son aproximados a los correctos.
Referencias.
[1] F. Barrionuevo, Trabajo de Tesis: DISEO
AERODINMICO COMPUTACIONAL DE AUTO
SOLAR INTIKALLPA II, 2013
[2] Hiroyuki Ozawa, Sumio Nishikawa, Dai
Higashida; Development of aerodynamics for
a solar race car; 1997
[3] Gerardo Franck and Jorge DElas; CFD
modeling of the flow around the Ahmedvehicle model.
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UNIVERSIDAD DE LA SERENADEPARTAMENTO DE INGENIERA MECNICA
DISEOS MECNICOS
INFORME N 4 DE DISEOS MECNICOS
DISEO Y ESTUDIO DE UN
VEHCULO SOLAR DE CUATRO RUEDAS
UTILIZANDO ANLISIS CFD
AUTOR: NELSON QUINTEROS SOTOPROFESOR: NELSON MORAGA BENAVIDES
FECHA: 28-11-13
Resumen.
El siguiente informe tiene un rediseo de un vehculo solar de HONDA del ao 96. Se realizan
algunas mejoras al diseo en cuestin, con el fin de validar el modelo de clculo. Adems el
anlisis de estudio aerodinmico se realiza en 2D, con flujo permanente e isotrmico y utilizando
el programa comercial ANSYS FLUENT R14.5.
Abstract
The following report is a redesign of a solar vehicle HONDA of the year 96 '. Improvements to the
design in question are performed in order to validate the model calculation. Further analysis of
aerodynamic study is done in 2D, with permanent and isothermal flow and using commercial
software ANSYS FLUENT R14.5.
Introduccin.
Hoy en da la energa es una fuente muy
importante para todo lo que hacemos, en
especial para transportarnos. Es por ello que
hace un tiempo atrs se comenz a trabajar
en vehculos solares como sustitutos de los
vehculos actuales por problemas de
contaminacin, llegando incluso a tener
competencias mundiales exclusivas para
autos movidos por la energa del sol.
Actualmente se busca que estos autos de
carrera logren caractersticas de vehculos
ms convencionales, por lo cual se necesitan
diseos de autos de 4 ruedas, para seguir
contribuyendo en que un vehculo, como lo
conocemos hoy en da, este ya no requiera el
uso de combustibles, sino sea movido por
energas limpias que nos entrega la
naturaleza.
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