ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICAESCUELA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

AERODINÁMICAPROFESOR: Ing. Edwin Pozo

UNIDAD IHistoria y Generalidades

La aerodinámica y la eficiencia: un vistazo a la historia

El estudio de la resistencia al viento de los vehiculosse ha convertido en un “ElDorado” del rendimiento y la eficiencia, y aunque no siempre ha dado losresultados esperados su búsqueda ha tenido consecuencias estéticas y culturalesdiferentes a lo largo del tiempo. El uso de las formas afiladas en los bólidos decompetición de principios del siglo XX poco o nada tiene que ver con la moderna“aerodinámica para la eficiencia” de los vehículos. Entre medio esa búsqueda de lasformas fluídas fue clave en el nacimiento de coches populares como el 2 CV o elEscarabajo, así como deportivos como el Lancia Stratos o el Lotus Esprit.

Historia de la aerodinámica.

Antes del primer vehículo, el estudio de los pájaros y los peces ya había revelado laforma idónea para desplazarse por los fluidos, pero tuvieron que pasar algunasdécadas para que estos conocimientos se aplicasen a la forma de las carrocerías. En lasexperiencias aerodinámicas de principios del siglo XX toda la forma del coche debíaestar enfocada a conseguir la mejor penetración en el aire en pos de una mayorvelocidad.

En las experiencias aerodinámicas deprincipios del siglo XX la forma delcoche debía estar enfocada a lamejor penetración en el aire con unobjetivo: conseguir mayor velocidad

Los coches “populares” tendrían que ser eficientes, ligeros, capaces y con motorespequeños, y su forma con baja resistencia al viento los haría capaces de cumplir con todoeso… pero entonces llegó la Segunda Guerra Mundial.

Con la Segunda Guerra Mundial y la lenta recuperación europea, los pequeños cochesaerodinámicos diseñados durante los años 30 tuvieron que esperar casi 20 años paraque el mercado estuviese en disposición de comprarlos, y para entonces el mundo habíacambiado profundamente. La estandarización de los métodos de producción redujo laposibilidad de hacer coches “diferentes” a gran escala y esto unido a un largo periodo debonanza en los precios del petróleo hizo que la aerodinámica pasase a un segundo plano.En Estados Unidos la fiebre de la “carrera espacial” trasladó a los coches muchoselementos del diseño heredados de la aeronáutica pero éstos tenían más funcióndecorativa que técnica.

El cataclismo social que supuso el alza del precio del petróleo durante los años 70transformó la forma en la que se entendían los automóviles y obligó a replantearse laconstrucción de motores, el diseño de carrocerías y los propios segmentos del mercado.Sus principales consecuencias fueron, por un lado, el auge de los coches compactos y porotro la vuelta a la exploración de diseños que optimizasen la aerodinámica.

Se plasmaron en el diseño de deportivos de extrema limpieza de líneas y tambiénconceptos radicalmente renovadores .Esta nueva interpretación de la aerodinámicatrajo una tendencia generalizada a extremos afilados y las esquinas redondeadas en loscoches de los años 80.

A pesar de la evolución, desde principios de siglo y hasta ese momento la idea de uncoche aerodinámico seguía ligada al perfil de su carrocería y lo inclinado de su frontal.

Desde los años 90 hasta nuestros días “aerodinámica” significa una cosa profundamentedistinta en nuestro lenguaje y también en el de los diseñadores de vehiculos. Las líneasexteriores de los coches se han vuelto muy variadas, las formas de gota han quedadorestringidas al segmento de los coches ultraeficientes (Toyota Prius, Honda Insight…), y elauge de los SUV parece haber hecho olvidar los extremos afilados de dos décadas atrás.Pero eso no significa que la aerodinámica no importe, sino que los fabricantes y losdiseñadores la han hecho invisible.

El estudio de los flujos de aire en la carrocería y los bajos, la búsqueda de una menor alturatotal de los coches o la mejora en las uniones de las planchas y plásticos ha mejorado esteaspecto de forma imperceptible, Ya no depende de formas fluidas o afiladas, sino de lacanalización de los flujos de aire, algo que requiere mucho más trabajo de desarrollo peroque el ojo apenas puede encontrar.

Links de Interés.

• http://www.motorafondo.net/la-aerodinamica-en-los-coches-historia-y-evolucion/

• http://losorigenes.net/curiosidades/aerodinamica/aerodinamica.html

• http://www.diariomotor.com/tecmovia/2013/03/31/aerodinamica-y-eficiencia/

• https://www.youtube.com/watch?v=tv9CvmXk9pw

Deber

• Escribir las definiciones de Aerodinámica.

• Describir la Ecuación de Bernoulli

• Escribir la definiciones de flujo laminar

– Ejemplos

• Escribir las definiciones de flujo turbulento.

– Ejemplos

CAPITULO IFUNDAMENTO TEÓRICO

• La aerodinámica es la rama de la mecánica de fluidos que estudia las

acciones que aparecen sobre los cuerpos sólidos cuando existe un

movimiento relativo entre éstos y el fluido que los recubre, en nuestro caso

el aire . y no un líquido, caso éste que se estudia en hidrodinámica

• Parte de la mecánica que estudia el movimiento de los gases sobre los

cuerpos estacionados y el comportamiento de los cuerpos que se mueven

en el aire.

• AERODINÁMICA es la ciencia que se ocupa del estudio del movimiento del

aire y de las acciones que el mismo ejerce sobre los cuerpos que se mueven

inmersos en él.

• la aerodinámica es cómo se mueve el aire alrededor de los objetos. En un

sentido un poco más técnico, sería cómo se mueven los gases al

interactuar con cuerpos sólidos.

• El estudio de la aerodinámica es, justamente, el estudio de la interacción

entre un objeto que se mueve y el medio por el cual lo hace. Las

características físicas del objeto, junto con las características físicas del

medio, dan como resultado una dinámica específica de movimiento. Es

decir, una aceleración, dirección y velocidad determinada.

Es la rama de la mecánica de fluidos que se ocupa del movimiento

del aire y otros fluidos gaseosos, y de las fuerzas que actúan sobre

los cuerpos que se mueven en dichos fluidos. Como ejemplo del

ámbito de la aerodinámica podemos mencionar el movimiento de

un avión a través del aire entre otros. La presencia de un objeto en

un fluido gaseoso modifica la repartición de presiones y

velocidades de las partículas del fluido, originando fuerzas de

sustentación y resistencia. La modificación de unos de los valores

(presión o velocidad) modifica automáticamente en forma opuestael otro.

Principio de BernoulliEl principio de Bernoulli, también denominado ecuación de Bernoulli oTrinomio de Bernoulli, describe el comportamiento de un fluidomoviéndose a lo largo de una línea de corriente. Fue expuesto porDaniel Bernoulli en su obra Hidrodinámica (1738) y expresa que en unfluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulaciónpor un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanececonstante a lo largo de su recorrido. La energía de un fluido encualquier momento consta de tres componentes:

1. Cinética: es la energía debida a la velocidad que posea el fluido.2. Energía de flujo: es la energía que un fluido contiene debido a la

presión que posee.3. Potencial gravitacional: es la energía debido a la altitud que un

fluido posea.

El principio de Bernoulli es una consecuencia de la conservación de la energía en los

líquidos en movimiento. Establece que en un líquido incompresible y no viscoso, la suma de

la presión hidrostática, la energía cinética por unidad de volumen y la energía potencial

gravitatoria por unidad de volumen, es constante a lo largo de todo el circuito. Es decir, que

dicha magnitud toma el mismo valor en cualquier par de puntos del circuito. Su expresión

matemática es:

El teorema afirma que la energía total de un sistema de fluidos con flujo uniforme

permanece constante a lo largo de la trayectoria de flujo. Puede demostrarse

que, como consecuencia de ello, el aumento de velocidad del fluido debe verse

compensado por una disminución de su presión.

El teorema se aplica al flujo sobre superficies, como las alas de un avión o las

Hélices de un barco.

Se desprende de aquí que:

PRESION + VELOCIDAD = CONSTANTE

Puede demostrarse fácilmente este

teorema si tomamos una tira fina de papel,

la colocamos junto a los labios y soplamos.

En el momento que se produce el

movimiento del aire, la presión sobre este

flujo disminuye y por debajo de este

aumenta, levantando la tira de papel.

Efecto Venturi• Las partículas de un fluido que pasan a través de un estrechamiento

aumentan su velocidad, con lo cual disminuye su presión.

Si nos fijamos la velocidad aumenta porque se ha estrechado el conducto.Esto hace que tenga que pasar la misma cantidad de aire por un área mucho menor.Para que eso sea posible el aire se acelera por si solo.

Este mismo efecto sucede cuando el aire pasa a través de un perfil alar.Un perfil alar tiene generalmente una forma más curva por la parte superior delperfil que por la inferior precisamente por el mismo principio de Bernoulli.

Origen de las fuerzas aerodinámicas .

Cuando en un proceso mecánico interactúan dos sólidos,las fuerzas se aplican y transmiten en el punto decontacto .Pero cuando un sólido interactúa con el aire, enlas moléculas del aire próximas al mismo se produce unadistorsión ,comenzando a moverse alrededor del sólido.El aire cambia de forma ,fluyendo alrededor del sólido y

manteniendo un contacto físico en todos sus puntos. Porello ,el “punto de contacto” de las fuerzas aerodinámicasgeneradas son todos y cada uno de los puntos de lasuperficie del cuerpo.

CAPITULO II

La magnitud de dichas fuerzas va a dependertanto del aire como del sólido, en nuestro casoel automóvil. Dos son las propiedadesfundamentales del aire a tener presentes: suviscosidad y su densidad o lo que es lo mismo,su compresibilidad.

En el caso del automóvil ha de considerarse su forma,

su rugosidad superficial, el área de contacto con el

aire y sobre todo la velocidad relativa entre éste y el

aire.

Todo esto se traduce en que, sobre cada punto de la

superficie del automóvil, estén presentes un par de

fuerzas ,una fuerza de presión, normal a la superficie

del cuerpo, debido a la velocidad relativa entre ambos

y una fuerza de rozamiento ,tangente a la superficiedel cuerpo ,debida a la viscosidad del aire.

Si sumamos todas las fuerzas de presión que actúan sobre losdiferentes elementos de superficie obtenemos, como resultante, unafuerza neta total, que estará aplicada en un punto imaginario,denominado centro de presiones. Si establecemos la dirección demovimiento del fluido (o automóvil) y descomponemos esa fuerzaneta en dos componentes, en la dirección de dicho movimiento y ensu perpendicular, tenemos que la primera de esas componentes,llamada fuerza de arrastre (arrastre inducido) se opone al avance delvehículo y la segunda, llamada fuerza de adherencia o sustentación,hace que el vehículo se adhiera o tenga tendencia a separarse delsuelo.

Si sumamos todas las fuerzas de rozamiento que actúan en losdiferentes elementos de superficie obtenemos una resultantetotal, aplicada en dicho centro de presiones. Si ladescomponemos en las dos direcciones anteriores, obtenemosen la dirección de movimiento del fluido una fuerza de arrastreque se opone al desplazamiento del vehículo.

Dada la complejidad de los efectos del aire sobre el vehículo ycon la finalidad de facilitar su estudio, se hace depender dichasrelaciones de una única variable, los llamados coeficientes.Estos coeficientes permitirán predecir los efectos aerodinámicossobre un cuerpo determinado (prototipo) a partir de lasmediciones obtenidas sobre el modelo conocido.

Los coeficientes más utilizados en el caso de la aerodinámica de un vehículo, son elcoeficiente de arrastre (Cx) y el coeficiente de sustentación (Cz), que se determinanpor una simple división entre las fuerzas correspondientes, fuerza de arrastre (Fx) ofuerza de sustentación (Fz), y el producto de la presión dinámica por una superficie dereferencia. Valores todos ellos conocidos en ese entorno controlado.

Se llama coeficiente de penetración Cx porque la x indica una dirección en un eje detres coordenadas; al coeficiente vertical o de elevación se le denomina Cz por lamisma causa. Otra forma de referirse al coeficiente de penetración es Cd, donde la des la inicial de la palabra inglesa «drag»; según esta nomenclatura, el coeficiente deelevación es Cl, por lift.

El coeficiente aerodinámico Cx es la expresión de la resistencia que ofrece un cuerpo amoverse dentro de un fluido por razón de su forma. Se toma como un coeficienteadimensional, a partir de la resistencia que hace una plancha cuadrada de metal, de 1 mde lado. Al coeficiente de la plancha se le atribuye el valor 1, y a otros cuerpos se lesatribuye un valor como referencia a ese.Hasta cierto punto, el Cx es independiente del tamaño del cuerpo y de la velocidad delfluido. A partir de cierto punto, puede haber variaciones en el Cx por cualquiera de las doscausas. Por esta razón, cuando se trabaja con modelos a escala para estudiar laaerodinámica de una forma, esta escala no suele ser menor de 1 a 5.

FUERZAS AERODINÁMICAS

Si estamos viajando en un coche y sacamos elbrazo por la ventana, podemos sentir variasfuerzas que dependerán de como este nuestramano:

• Horizontalmente (Fuerza equilibraba)

• Verticalmente (Fuerza de empuje)

• Mano abierta (menor fuerza de empuje)

• Mano moviéndose de arriba hacia abajo

LINEAS DE CORRIENTE Y TRAYECTORIA

Se conocen como líneas de corriente aquellaslíneas imaginarias que muestran la trayectoria ocamino recorrido por las partículas de un fluidoy que además cada punto de dicha línea estangente a su respectivo vector velocidad.

Se dice que está en régimen estacionariocuando las condiciones externas a las que estásometido el flujo (velocidad, presión, densidad)no cambian a lo largo del transcurso del tiempo.Si lo hiciera, el régimen se conoce comotransitorio.

CAPA LÍMITE

Cuando el aire se desplaza a lo largo del alerón,o de cualquier elemento aerodinámico, laspartículas tienden a adherirse a la superficie delperfil. Esto ocurre debido a que el aire es unfluido viscoso, por lo tanto, la capa del aire queestá en contacto con el ala se adhiere o por asídecirlo está siendo frenado debido alrozamiento que ofrece la superficie del alerón alaire.

Mientras la distancia con respecto al perfil vaaumentando se genera una zona en que lascapas contiguas van incrementando su velocidadhasta alcanzar la velocidad de la corriente deaire libre. Esta zona, donde la velocidad del aireva alcanzando la del aire libre, se conoce comocapa limite.

A esa zona influenciada por el carácter viscosodel fluido, desde el valor cero hasta el valor de lacorriente libre que circula alrededor del cuerpo,se conoce como capa limite.

FLUJO LAMINAR Y FLUJO TURBULENTO

Si todas las partículas dentro de un flujo semueven en la misma dirección que la velocidad,y de una forma por así decirlo ordenadaentonces el flujo será laminar. Si por otra partelas partículas se mueven de una forma errática,o en caminos diferentes a la velocidad del fluidoentonces estamos hablando de un fluido decarácter turbulento.

De una forma más precisa y basándonos en lateoría sobre la capa límite diremos que si lasdiferencias de velocidad entre las subcapas de lacapa limite son pequeñas, deslizaran las unassobre las otras con poca interacción entre ellas,creando así un flujo laminar si caso contrarioalgo molesta a la capa límite como puede seruna curvatura en la superficie del cuerpoentonces se presentará un flujo turbulento

además la capa límite incrementará su grosor a lolargo de la superficie de un cuerpo por lo quepuede ser delgada y laminar en la parte delantera;una capa limite laminar crea menos superficie derozamiento que una turbulenta y por eso laresistencia es menor mientras la capa se mantengalaminar; pero una capa limite turbulenta tambiénpuede retrasar la envestida de la separación delflujo en algunas circunstancias o incluso causar launión de un fluido separado esto puede tenerbeneficios importantes debido a la creación decarga aerodinámica y la reducción de la resistenciay eso no sería correcto decir que la condiciónlaminar es siempre la condición a alcanzar

NÚMERO DE REYNOLDS

La forma más sencilla para saber si el flujo eslaminar o turbulento es saber el número deReynolds. Un número de Reynolds alto, superiora 4000 aproximadamente, significa un flujoturbulento, en cambio, para números deReynolds más bajos a 2000 el flujo será laminar;mientras que para números de Reynolds entre2000 y 4000 el flujo está en transición y no sepuede saber su comportamiento.

Gráfica de los coeficientes de presión en función del número de Reynolds de

una placa plana.

Pero para su utilización en el campoautomovilístico se lo trata como la expresión:

μ

lvρRe

Re = 67,778 x vL

Donde v es la velocidad del objeto en estudio y está expresadaen (m/s) y L es la longitud en (m), para nuestro caso estalongitud será la longitud de la cuerda de nuestro alerón. Elproducto de esta ecuación nos da como resultado una valoradimensional que es comparado con los valores anteriormentedados y nos dirá si el flujo es laminar o turbulento

NUMERO DE MATCH

El número de Mach es un número adimensional que nos da una relaciónentre la velocidad del móvil respecto la velocidad del sonido y se definecomo:

Donde v es la velocidad del móvil y c la velocidad del sonido (340 m/s).Por consiguiente, dependiendo del valor que adopte este número sedefinen diferentes regímenes de estudio.

Es la que determina si el flujo de aire esta en régimen compresible oincompresible.

Incompresible, para velocidad hasta 0,3 Mach.Compresible, si supera 0,3 Mach.

Un F-18 rompiendo la barrera del sonido. Cortesía de la US Navy.

Conforme la velocidad del avión aumenta y rebasa la velocidad del sonido (un númerode Mach superior a 1.0), las ondas se comprimen formando una especie de envolturacónica alrededor del avión. Las condiciones de la corriente de aire delante del avión nocambian hasta que el avión pasa ahí. Solamente la región que se encuentra dentro delcono es afectada por el avión.

Normalmente, las velocidades de vuelo se clasifican según su número de Mach en:• Subsónico M < 0,7• Transónico 0,7 < M < 1,2• Supersónico 1,2 < M < 5• Hipersónico M > 5

PERFIL ALAR Y ÁNGULO DE ATAQUE

Perfil alar, perfil aerodinámico o simplementeperfil, se define a la forma plana que aldesplazarse a través del aire es capaz de crear asu alrededor una distribución de presiones quegenere sustentación. Es uno de los elementosmás importantes en el diseño de superficiessustentadoras como alas, o de otros cuerpossimilares como álabes o palas de hélice o derotor.

Según el propósito que se persiga en el diseño,los perfiles pueden ser más finos o gruesos,curvos o poligonales, simétricos o no, e inclusoel perfil puede ir variando a lo largo del ala.

El ángulo de ataque de un perfil alar no es más que elángulo formado por la cuerda del perfil y la direcciónde corriente libre del aire. Las variaciones en el ángulode ataque pueden ser de carácter positivo, neutro onegativo

Dependiendo del ángulo de ataque que adopte elalerón, obtendremos más o menos sustentación.Como norma, cuanto más ángulo de ataque mássustentación, pero teniendo en cuenta que hayun ángulo de ataque máximo alcanzable. Pasadoeste ángulo la capa de aire se desprende y elperfil entra en perdida, por consiguiente, estedeja de dar sustentación.

PARÁMETROS GEOMÉTRICOS DE LOS PERFILES

DEBER: SIGNIFICADO DE CADA UNO DE LOS PARAMETROS

CLASIFICACIÓN DE LOS PERFILES

Según forma:

• Asimétricos (con curvatura)

• Simétricos

Según sus características:

• Laminares (de baja resistencia)• De alta sustentación• De bajo momento (el perfil tiene poca

tendencia a girar hacia adelante)• Críticos (el ángulo de pérdida es mayor)• Delgados (tienen menos resistencia, pero la

sustentación no disminuye demasiado)• De carga (son muy gruesos, causan mucha

sustentación y poseen mucha resistencia)• Populares (no tienen ninguna característica

en especial, pero son lo más comunes)

Según orientación del diseño hacia un rango de velocidades de operación:

• Subsónicos• Transónicos• Supersónicos

PERFILES NACA

La NACA (National Advisory Committee forAeronautics: Comité Consejero Nacional para laAeronáutica) fue una agencia federal de EstadosUnidos fundada el 3 de marzo de 1915 paraemprender, fomentar, e institutionalizar lasinvestigaciones aeronáuticas.El 1 de octubre de 1958 se disolvió la agencia, y susrecursos y personal formaron el núcleo de la reciéncreada NASA (National Aeronautics and SpaceAdministration: Administración Nacional de laAeronáutica y el Espacio).

PERFIL

Ejemplo:

NACA 6412

6=radio del borde de ataque = 0,06*C

4= curvatura media = 0,04*C al 0,4*C

12 = espesor = 0,12*C

Todo esta en función de la cuerda

EFECIENCIA AERODINAMICA

Lo que se pretende conseguir en todo alerón esmaximizar la carga aerodinámica, minimizandola resistencia. Este concepto es el de eficienciaaerodinámica y para calcularla se utiliza elcoeficiente adimensional f (fineza).

CAPITULO IICARGA AERODINÁMICA

La carga aerodinámica es la componente vertical de la fuerzaaerodinámica y perpendicular a la dirección del vientorelativo. A pesar de que es la encargada de mantener elvehículo en el suelo, esta fuerza de sustentación negativapuede verse modificada debido a:

• La forma del perfil alar y el ángulo de ataque. A mayor ángulo de ataque mayor sustentación.

• La superficie alar. A más superficie más sustentación.• La densidad del aire, que depende de la altura. A menor altura, mas

densidad, por tanto, más sustentación.• La velocidad. Este término depende de forma cuadrática, cuanta más

velocidad mayor sustentación.

Donde Fz es la carga aerodinámica (Newton); ρ es la densidad (Kg/m3); Vla velocidad (m/s); S la superficie alar, i Cz es el coeficiente desustentación.

Como hemos dicho el Cz depende del perfil y del ángulo de ataque. Asíque para un mismo perfil la gráfica Cz – ángulo de ataque sería:

RESISTENCIA AERODINAMICA

La resistencia aerodinámica (D) es la fuerza que se opone al avance de unobjeto por el aire. Como ya hemos dicho en vez de la fuerza total seutiliza el coeficiente de resistencia para comparar perfiles. El coeficientede resistencia se define como:

En la siguiente gráfica, podemos ver como el coeficiente de resistenciaaumenta si aumentamos el ángulo de ataque del perfil. Vemos quesiempre es creciente y no llega a ningún punto crítico como el coeficientede antisustentación.

CÁLCULO DE LA SUPERFICIE S

• Es igual a la cuerda multiplicada por la envergadura

• S=C*Env

POTENCIA ABSORVIDA

Existe una relación matemática directa entre lavelocidad de punta y la potencia disponible deun motor en términos simplificados es:

𝑐𝑣 (𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜𝑠) =𝐶𝑥 . 𝐴. 𝑉

3

1225

Donde A esta en metros cuadrados, V esta en metros sobre segundo

DEBER: Hallar todos los parámetros aerodinámicos (MATCH, RE, EFICIENCIA, CX YCZ, Cv.abs), si el monoplaza F1 genera a 320Km/h una resistencia de 455kg y uncarga aerodinámica de 1850kg. Si el área frontal es de 2 metros cuadrados y unalongitud de 1.8m

ÁREAS FRONTALES ESTIMADAS

• Esta alrededor de (0.75 – 0.85)A*B para vehículos