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Proyecto Fin de Carrera

CARACTERIZACIÓN AERODINÁMICA YOPTIMIZACIÓN MEDIANTE TÉCNICASCFD DE UN CAMIÓN CISTERNA PARA

EL TRANSPORTE DE ALIMENTOS

Rubén Villacampa Sarasa

Directores:

Marco Carrera Alegre

Luis Castejón Herrer

Departamento de Ingeniería Mecánica

Escuela de Ingeniería y Arquitectura - Universidad de Zaragoza

Ingeniería Industrial

Junio del 2014

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CARACTERIZACIÓN AERODINÁMICA Y OPTIMIZACIÓNMEDIANTE TÉCNICAS CFD DE UN CAMIÓN CISTERNA PARA

EL TRANSPORTE DE ALIMENTOS

RESUMEN:

A lo largo de este proyecto se ha realizado el análisis, caracterización yoptimización aerodinámica de un vehículo cisterna destinado al transporte de alimentos.El objetivo de dicho estudio va a consistir en conocer su comportamiento bajo este tipo

de solicitaciones para así poder llevar a cabo una serie de mejoras sobre el mismo.

Dicho proyecto surge por la escasez de estudios de este tipo sobre estosvehículos hasta la fecha, y por el interés mostrado por diferentes empresas del sector eneste tipo de análisis. El objetivo es el de conseguir una reducción de la resistencia alavance sobre el vehículo, lo que se traduce en una disminución del consumo decombustible y por lo tanto en un vehículo más eficiente energéticamente. La necesidadde este estudio se ve potenciada por la posible existencia en un futuro próximo decertificados energéticos para este tipo de vehículos, de forma que pagaran menosimpuestos aquellos vehículos con un menor consumo energético y menores emisionesde CO2.

Para alcanzar los objetivos propuestos se ha desarrollado un plan de trabajointegrado por las siguientes fases: desarrollo de modelo correspondiente a la estructuraoriginal, caracterización aerodinámica de la estructura original, propuesta de mejoras,comparativa de resultados y conclusiones.

En primer lugar, se ha llevado a cabo el modelado de la estructura original delvehículo mediante el programa de dibujo en 3D SolidWorks. Posteriormente, se harealizado un análisis aerodinámico de la estructura anterior mediante técnicas CFD

(módulo FlowSimulation de SolidWorks). A continuación, y partiendo de los resultadosobtenidos en la fase previa, se han realizado una serie de modificaciones (propuestas demejora) en aquellas zonas del vehículo dónde se han obtenido unas condicionesaerodinámicas más desfavorables, y se han elaborado sus respectivos análisis. Porúltimo, se ha llevado a cabo un análisis comparativo entre los resultados obtenidos paracada optimización implementada, proponiendo una solución de vehículo final mejoradodesde el punto de vista aerodinámico (energéticamente más eficiente) respecto deloriginal.

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Caracterización aerodinámica y optimización mediante técnicas CFD de un camión cisterna para el

transporte de alimentos

Índice i

ÍNDICE

Memoria técnica

1.- DEFINICIÓN DEL PROYECTO ........................................................................... 1

1.1.- TITULO DEL PROYECTO .......................................................................................... 1

1.2.- DEFINICIÓN ........................................................................................................... 1

1.3.- AGRADECIMIENTOS ............................................................................................... 1

2.- OBJETO DEL PROYECTO .................................................................................... 2

3.- ANÁLISIS DEL ESTADO DEL ARTE Y JUSTIFICACIÓN ............................. 2

4.- PLANIFICACIÓN .................................................................................................... 4

4.1.- PLANTEAMIENTO INICIAL DEL PROBLEMA ............................................................. 4

4.2.- DESCRIPCIÓN DE LAS FASES DEL PROYECTO .......................................................... 5

4.2.1- Modelado inicial mediante Solid Works ........................................................ 6

4.2.2- Imposición de condiciones y solicitaciones aerodinámicas ........................... 6

4.2.3- Análisis aerodinámico del vehículo original ................................................. 6

4.2.4- Optimizaciones de las zonas más desfavorables y sus respectivos análisis .. 6

4.2.5- Comparación de los resultados obtenidos ..................................................... 6

4.2.6- Rediseño final del vehículo considerando los resultados anteriores ............. 6

5.- MODELADO DE LA ESTRUCTURA MEDIANTE SOLID WORKS .............. 7

6.- CARACTERIZACIÓN AERODINÁMICA INICIAL MEDIANTE SWFS ....... 7

6.1. CONDICIONES DE CONTORNO .................................................................................. 7

6.2.- MALLADO UTILIZADO ............................................................................................ 8

6.3.- R ESULTADOS INICIALES OBTENIDOS ...................................................................... 9

6.3.1. Vorticidad ....................................................................................................... 9

6.3.2. Velocidad ........................................................................................................ 9

6.3.3. Resistencia al avance ................................................................................... 10

6.4.- CONCLUSIONES INICIALES ................................................................................... 10

7.- REDISEÑOS Y OPTIMIZACIONES INICIALES Y RESULTADOS ............. 10

7.1.- R EDISEÑOS EN ESPACIO ENTRE CABINA Y CISTERNA ............................................ 11

7.1.1. Rediseño 1.1 ................................................................................................. 11

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Índice ii

7.1.2. Rediseño 1.2 ................................................................................................. 12

7.2.- R EDISEÑO EN LA ZONA TRASERA DEL VEHÍCULO CISTERNA ................................. 12

7.2.1. Rediseño 2.1 ................................................................................................. 13

7.2.2. Rediseño 2.2 ................................................................................................. 13

7.3.- R EDISEÑO EN LOS EJES DE LAS RUEDAS DEL VEHÍCULO CISTERNA ....................... 13

7.3.1. Rediseño 3.1 ................................................................................................. 14

7.3.2. Rediseño 3.2 ................................................................................................. 14

7.3.3. Rediseño 3.3 ................................................................................................. 14

7.4.- R EDISEÑO SOBRE UN PARAGOLPES DADO ............................................................ 15

7.4.1. Análisis del vehículo sin paragolpes ............................................................ 16

7.4.2. Análisis del paragolpes original .................................................................. 16

7.4.3. Rediseño paragolpes 1 ................................................................................. 17

7.4.4. Rediseño paragolpes 2 ................................................................................. 18

7.4.5. Airtabs: Aerodynamic fuel savers................................................................. 19

7.4.6. Paragolpes recortado ................................................................................... 20

8.- ANÁLISIS COMPARATIVO DE RESULTADOS ............................................. 21

8.1.- CONCLUSIONES ................................................................................................... 26

9.- REDISEÑO Y OPTIMIZACIÓN FINAL ............................................................ 26

9.1.- CONCLUSIONES ................................................................................................... 27

10.- CONCLUSIONES FINALES .............................................................................. 27

11.- BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 28

Anexos

ANEXO 1: HERRAMIENTAS DE ANÁLISIS ......................................................... 29

ANEXO 2: COMPONENTES DEL CAMIÓN CISTERNA .................................... 30

ANEXO 3: RESULTADOS OBTENIDOS SOBRE EL VEHÍCULO ORIGINAL 35

3.1. VORTICIDAD ......................................................................................................... 35

3.2. VELOCIDAD .......................................................................................................... 37

ANEXO 4: RESULTADOS DE REDISEÑOS ENTRE CABINA Y CISTERNA . 40

4.1. R EDISEÑO 1.1 ....................................................................................................... 40

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Índice iii

4.2. R EDISEÑO 1.2 ....................................................................................................... 42

ANEXO 5: RESULTADOS DE REDISEÑOS EN ZONA TRASERA DEL

VEHÍCULO .................................................................................................................. 45

5.1. R EDISEÑO 2.1 ....................................................................................................... 45

5.2. R EDISEÑO 2.2 ....................................................................................................... 47

ANEXO 6: RESULTADOS DE REDISEÑOS EN LOS EJES DE LAS RUEDAS 50

6.1. R EDISEÑO 3.1 ....................................................................................................... 50

6.2. R EDISEÑO 3.2 ....................................................................................................... 54

6.3. R EDISEÑO 3.3 ....................................................................................................... 59

ANEXO 7: RESULTADOS DE REDISEÑOS EN UN PARAGOLPES DADO .... 64

7.1. VEHÍCULO SIN PARAGOLPES ................................................................................. 64

7.2. PARAGOLPES ORIGINAL AISLADO .......................................................................... 66

7.3. PARAGOLPES ORIGINAL ACOPLADO AL VEHÍCULO ................................................ 72

7.4. PARAGOLPES 1 AISLADO ....................................................................................... 78

7.5. PARAGOLPES 1 ACOPLADO AL VEHÍCULO .............................................................. 83

7.6. PARAGOLPES 2 AISLADO ....................................................................................... 88

7.7. PARAGOLPES 2 ACOPLADO AL VEHÍCULO .............................................................. 947.8. PARAGOLPES CON AIRTABS AISLADO .................................................................... 99

7.9. PARAGOLPES CON AIRTABS ACOPLADO AL VEHÍCULO ......................................... 105

7.10. PARAGOLPES RECORTADO ................................................................................ 111

ANEXO 8: RESULTADOS REDISEÑO FINAL .................................................... 123

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Definición del proyecto 1

1.- D EF INI CIÓN DEL PROYECTO

1.1.- Título del proyecto

CARACTERIZACIÓN AERODINÁMICA Y OPTIMIZACIÓN MEDIANTE

TÉCNICAS CFD DE UN CAMIÓN CISTERNA PARA EL TRANSPORTE DEALIMENTOS

1.2.- Definición

El presente proyecto tiene como meta la obtención de un modelo óptimo devehículo cisterna en cuanto a la aerodinámica del mismo se refiere, y de esta forma,conseguir una reducción en el consumo de combustible de dicho vehículo.

Dicho proyecto abarca tanto la ejecución de tareas de modelado, caracterizacióny simulación aerodinámica, así como la optimización del modelo inicial siguiendo unalínea de trabajo que nos lleve a la obtención del modelo final óptimo deseado.

Se desarrollan modelos matemáticos, capaces de reproducir el comportamientodel vehículo como si se encontrara en un túnel del viento. Estos análisis se realizaran

bajo unas determinadas condiciones de contorno aerodinámicas.

En último lugar, se llevará a cabo la optimización del modelo, cuya finalidadserá la obtención de un prototipo mejorado aerodinámicamente, y por lo tanto mejoradoen cuanto al consumo de combustible. En dichos prototipos se buscará que no se

produzca un aumento de peso considerable de la estructura, ya que esto sería perjudicial para el fin último del proyecto, la disminución del consumo de combustible.

1.3.- Agradecimientos

Agradecer en primer lugar el apoyo recibido de mi familia y amigos a lo largo detodos los años que ha durado la realización de la carrera, tanto en los momentos buenos

como en los malos.

Agradecer en segundo lugar la ayuda prestada por los directores de proyecto, D.Marco Carrera Alegre y D. Luis Castejón Herrer, sin cuya supervisión no habría sido

posible desarrollar este proyecto.

Agradecer tanto a profesores, como becarios del Área de Ingeniería eInfraestructura de los Transportes la ayuda prestada en el manejo de SolidWorks ydemás herramientas de cálculo y sin cuyas indicaciones este proyecto no podría haberserealizado en las mejores condiciones.

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Objeto del proyecto 2

2.- O BJETO DEL PROYECTO

El objetivo fundamental de este proyecto consiste en el análisis, caracterizacióny optimización aerodinámica de un vehículo cisterna destinado al transporte dealimentos (leche, pulpa de zumo, agua,...), con objeto de conocer y mejorar sucomportamiento bajo este tipo de solicitaciones.

Este proyecto se encuentra dentro del marco de la Universidad de Zaragoza. Eneste marco se analizan las distintas partes que constituyen la estructura con el fin dellegar a un nuevo diseño que cumpla con los requerimientos de una mejoraaerodinámica respecto al modelo inicial.

El estudio realizado supondrá la ejecución de tareas numéricas de cálculo ysimulación. Estas tareas deben ser capaces de reproducir el comportamiento de laestructura analizada ante las cargas de viento aplicadas. Este estudio se realizará deforma que proporcione información sobre velocidades, turbulencias y resistencia alavance que sufren las distintas partes de la estructura para de esta forma averiguar los

puntos débiles de la misma.

A continuación, en base a los resultados obtenidos numéricamente del primeranálisis, se procederá a la optimización del modelo por medio del rediseño de ciertas

partes del conjunto del vehículo. Se realizará en primer lugar el rediseño de cada zona aoptimizar de forma individual, obteniendo distintas propuestas de mejora, para acontinuación, elaborar sus respectivos análisis.

Por último, se llevará a cabo un análisis comparativo entre los análisis obtenidos para cada optimización implementada, proponiendo una solución de vehículo finalmejorado desde el punto de vista aerodinámico (energéticamente más eficiente) respectoal original.

3.- ANÁLI SI S DEL ESTADO DEL ARTE Y JUSTI F I CACIÓN

El estudio de la aerodinámica, ha sido desde su comienzo un campo relacionado

con la ingeniería aeroespacial. Fue a principios del siglo XX cuando se comenzó aaplicar los conocimientos de la aerodinámica a las carrocerías, buscando que la formadel vehículo contribuyera a una mejor penetración en el aire con una consiguientemayor velocidad. Los estudios realizados dieron lugar a diseños con forma de gota,apareciendo en el mercado en 1934 el automóvil Chrysler Airflow.

El estudio de la resistencia al viento de los vehículos siempre ha tenido, por unlado, objetivos estéticos y culturales a lo largo del tiempo. No obstante, hoy en díafactores como el crecimiento del precio del petróleo, la disminución de las fuentes deenergía renovables y el efecto invernadero entre otros, son la consecuencia de uncambio en la industria del automóvil, buscando en la producción de los mismos,

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Análisis del estado del arte y justificación 3

vehículos menos contaminantes y más eficientes en cuanto al consumo de combustible.Para ello se emplea el estudio de la aerodinámica, la cual permite la optimización de losvehículos modificando su diseño externo y la disminución de las tolerancias entre losdistintos componentes. [Olivares de Jodar, José. Estudio aerodinámico aplicado en el

campo de la automoción.]

En consecuencia la apariencia estética de los vehículos en los últimos años hasufrido grandes modificaciones, para de esta forma reducir tanto el área transversalcomo el coeficiente de penetración aerodinámica, dando lugar a formas másredondeadas y estilizadas. Se sabe que aproximadamente la mitad de la energía de unvehículo se emplea para contrarrestar la resistencia de la atmósfera, lo que demuestra laimportancia de la aerodinámica, un campo fundamental para combatir la resistencia alviento. [http://www.tecmovia.com/2013/03/31/aerodinamica-y-eficiencia].

Distintos estudios realizados muestran que durante los últimos 30 años se hareducido el coeficiente de penetración en los automóviles en un 40%, dando lugar a unadisminución del 19% en el consumo de combustible.

Sin embargo, estos desarrollos aerodinámicos no se han llevado a cabo envehículos cisterna, debido a que los estudios durante estos últimos años han estado máscentrados en camiones más pequeños. Estos estudios pueden tener una gran importanciaen el futuro para el diseño de vehículos menos dañinos para el medioambiente, a la vezque más eficientes energéticamente, de ahí el interés mostrado por diferentes empresasdel sector en este tipo de análisis. [Ramón Miralbes Buil, Luis Castejón Herrer.

Aerodynamic Analysis of a Vehicle Tanker]. Este último factor de vehículos más eficientes, puede tener gran importancia

debido a la posible implantación en un futuro próximo de certificados energéticos eneste sentido. De forma que pagarán más impuestos aquellos vehículos que sean menoseficientes energéticamente y que por lo tanto produzcan más emisiones de CO2, en basea una clasificación energética (figura 3.1). [Novedades de la reglamentación y

certificación de semirremolques: seguridad y medio ambiente. 14 de mayo de 2013.

Fira Barcelona].

Figura 3.1: Clasificación energética de vehículos.

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Planificación 4

Además de todos estos beneficios que trae consigo la mejora aerodinámica, nose deben olvidar otros como la estabilidad del vehículo, la disminución de las olas deviento que un vehículo puede provocar a sus alrededores, así como una mejora delvehículo a los vientos laterales.

Por todo esto se ha considerado esencial el análisis aerodinámico de un vehículocisterna, para comprobar como determinadas modificaciones en su diseño suponen unamejora del conjunto del vehículo y por lo tanto una mejora en el rendimiento general delmismo.

4.- P LAN I FI CACIÓN

4.1.- Planteamiento inicial del problema

Cómo se ha mencionado previamente, este proyecto consiste en el análisis,caracterización y optimización aerodinámica de un vehículo cisterna para el transportede alimentos. Dicho estudio se lleva a cabo en colaboración con la Universidad deZaragoza.

Este proyecto conlleva un estudio más amplio, cuyo objetivo final es el diseñode un prototipo óptimo del vehículo cisterna desde un punto de vista aerodinámico,logrando de esta forma un vehículo más eficiente energéticamente, es decir, con unmenor consumo de combustible respecto al modelo inicial. En la siguiente ilustración se

puede observar este tipo de vehículos.

Figura 4.1: Camión cisterna.

Tanto el modelado del vehículo inicial como el de sus posterioresmodificaciones, se van a realizar mediante el programa de dibujo en 3D SolidWorks. El

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Planificación 5

análisis aerodinámico se llevará a cabo mediante técnicas CFD (computational fluiddynamics) a través del módulo Flow Simulation del SolidWorks, bajo unasdeterminadas condiciones aerodinámicas. De esta forma, se podrá finalmente elaborarun análisis comparativo entre los distintos modelos diseñados.

4.2.- Descripción de las fases del proyecto

Para lograr los objetivos citados anteriormente para este proyecto, es necesaria larealización de una serie de fases que van desde el modelado de la geometría delvehículo cisterna hasta tareas numéricas de cálculo y simulación hasta conseguir elmodelo óptimo final.

A continuación se muestra de forma esquemática las diferentes partes de que

consta el proyecto. En los puntos posteriores se muestra una descripción más detalladade cada una de ellas.

Figura 4.2: Esquema de las diferentes fases del proyecto

Modelado inicial mediante

SolidWorks

Análisis aerodinámico del

vehículo original

Imposición de condiciones y

solicitaciones aerodinámicas

Propuestas de mejora de las

zonas más desfavorables y sus

respectivos análisis

Comparación de los resultados

obtenidos

Rediseño final del vehículo

considerando los resultados

anteriores

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Planificación 6

4.2.1.- Modelado inicial mediante SolidWorks

Esta primera fase del proyecto consiste en el modelado de la estructura original

del vehículo cisterna mediante SolidWorks, un programa de dibujo en 3D.

El SolidWorks es empleado a lo largo de todo el proyecto. Una vez obtenido eldiseño inicial, se empleará el módulo Flow Simulation del SolidWorks para introducirdeterminadas condiciones aerodinámicas.

4.2.2.- Imposición de condiciones y solicitaciones aerodinámicas

En esta parte del proyecto será necesario introducir condiciones tales como lavelocidad del viento y su sentido. También habrá que establecer un dominiocomputacional que represente la zona de influencia del aire sobre el vehículo. Otroaspecto a tener en cuenta será el de una elección adecuada del mallado de la estructura

del vehículo.Una vez establecidos estos parámetros, es momento de comenzar los cálculos

iniciales.

4.2.3.- Análisis aerodinámico del vehículo original

En esta fase del proyecto se han simulado las acciones del aire sobre el vehículomediante técnicas CFD a través del módulo Flow Simulation del SolidWorks. De estaforma se obtienen valores tanto cualitativos como numéricos de velocidades yvorticidades sobre el vehículo. Al mismo tiempo se sabe el valor de la resistencia al

avance que se produce.

4.2.4.- Optimizaciones de las zonas más desfavorables y sus respectivos análisis

En vista a los resultados anteriores se procederá a la realización de distintas propuestas de mejora en aquellas zonas que se considere más conveniente, así como susrespectivos análisis.

4.2.5.- Comparación de los resultados obtenidos

Con el objeto de obtener un vehículo cisterna mejorado respecto al original, serállevado a cabo un análisis comparativo de los resultados obtenidos anteriormente. Deesta forma se podrá decidir que mejoras han de ser implementadas.

4.2.6.- Rediseño final del vehículo considerando los resultados anteriores

Finalmente, se obtendrá un prototipo final optimizado aerodinámicamente, esdecir, con una resistencia al avance menor, y por lo tanto, un menor consumo decombustible, haciéndolo un vehículo más eficiente energéticamente.

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Modelado de la estructura mediante SolidWorks 7

5.- M ODELADO DE LA ESTRUCTURA MEDI ANTE S OLID W ORKS

Cuando se pretende diseñar una estructura mediante SolidWorks, se debenrealizar en primer lugar todos los componentes de la estructura por separado. Una vezobtenidos todos los componentes, se han de ensamblar todos ellos hasta obtener laestructura en su conjunto. En el anexo 2 se muestra el diseño completo de la estructuradel vehículo original, así como alguno de los componentes principales que la forman

por separado.

La mayor parte de los elementos que se muestran en dicho anexo no son piezasindividuales, sino que son ensamblajes de otras piezas creadas previamente como se

puede observar en las imágenes.

La geometría definitiva del vehículo es la que se muestra en la primera imagendel anexo. A partir de esta estructura se va a realizar la caracterización aerodinámica delcamión a través del módulo SolidWorks Flow Simulation.

6.- C ARACTERI ZACIÓN AERODINÁM ICA I NI CIAL MEDI ANTE

SWFS

En esta parte del proyecto va a simularse mediante técnicas CFD (computationalfluid dynamics) el comportamiento aerodinámico sobre el vehículo a través de

SolidWorks Flow Simulation.A lo largo de este estudio no es necesario definir las propiedades de los

materiales que componen el vehículo analizado. Esto es debido a que únicamente se vana realizar simulaciones aerodinámicas del comportamiento del aire sobre el camión, nose trata de realizar un análisis estructural del mismo.

Los resultados obtenidos al final de este proceso nos servirán para tener una ideainicial del comportamiento del aire sujeto a unas determinadas condiciones previamenteestablecidas. Así mismo, nos proporcionará valores que nos servirán de base pararealizar las modificaciones de los posteriores apartados del proyecto.

6.1.- Condiciones de contorno

Partiendo del diseño del vehículo cisterna original mediante SolidWorks, se hanintroducido una serie de condiciones de contorno sobre el mismo mediante la utilizacióndel módulo Flow Simulation comentado anteriormente.

En el mundo real el vehículo se mueve a través del aire estacionario, no

obstante, en un túnel aerodinámico, que es lo que se trata de simular mediante estemódulo, el vehículo es estacionario y el aire está en movimiento. Por lo tanto, y acorde

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Caracterización aerodinámica inicial mediante SWFS 8

a la velocidad a la que suelen circular este tipo de vehículos, se ha consideradointroducir un flujo constante de aire a una velocidad de 30 m/s (108 km/h) en ladirección longitudinal del mismo.

Por otro lado, es necesario definir un volumen de control, denominado dominio

computacional, que representará la cantidad de celdas de fluido durante el cálculo.Cuanto más grande sea este dominio, se obtendrá una mayor precisión al existir unmayor número de celdas de fluido, sin embargo puede resultar en un tiempo de cálculoexcesivo. Por ello hay que obtener un dominio computacional lo suficientemente grande

para nuestro vehículo en concreto.

En las siguientes imágenes se muestra tanto el dominio computacional elegido,cómo la velocidad y sentido del flujo de aire:

Figura 6.1: Dominio computacional inicial

Figura 6.2: Velocidad y sentido del aire sobre el vehículo

6.2.- Mallado utilizado

Para el mallado de la estructura se podía optar por un mallado más fino o unomás grueso, variando la discretización del mismo desde el nivel 1, el más grueso, hastael más fino con un valor de 8. Tras varias pruebas se decidió que un mallado con valor 6

era adecuado para el cálculo aerodinámico del vehículo, obteniéndose el mallado que semuestra a continuación:

30 m/s

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Caracterización aerodinámica inicial mediante SWFS 9

Figura 6.3: Mallado inicial

6.3.- Resultados iniciales obtenidos

En este punto se van a mostrar los resultados obtenidos para el vehículo cisterna

original. Mediante la utilización del módulo Flow Simulation se van a mostrar tantomapas de vorticidad y velocidad del viento, así como trayectorias de flujo de estosmismos parámetros. De igual modo, se obtendrá el valor de la resistencia al avancesobre el vehículo, factor que se tratará de disminuir a lo largo del proyecto.

6.3.1.- Vorticidad

La vorticidad es una magnitud que nos va a servir para cuantificar la rotación deun fluido, en nuestro caso, el aire. Por lo tanto será un indicativo de aquellas zonas enlas que se producen mayores turbulencias.

En el epígrafe 3.1 del anexo 3 se muestran mapas y trayectorias de flujos devorticidad que se dan en diferentes secciones del vehículo.

En este anexo se puede comprobar observando los mapas, que tanto en la zonatrasera del camión, como en el espacio entre la cabina y la cisterna, se produce unaumento de vorticidad. Lo mismo sucede en las proximidades de las ruedas del vehículoal trasladar el mapa al eje de las ruedas del mismo.

Si ahora se visualizan las trayectorias de flujo, se puede ver que en las tres zonasmencionadas en el párrafo anterior se producen gran cantidad de remolinos, es decir,

turbulencias.

6.3.2.- Velocidad

La velocidad del aire en los alrededores del camión nos indicará igualmenteaquellas zonas que presentan unas condiciones aerodinámicas menos favorables. Ladisminución de la velocidad del aire en determinadas zonas significará un aumento delas turbulencias del mismo, y por lo tanto una zona crítica de la estructura del vehículo.

Estos resultados se recogen en el punto 3.2. del anexo 3.

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Rediseños y optimizaciones iniciales y resultados 10

Al analizar las imágenes se puede ver que las zonas de menor velocidad del aire,y por lo tanto, dónde se producen mayores vorticidades, son nuevamente la parte

posterior del camión y el espacio entre la cabina del vehículo y la cisterna. Estefenómeno también se observa en las faldas del camión.

6.3.3.- Resistencia al avance

La resistencia al avance, o resistencia aerodinámica, se refiere a la fuerza queexperimenta nuestro vehículo al moverse a través del aire, es decir, es la fuerza que seopone al avance del camión a través del aire.

Mediante el módulo Flow Simulation se obtiene directamente el valor de dichamagnitud en unidades de Newton (N). El objetivo último de este proyecto será el dereducir este valor mediante la introducción de una serie de optimizacionesaerodinámicas sobre el vehículo.

El valor de resistencia al avance (drag) que se obtiene para el modelo original esde: 3919,084 N.

6.4.- Conclusiones iniciales

En este punto se han presentado los resultados aerodinámicos sobre un vehículocisterna sin modificaciones. En vista a los distintos análisis llevados a cabo, se puedeconcluir en primer lugar, que se producen elevadas turbulencias tanto en el espacio libreque queda entre la cabina del vehículo y la cisterna, cómo en la parte final del camión.

Otra zona a tener en cuenta es la parte baja del camión, dónde se han observadovelocidades del aire poco elevadas, junto con pequeñas turbulencias, lo cual nos indicaotra zona a mejorar aerodinámicamente.

Por todo ello, las tres zonas mencionadas en los párrafos anteriores van a ser el punto de partida de la mejora aerodinámica a realizar, diseñando posiblesoptimizaciones para cada una de las zonas. Estas modificaciones tendrán el fin últimode reducir la resistencia al avance del conjunto del vehículo para así obtener un vehículo

cisterna mejorado aerodinámicamente.

7.- R EDI SEÑOS Y OPTIM I ZACIONES INI CIALES Y RESULTADOS

En este punto se van a proponer una serie de modificaciones sobre el modeloinicial del camión cisterna con objeto de conseguir una optimización aerodinámica delmismo.

Estas modificaciones se van a realizar por zonas, es decir, se van a llevar a cabomejoras en aquellas partes del vehículo que se han considerado críticas en base a los

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resultados obtenidos en el apartado anterior de este proyecto. Por lo tanto las zonasanalizadas van a ser: el espacio libre que existe entre la cabina y la cisterna, la zonatrasera del camión y por último, la parte baja del vehículo, en concreto los ejes de lasruedas.

Por otro lado, debido al interés de ciertas empresas en el estudio aerodinámicode un paragolpes dado, se realizarán una serie de modificaciones sobre el mismo conobjeto de comprobar la mejora aerodinámica que dichas optimizaciones suponen sobreel conjunto del vehículo.

7.1.- Rediseños en espacio entre cabina y cisterna

A lo largo de esta parte del proyecto se van a diseñar una serie de posibles

mejoras a establecer en el espacio existente entre la cisterna y la cabina del camión. Enla siguiente imagen se indica la zona sobre la que se van a realizar las optimizaciones.

Figura 7.1: Zona a realizar las primeras optimizaciones.

A continuación se van a mostrar las mejoras implementadas, así como losresultados que se obtienen.

7.1.1.- Rediseño 1.1

Esta modificación consiste en prolongar la longitud de la cisternaimplementando sobre el inicio de la misma una nueva pieza, de forma que se reduzca elespacio que existe hasta la cabina. De esta forma se conseguirá disminuir este espacio, y

por lo tanto, las turbulencias existentes.

En el punto 4.1 del anexo 4 se ilustra el diseño final del vehículo tras estamodificación. De igual forma se pueden observar los resultados que se han halladomediante su análisis aerodinámico.

Se puede observar que al reducir el espacio entre la cabina y la cisterna se ha

conseguido reducir las líneas de flujo de vorticidad y por lo tanto las turbulenciasrespecto al modelo original.

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Esta reducción de la vorticidad se ha traducido en una disminución de laresistencia al avance de un 0,2 % si se compara con el modelo inicial. Por lo tanto sededuce que con el nuevo modelo propuesto no se ha conseguido una mejora importantede la aerodinámica del vehículo.


Con esta nueva optimización se trata de crear un componente que una la cabinadel vehículo con la cisterna, para así reducir al máximo el espacio entre amboscomponentes. El objetivo de este nuevo diseño consiste en hacer desaparecer lasturbulencias presentes en el espacio estudiado.

A pesar de que, cómo se ha mencionado en el apartado 6 de este proyecto, no esnecesario definir los materiales de las piezas empleadas, se ha considerado importantecomentar que a la hora de diseñar esta pieza será necesaria la utilización de un material

muy flexible para que se pueda adaptar a los giros del vehículo.

Esta nueva modificación, así como su análisis aerodinámico se observa en elsegundo apartado del anexo 4.

Como se puede observar en el anexo correspondiente, al haber cerrado el huecoque había entre la cabina y la cisterna se han logrado eliminar las turbulencias queexistían en esa zona. Esto ha llevado a una reducción de la resistencia al avance respectoal vehículo original de un 3,4%. Por lo tanto se ha logrado el objetivo de mejorar deforma considerable la aerodinámica del camión cisterna.

7.2.- Rediseños en la zona trasera del vehículo cisterna

A lo largo de este apartado se van a diseñar una serie de posibles mejoras aestablecer en la zona posterior del camión. En la siguiente imagen se indica la zonasobre la que se van a realizar las optimizaciones.

Figura 7.2: Zona a realizar las segundas optimizaciones.

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Mediante esta modificación se va a tratar de prolongar la parte final de lacisterna, dándole al mismo tiempo una forma cilíndrica para que las líneas de flujo siganuna determinada trayectoria.

El primer epígrafe del anexo 5 muestra el análisis del nuevo diseño planteado.

Fijándonos en el valor de resistencia al avance, se comprueba que ahora seobtiene un valor mayor respecto al modelo original, lo cual nos indica que no se halogrado ninguna mejora aerodinámica del camión mediante esta modificación.


En esta ocasión, además de prolongar la parte trasera del vehículo, se va realizarla nueva pieza de forma que llegue hasta la parte baja del camión. Así se intentaránreducir las turbulencias que se producen en la zona trasera del vehículo.

Este análisis del nuevo modelo planteado se muestra en el apartado 5.2 delanexo 5.

Esta mejora ha resultado en una disminución de la resistencia al avance de un0,24% respecto al vehículo original.

7.3.- Rediseños en los ejes de las ruedas del vehículo cisterna

A lo largo de este punto se van a diseñar una serie de posibles mejoras aestablecer en la parte baja del camión, a la altura de las ruedas. En la siguiente imagense indica la zona sobre la que se van a realizar las optimizaciones.

Figura 7.3: Zona a realizar las últimas optimizaciones.

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En esta parte, con la meta de reducir las vorticidades que se dan en la zonainferior del vehículo, se van a introducir una serie de paneles laterales a la altura de losejes de las ruedas del camión. Estos paneles irán apoyados sobre la parte lateral de lacisterna de forma que cubran la longitud de la misma. Así se pretende disminuir losflujos de aire que se introducen por debajo de la cisterna del vehículo.

El apartado 6.1 del anexo 6 muestra el análisis del nuevo modelo planteado.

Esta mejora ha resultado en una disminución de la resistencia al avance de un4,77% en relación al modelo original.


Mediante el rediseño 3.1 se ha logrado una mejora aerodinámica importante. Sinembargo, determinadas empresas consideran complicado acoplar el primer panel, esdecir, el que se halla sobre la cabina del camión. Esto es debido a las escasas opcionesde maniobra de que se dispone en esa zona.

Por lo comentado en el párrafo previo, ahora se va a realizar un modelo parecidoal anterior, pero eliminando el primer panel que hay en cada lateral. En su lugar se va acolocar una pieza que vaya por debajo de la cisterna de forma que una ambos paneles

laterales. Esta pieza se elaborara con forma de V, para así dirigir el flujo del aire haciala parte externa del camión, impidiendo que se introduzca por la parte baja del vehículo.

En el epígrafe 6.2 del anexo 6 se muestra el análisis del nuevo modelo planteado.

Mediante este modelo se ha conseguido una disminución de la resistencia alavance de un 0,25% respecto al vehículo inicial. Este decrecimiento en la mejorarespecto al rediseño anterior se debe a la eliminación del primer panel, ya que esa zonaqueda ahora libre, produciéndose turbulencias.


Para intentar volver a los niveles de mejora del rediseño 3.1 se van a prolongarlos paneles hacia abajo, haciendo que queden más próximos al suelo. Con este nuevodiseño se trata de aumentar el espacio que queda libre de turbulencias.

El apartado 6.3 del anexo 6 muestra el análisis del nuevo modelo planteado.

Mediante este modelo se ha conseguido una disminución de la resistencia alavance de un 4,5% respecto al vehículo inicial, logrando el objetivo que se buscaba.

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7.4.- Rediseños sobre un paragolpes dado

Como se introdujo al inicio de esta parte del proyecto, además de los análisis

realizados previamente, se va a llevar a cabo un estudio aerodinámico de la influenciaque tienen sobre el conjunto del camión cisterna determinadas modificacionesefectuadas en un paragolpes. Este análisis es fruto del interés mostrado por ciertasempresas. En la siguiente figura se muestra el paragolpes en cuestión, así como unailustración del mismo acoplado ya al vehículo.

Figura 7.4: Diseño del paragolpes original.

En primer lugar se elaborará la caracterización aerodinámica del vehículo sin el paragolpes. Posteriormente se hará el mismo análisis pero con el paragolpes acoplado alvehículo. De este modo obtendremos los Newton de resistencia al avance debidos al

paragolpes.

A continuación se analizarán una serie de posibles optimizaciones aerodinámicasdel paragolpes. En esta sección, para cada modificación será estudiado, tanto el

paragolpes de forma aislada, como éste acoplado al vehículo.

A lo largo de este apartado se han mantenido las mismas condiciones decontorno empleadas hasta ahora, y que no van a cambiar a lo largo de este proyecto. Noobstante, se ha optado por realizar estos análisis mediante un mallado más preciso para

poder observar con más detalle la zona dónde se sitúa el paragolpes. Por lo tanto se haoptado por el nivel máximo de discretización que ofrece el SolidWorks FlowSimulation. En la figura 7.5 se recoge dicho mallado:

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Figura 7.5: Mallado con un mayor nivel de discretización.

7.4.1.- Análisis del vehículo sin paragolpesEn esta primera fase del análisis se va a estudiar el comportamiento

aerodinámico del vehículo cisterna sin el paragolpes. En el anexo 7 se recoge lainformación obtenida de este primer análisis.

A partir de este modelo inicial se van a realizar los posteriores estudiosacoplando el paragolpes al vehículo. Así, se hallará como afecta el paragolpes y susmodificaciones a la aerodinámica del vehículo.

7.4.2.- Análisis del paragolpes original

Previamente al análisis aerodinámico del conjunto del vehículo con el paragolpes acoplado, se va a analizar únicamente el paragolpes de forma aislada.

Para ello se sigue manteniendo una velocidad del aire de 30 m/s. Sin embargo,debido al menor tamaño del paragolpes aislado respecto al camión completo, se debereducir el dominio computacional hasta un volumen acorde con el tamaño del

paragolpes. Este mismo dominio será el empleado para analizar los nuevos modelos de paragolpes de forma aislada. La figura 7.6 muestra dicho dominio:

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Figura 7.6: Dominio computacional para el paragolpes aislado.

Después de introducir estas nuevas condiciones, se ha ejecutado el análisis del paragolpes, obteniendose los resultados indicados en el apartado 7.2 del anexo 7.

Una vez obtenidos los resultados del análisis del paragolpes aislado, se va arealizar el estudio con el paragolpes acoplado al vehículo. Por lo tanto, se vuelven acambiar las medidas del dominio computacional, de forma que tenga las mismasdimensiones que en las de los análisis llevados a cabo en el apartado 6 de este proyecto.

A lo largo de este epígrafe vamos a comprobar el comportamiento aerodinámicoen los alrededores del paragolpes. En consecuencia, los estudios a realizar van a mostrarresultados únicamente en las proximidades del paragolpes, sin prestar atención a lo quesucede en las zonas restantes del camión, ya que esto se ha elaborado en los apartados

previos.

No obstante, sí que será necesario el cálculo de la resistencia al avance sobre elvehículo cisterna completo. De esta forma se podrá concluir si existen beneficiosaerodinámicos con los posteriores rediseños del paragolpes.

En el punto 7.3 del anexo 7 puede observarse como se producen ciertasturbulencias en la parte posterior del paragolpes. Con el fin de disminuir estasvorticidades, se van a realizar dos nuevos modelos de paragolpes, a partir de los cualesse realizarán sus respectivos análisis aerodinámicos comprobando de esta forma si estoscambios contribuyen a la obtención de un vehículo aerodinámicamente más eficiente.

7.4.3.- Rediseño paragolpes 1

En este primer modelo, se ha decidido realizar un recubrimiento alrededor de la barra del paragolpes dándole una forma de perfil NACA. Este tipo de perfiles fueron

creados por la NACA (National Advisory Committee for Aeronautics), y suelen ser perfiles empleados para el desarrollo de las alas de los aviones. Las características de

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estos perfiles han sido medidas en túneles de viento. [Sergio Esteban Roncero.

Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos. Introducción a los

perfiles NACA].

Los soportes del paragolpes también se han recubierto dotándoles de una forma

similar a la de los perfiles NACA.

En el punto 7.4 del anexo 7 se muestra tanto el modelo del paragolpes aislado,así como los resultados que se obtienen de su análisis aerodinámico.

Como se puede apreciar, con este nuevo diseño de paragolpes se obtiene unimportante decremento en el valor de la resistencia al avance respecto al original(50,91%).

Una vez obtenidos los resultados del paragolpes aislado, se acopla éste al

vehículo para su análisis, y así ver cómo afecta el nuevo paragolpes sobre el camióncompleto. Las soluciones halladas se muestran en el apartado 7.5 del anexo 7.

Mediante este nuevo diseño del paragolpes, se ha logrado reducir lasvorticidades generadas tras él. En consecuencia se ha producido una reducción en elvalor de la resistencia al avance de 3,27% si se compara con el vehículo que llevaacoplado el paragolpes original.

7.4.4.- Rediseño paragolpes 2

En este segundo diseño, se va a seguir la misma idea que en el anterior. Se trata

nuevamente de un recubrimiento sobre el paragolpes original a través de un perfil NACA, pero ahora al final del mismo se le va a dar una inclinación hacia arriba. Elobjetivo de este nuevo diseño consiste en redirigir los flujos de aire que llegan al

paragolpes para evitar que existan depresiones y turbulencias en la parte trasera delcamión.

Por otro lado, se va a aumentar el área proyectada sobre la que va a incidir elflujo de aire, lo que supondrá un aumento de la resistencia al avance, es decir, pérdidasaerodinámicas.

Por lo tanto este análisis nos va a servir para averiguar que factor de loscomentados en los párrafos previos tiene una mayor importancia sobre la aerodinámicadel vehículo, y en definitiva, si este paragolpes supone una mejora aerodinámica delvehículo.

En el apartado 7.6 del anexo 7 se puede visualizar tanto el rediseño del paragolpes, así como los resultados obtenidos de su análisis aerodinámico de formaaislada, es decir, sin estar todavía ensamblado al camión.

Observando dicho anexo se puede comprobar cómo se generan vorticidades a la

altura de los soportes del paragolpes. Además de esto, existe una mayor área proyectadasobre la que actúa el fluido, aire en nuestro caso. Por todo ello, es lógico el aumento del

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coeficiente de resistencia que se produce respecto al paragolpes inicial, que es de 41,068 N (21,32%).

El siguiente análisis es el llevado acabo con el paragolpes acoplado al vehículo.Esto nos servirá para averiguar definitivamente si este rediseño conlleva una mejora

aerodinámica sobre el conjunto, o por el contrario, al igual que el estudio aislado,supone un aumento de la resistencia al avance del conjunto en el fluido. El apartado 7.7del anexo 7 recoge dicho estudio.

Al igual que ocurría en el estudio del paragolpes de forma aislada, al acoplarlo alcamión también se obtiene un mayor coeficiente de resistencia, en este caso el aumentoque se produce respecto al vehículo con el paragolpes original es de un 1,05%. Por lotanto, mediante este paragolpes no se consigue mejorar la aerodinámica del vehículo.

7.4.5.- Airtabs: Aerodynamic fuel savers

De los dos rediseños de paragolpes propuestos, solamente uno de ellos hasupuesto un beneficio desde el punto de vista aerodinámico, por lo que este punto secentra en ese modelo, el rediseño 1. Lo que se va a intentar es mejorar en algo el

paragolpes ya modificado mediante la unión sobre el mismo de unos pequeñoscomponentes conocidos como airtabs (aerodynamic fuel savers). [Novedades de la

reglamentación y certificación de semirremolques: seguridad y medio ambiente. 14 de

mayo de 2013. Fira Barcelona].

Los airtabs son unos vórtices generadores cuya misión es la de reducir la fricción

aerodinámica. Han sido diseñados para cualquier vehículo que circule en la carretera,creando dos remolinos de aire en los vórtices que se combinan, reduciendo así lasucción y el arrastre en la zona trasera del vehículo. Las siguientes imágenes muestrandicho elemento y su diseño mediante SolidWorks: [http://www.airtab.com/].

Figura 7.7: Imagen de un airtab (izquierda) y su diseño mediante SolidWorks (derecha).

En este punto se va a estudiar como afectaría acoplar airtabs al paragolpes. Estenuevo ensamblaje se va a realizar, como se ha mencionado anteriormente, sobre elrediseño del paragolpes 1. El nuevo diseño así como su análisis antes de ser acoplado alvehículo se muestra en el punto 7.8 del anexo 7.

Como se puede ver en la tabla de dicho anexo, se obtiene un valor delcoeficiente de resistencia de 102,222 N. Esto significa que este valor ha aumentado

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respecto al paragolpes sin los aerodynamic fuel savers en un 8,12%. Por lo tanto, elacoplamiento de los airtabs no se ha traducido en una mejora aerodinámica para el casodel paragolpes aislado.

No obstante, debido a lo imprevisible de las trayectorias que pueden seguir los

flujos de aire, se va a realizar un análisis aerodinámico del paragolpes con los airtabsacoplado al camión, para observar si en este caso se reduce la resistencia al avance delmismo. Los resultados de este estudio se recogen en el epígrafe 7.9 del anexo 7.

Al igual que para el estudio del paragolpes de forma aislada, al acoplarlo alvehículo, no se obtienen unos resultados satisfactorios en cuanto a la aerodinámica si locomparamos con el paragolpes sin los airtabs, ya que se produce un aumento de laresistencia al avance de un 0,34%.

7.4.6.- Paragolpes recortado

A lo largo de este apartado se va a proponer un último diseño del paragolpes. Laidea consiste en acortar el perfil del paragolpes de forma que no termine con forma decuña, y por lo tanto crear un nuevo diseño más seguro para los vehículos que circulenalrededor del camión cisterna.

Mediante este nuevo modelo se va a crear una forma menos aerodinámicadebido a la nueva terminación, por ello se van a volver a acoplar los airtabs sobre el

paragolpes, para así, comprobar si en este nuevo diseño resultan efectivos.

El modelado del nuevo diseño y el análisis del paragolpes aislado tanto sinairtabs como con ellos, se observa en el apartado 7.10 del anexo 7.

Al observar los resultados obtenidos se puede ver, como era previsible, que no seconsigue una mejora de la resistencia al avance del nuevo paragolpes sin airtabs si locomparamos con el rediseño 1, sino que se produce un aumento de un 11,85%.

Como en el caso anterior, el ensamblaje de los airtabs se ha traducido en unaumento de la resistencia al avance en comparación con el modelo sin airtabs, por loque su acoplamiento tampoco resultaría interesante para este modelo.

Para este caso no se va a realizar el análisis con el paragolpes acoplado alvehículo ya que se trataba únicamente de hacernos una idea de como afecta este cambioal paragolpes aislado.

Con esto quedan presentados los resultados obtenidos para cada uno de losdiseños propuestos. El siguiente punto de este proyecto se centra en el análisiscomparativo de todas las propuestas de mejora realizadas.

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Análisis comparativo de resultados 21

8.- ANÁLI SI S COMPARATIVO DE RESULTADOS

Una vez obtenidos los resultados de cada uno de los estudios aerodinámicosllevados a cabo, es conveniente realizar un análisis comparativo de todos ellos. De estaforma se puede averiguar que diseños de los propuestos se aproximan en mayor medidaal objetivo deseado de un vehículo energéticamente más eficiente.

A continuación se muestran unas tablas dónde se puede ver la comparación delos resultados obtenidos. En la primera de las tablas se comparan los rediseñosrealizados sobre el camión, separándolos por las zonas dónde estos se han llevado acabo. En las siguientes se comparan los resultados obtenidos para los distintos diseñosde paragolpes implementados, tanto de forma aislada, como una vez que han sidoacoplados al vehículo.

ZONAOPTIMIZADA NOMBRE MODELO

DRAG[N]

% DEMEJORA

Modelo inicialModeloinicial

3919,084 0

Espacio entrecabina y

cisterna

Rediseño1.1

3911,083 0,20

Rediseño1.2

3785,725 3,40

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Zona trasera delvehículo

Rediseño2.1

3922,536 -0,09

Rediseño2.2

3909,824 0,24

Zonas lateralesde la cisterna

Rediseño3.1

3732,142 4,77

Rediseño3.2

3909,218 0,25

Rediseño3.3

3742,638 4,50

Tabla 8.1: Comparación de resultados de las modificaciones sobre el vehículo.

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En la tabla 8.1 se puede comprobar que rediseño ha llevado a una mayorreducción de la resistencia al avance (drag) en cada una de las zonas estudiadas, y por lotanto, aquél que supone mejores resultados aerodinámicos, es decir, un vehículoenergéticamente más eficiente.

NOMBRE MODELO DRAG[N]

% DEMEJORA

Paragolpesoriginal

192,587 0

Paragolpes(rediseño 1)

94,548 50,91

Paragolpes(rediseño 1 +

airtabs)102,222 46,92


233,655 -21,32

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Paragolpesrecortado (sin

airtabs)

105,747 45,09

Paragolpesrecortado (con

airtabs)135,721 29,53

Tabla 8.2: Comparación de resultados de los paragolpes de forma aislada.

Los resultados de la resistencia al avance para los paragolpes aislados se recogenen la tabla 8.2, así como en qué porcentaje se reduce dicho coeficiente respecto al

paragolpes original.

Se puede apreciar que mediante el primer rediseño se consigue una mejoraimportante, sin embargo la introducción de los airtabs no trae consigo ninguna mejoraaerodinámica.

Por otro lado, el segundo modelo de paragolpes supone un incremento del drag,algo no deseado. Esto es lógico, debido al aumento de la superficie proyectada sobre laque incide el flujo de aire.

NOMBRE MODELODRAG

[N]% DE

MEJORA

Modelo sin paragolpes

3278,899 2,90

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Paragolpesoriginal

acoplado alvehículo

3376,666 0

Paragolpes(rediseño 1)acoplado al

vehículo

3266,306 3,27

Paragolpes(rediseño 1 +

airtabs)acoplado al

vehículo

3277,368 2,94

Paragolpes(rediseño 2)acoplado al

vehículo

3412,148 -1,05

Tabla 8.3: Comparación de resultados de los paragolpes acoplados al vehículo.

En la tabla 8.3 se han comparado los distintos modelos de paragolpes estudiadosrespecto al modelo del paragolpes original, una vez acoplados al vehículo. De estaforma se puede cuantificar cuál de los modelos de paragolpes diseñados supone unamayor ventaja aerodinámica.

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Rediseño y optimización final 26

8.1.- Conclusiones

A través de estas tablas comparativas se puede decidir de una forma más clara ysencilla aquellos diseños que suponen una mejora aerodinámica más importante para elconjunto del vehículo cisterna.

Mediante los resultados que se muestran en la tabla 8.1 se llega a la conclusiónde qué diseños serán implementados en cada una de las zonas estudiadas a la hora delrediseño final del camión. Por lo tanto los modelos elegidos serán, por lo general,aquellos que supongan un mayor porcentaje de mejora de la resistencia al avance.

Lo comentado en el párrafo anterior no será así para los laterales del camióncomo se explica a continuación: El rediseño 3.1 debería ser el elegido, no obstante,ciertas empresas creen que puede resultar complicado insertar los paneles laterales másallá del comienzo de la parte trasera de la cabina del camión. Por ello, y siendo que se

obtiene una mejora similar, se considera más adecuado el rediseño 3.3.

Como consecuencia de estos resultados se ha decidido realizar un rediseño yoptimización final del vehículo implementando sobre el mismo, de forma simultánea,los rediseños: 1.2, 2.2 y 3.3. En el siguiente apartado se lleva a cabo dicha optimización.

Por otro lado se encuentra el estudio del paragolpes. Según los resultados de latabla 8.3, con el paragolpes acoplado al vehículo, el primer rediseño es el más favorabledesde el punto de vista aerodinámico, al igual que ocurría al analizar los paragolpes deforma aislada. Nuevamente se aprecia que los airtabs no suponen ninguna mejora, por lo

que no conviene su aplicación en esta parte del vehículo.

En último lugar, cabe destacar que mediante el primer rediseño del paragolpes seconsiguen incluso una menor resistencia al avance que para el caso del vehículo sin

paragolpes. Esto se explica porque el aumento de resistencia que se produce al acoplarel paragolpes, no es tan elevada como la disminución que se obtiene de la misma alredirigir los flujos de aire de forma que se produzcan menos turbulencias en la parte

posterior del camión.

9.- R EDI SEÑO Y OPTIM I ZACIÓN F INAL

En este punto va a proponerse un último modelo optimizado del vehículocisterna. En él se va a introducir una mejora en cada una de las zonas que ha sidoestudiada en los apartados anteriores de este proyecto, cómo se ha comentado en el

punto anterior.

Una vez obtenido el prototipo final del camión, se ha realizado su análisisaerodinámico. En éste estudio han sido empleadas las mismas condiciones de contorno

y el mismo mallado que para el apartado 6 de este proyecto. Finalmente se han obtenidolos resultados mostrados en el anexo 8.

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Conclusiones finales 27

Mediante este nuevo diseño se consigue disminuir considerablemente laresistencia al avance del conjunto con respecto al vehículo original, que tenía un valorde 3919,084 N.

En definitiva, con este último modelo se ha conseguido una reducción del

coeficiente de resistencia (drag) de 7,38 %.

9.1.- Conclusiones

En este apartado se han presentado las posibles modificaciones a realizar sobreel modelo original del vehículo cisterna con objeto de conseguir una optimizaciónaerodinámica, y en consecuencia, un vehículo energéticamente más eficiente.

La zonas dónde se han colocado las nuevas piezas han sido determinadasmediante un análisis previo del vehículo original, a través del cual se determinó que

partes del vehículo estaban sujetas a mayores vorticidades.

Además varios diseños de nuevas piezas aerodinámicas fueron llevados a cabo para cada una de las zonas de estudio. A continuación se han seleccionado aquelloscomponentes que se consideran más ventajosos.

Finalmente se han añadido estos componentes sobre la estructura del vehículooriginal. Esto ha supuesto la disminución de las vorticidades en aquellas partes dóndehan sido colocados, logrando por tanto optimizar aerodinámicamente el conjunto delvehículo.

10.- C ONCLUSIONES F INALES

A lo largo de las distintas fases de este proyecto se ha diseñado, calculado yoptimizado la estructura de un camión cisterna para el transporte de alimentos con elobjeto de presentar un nuevo modelo optimizado aerodinámicamente.

En una primera fase se ha realizado el modelado de la geometría de la estructuramediante el SolidWorks, programa de diseño asistido por ordenador para modeladomecánico.

En la segunda fase se han realizado una serie de cálculos aerodinámicos preliminares sobre la estructura con el fin de determinar aquellas zonas del vehículosujetas a mayores turbulencias.

Posteriormente se han propuesto posibles optimizaciones a realizar sobre elcamión. Aquí cabe destacar que ha sido con los faldones laterales con los que se ha

logrado una mayor ganancia aerodinámica, obteniéndose hasta un 4,50 % de mejora enel coeficiente de resistencia aerodinámica, debido a la imposibilidad de que el flujo de

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Bibliografía 28

aire se dirija hacia la parte baja del vehículo, dónde existían elevadas turbulencias. Portanto, los faldones laterales serían preferibles como punto de partida de una mejoraaerodinámica.

La contribución del resto de mejoras aerodinámicas también es relevante, ya que

igualmente suponen una mejora aerodinámica. Su integración conjunta sobre elvehículo ha dado con una mejora de un 7,38 % de la resistencia al avance.

Esta última fase del proyecto ha significado la obtención de un modelo mejoradoaerodinámicamente, y por tanto, un vehículo con menor consumo de combustible ymenos emisiones de CO2, es decir, se ha conseguido el objetivo de dar con un vehículoenergéticamente más eficiente.

11.- B I BL IOGRAFÍA

1. Esteban Roncero, Sergio. Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánicade Fluidos. Introducción a los perfiles NACA, 2009.

2. Miralbes Buil, Ramón; Castejón Herrer, Luis. Aerodynamic Analysis of aVehicle Tanker. Research group in vehicles and road safety (VEHIVIAL), CPS,University of Zaragoza, Zaragoza 50012, Spain, April 2009.

3. Novedades de la reglamentación y certificación de semirremolques: seguridad y

medio ambiente. 14 de mayo de 2013. Fira Barcelona.4. Olivares de Jodar, José. Estudio aerodinámico aplicado en el campo de la

automoción. Universitat Politécnica de Catalunya (UPC), Barcelona, 16 de juniode 2011.

5. Páginas web:

http://grabcad.com/

http://www.airodyne.com/trailer_bumper_bullet.asp

http://www.airtab.com

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

http://www.3dcadbrowser.com/

http://grabcad.com/



http://grabcad.com/

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Anexos 29

ANEXO 1: HERRAMIENTAS DE ANÁLISIS

En la primera fase del proyecto se ha realizado el modelado del camión cisternamediante el programa SolidWorks, que es un programa de dibujo en 3D. Mediante este

programa se han realizado de igual forma las posteriores modificaciones realizadassobre el vehículo.

Para la caracterización aerodinámica se han empleado técnicas CFD, usandoigualmente el programa SolidWorks, en concreto, mediante su módulo FlowSimulation.

SolidWorks

SolidWorks es un programa de diseño asistido por ordenador para modeladomecánico desarrollado en la actualidad por SolidWorks Corp. Es un modelador de

sólidos paramétricos, que usa el Kernel de modelado Parasolid. Fue introducido en elmercado en 1955 para competir con otros programas CAD.

El programa permite modelar piezas y conjuntos y extraer de ellos tanto planoscomo otro tipo de información necesaria para la producción. Estas son las tres opciones

básicas que posee el programa. En primer lugar está la opción de crear piezasindividuales; La segunda opción es crear un ensamblaje, que consiste en la unió de las

piezas individuales creadas. Estos son los dos comandos que se han utilizado paraelaborar la estructura del proyecto; La tercera opción que ofrece el programa es la decrear un dibujo. Esto se refiere a crear un dibujo en 2D, obteniendo las vistas (alzado,

planta y perfil) de una pieza o un ensamblaje. Es un programa que funciona con base enlas nuevas técnicas de modelado con sistemas CAD.

Además de la parte de modelado mecánico, SolidWorks, también nos ha permitidorealizar la caracterización aerodinámica del vehículo a través de su módulo FlowSimulation.

SolidWorks Flow Simulation consiste en una potente herramienta de dinámicade fluidos computacional (CFD) que permite la simulación de flujos de fluidos,transferencias de calor y fuerzas de fluidos, que son parámetros fundamentales para el

éxito de los diseños.

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Anexos 30

ANEXO 2: C OMPONENTES DEL CAMIÓN CI STERNA

NOMBRE MODELO

Modelo global

Cisterna

Pasarela

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Anexos 31

Escalera

Cajón descargas

Cajónherramientas

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Anexos 32

Carenado partido

Paragolpes

Faldón trasero

Bastidor

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Anexos 33

Soporte paraciclistas

Rueda

Guardabarros

Guardabarrostrasero

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Anexos 34

Portamangueras

Cabina

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Anexos 35

ANEXO 3: R ESULTADOS OBTEN IDOS SOBRE EL VEH ÍCULO

ORIGINAL

3.1.- Vorticidad

Camiónoriginal

Mapa devorticidad enel eje mediodel camión

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Anexos 36

Mapa devorticidad enel eje de lasruedas del

camión

Trayectoriasde flujo de

vorticidad enel eje mediodel camión

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Anexos 37


vorticidad enel eje de lasruedas del

camión

3.2.- Velocidad

Camiónoriginal

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Anexos 38

Mapa develocidad enel eje mediodel camión

Mapa develocidad enel eje de lasruedas del

camión

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Anexos 39


velocidad enel eje mediodel camión


velocidad enel eje de lasruedas del

camión

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Anexos 40

ANEXO 4: R ESULTADOS DE REDI SEÑOS ENTRE CABI NA Y

CISTERNA

4.1.- Rediseño 1.1.

Rediseño 1.1


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Anexos 41




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Anexos 42



Resistenciaal avance [N]

3911,083


Rediseño 1.2

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Anexos 43




7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 44





3785,725

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 45

ANEXO 5: R ESULTADOS DE REDI SEÑOS EN ZONA TRASERA DEL

VEHÍCULO


Rediseño 2.1


7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 46




7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 47




3922,536


Rediseño 2.1

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 48




7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 49





3909,824

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 50

ANEXO 6: R ESULTADOS DE REDI SEÑOS EN LOS EJES DE LAS

RUEDAS


Rediseño 3.1

Mapa devorticidad en

el eje mediodel camión

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 51


camión



7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 52



camión


7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 53


camión



7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 54



camión


3732,142


Rediseño 3.2

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 55



camión

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 56





camión

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 57



camión

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 58





camión


3909,218

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 59


Rediseño 3.3


7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 60


camión



7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 61



camión


7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 62


camión



7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 63



camión


3742,638

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 64

ANEXO 7: R ESULTADOS DE REDI SEÑOS EN UN PARAGOLPES

DADO

7.1.- Vehículo sin paragolpes

Vehículo sin paragolpes


7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 65




7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 66




3278,899

7.2.- Paragolpes original aislado

Paragolpesoriginalaislado

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 67

Mapa devorticidad enel eje medio

del paragolpes

Mapa devorticidad ala altura delsoporte del paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 68


vorticidad en

el eje mediodel

paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 69

Trayectoriasde flujo devorticidad ala altura delsoporte del paragolpes

Mapa develocidad enel eje medio

del paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 70

Mapa develocidad ala altura delsoporte del paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 71


velocidad enel eje medio

del paragolpes

Trayectoriasde flujo develocidad ala altura delsoporte del

paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 72


192,587

7.3.- Paragolpes original acoplado al vehículo

Paragolpesoriginal

acoplado alvehículo

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 73


del paragolpes


7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 74


vorticidad enel eje medio

del paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 75



del

paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 76




del paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 77


paragolpes


3376,666

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 78

7.4.- Paragolpes 1 aislado


aislado

Mapa devorticidad en

el eje mediodel

paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 79

Mapa devorticidad ala altura delsoporte del

paragolpes



del

paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 80

Trayectoriasde flujo devorticidad ala altura del

soporte del paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 81


del paragolpes


7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 82



del paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 83

Trayectoriasde flujo develocidad ala altura delsoporte del paragolpes

Resistenciaal avance [N] 94,548

7.5.- Paragolpes 1 acoplado al vehículo

Paragolpes

(rediseño 1)acoplado al

vehículo

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 84


del

paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 85



vorticidad en

el eje mediodel

paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 86



del paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 87




del

paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 88



3266,306

7.6.- Paragolpes 2 aislado


aislado

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 89


del paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 90




del paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 91

Trayectoriasde flujo devorticidad ala altura delsoporte del

paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 92


del paragolpes


7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 93



del paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 94



7.7.- Paragolpes 2 acoplado al vehículo

Paragolpes

(rediseño 2)acoplado al

vehículo

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf


7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 96



del

paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 97



del paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 98




del paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 99


Resistencia

al avance [N]

3412,148

7.8.- Paragolpes con Airtabs aislado

Paragolpes

(con Airtab)aislado

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 100


del paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 101




del paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 102


7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 103


del paragolpes


7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 104



del paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 105



7.9.- Paragolpes con Airtabs acoplado al vehículo

Paragolpes(con airtabs)acoplado al

vehículo

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 106


del paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 107




del paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 108



7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 109


del paragolpes


7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 110



del paragolpes


7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 111


3277,368

7.10.- Paragolpes recortado

Paragolpesrecortado

(sin airtabs)


del paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 112


7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 113



del paragolpes


7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 114


del paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 115




del paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 116

Trayectoriasde flujo develocidad a

la altura delsoporte del paragolpes


105,747

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 117

Paragolpesrecortado

(con airtabs)

Mapa de


del paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 118




del paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 119



7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 120


del paragolpes


7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 121


velocidad en

el eje mediodel

paragolpes

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 122


paragolpes


135,721

7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 123

ANEXO 8: R ESULTADOS REDI SEÑO F INAL

Rediseñofinal


7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 124


camión



7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 125



camión


7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf




Anexos 126


camión



7/17/2019 TAZ-PFC-2014-244.pdf






camión


3630,00

TAZ-PFC-2014-244.pdf

Documents

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