arrasto 2-d de um caminhão de container

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA

Métodos Computacionais em Engenharía

Térmica e Ambiental EM - 974

AlunosAlunos : : Alessandro H. Nakamura Alessandro H. Nakamura 023004 023004

Edmundo Javier P. MarkensEdmundo Javier P. Markens 108031108031

ProfessorProfessor : : Eugênio Spanó RosaEugênio Spanó Rosa

DataData : : 30 de junho de 201030 de junho de 2010

Introdução Introdução ao Trabalhoao Trabalho

- O combustível chega a representar cerca de 25% no total de despesas por - O combustível chega a representar cerca de 25% no total de despesas por veículo para os frotistas e, por esse motivo, a busca por soluções de veículo para os frotistas e, por esse motivo, a busca por soluções de redução de consumo de combustível tem sido uma constante para qualquer redução de consumo de combustível tem sido uma constante para qualquer empresa de transporte no mundo. empresa de transporte no mundo.

- O desafio está em reduzir o consumo de combustível sem afetar o - O desafio está em reduzir o consumo de combustível sem afetar o desempenho do veículo. Essa constatação está fazendo com que o uso de desempenho do veículo. Essa constatação está fazendo com que o uso de defletores tipo sopiler cresça a cada dia entre as empresas de transportes defletores tipo sopiler cresça a cada dia entre as empresas de transportes de cargas, visando reduzir o consumo e melhorar o desempenho. de cargas, visando reduzir o consumo e melhorar o desempenho.

Objectivos do TrabalhoObjectivos do Trabalho

- O principal objetivo do estudo é determinar a diminiução do consumo de - O principal objetivo do estudo é determinar a diminiução do consumo de combustivel desse caminhão analisando a diminuição da força de arrasto de combustivel desse caminhão analisando a diminuição da força de arrasto de um caminhão transportador de container pela utilização de diferentes um caminhão transportador de container pela utilização de diferentes spoilers superiores.spoilers superiores.

Consumo de CombustívelConsumo de Combustível

- A importância relativa do design - A importância relativa do design aerodinâmico para reduzir o consumo de aerodinâmico para reduzir o consumo de combustível de um caminhão pode ser visto combustível de um caminhão pode ser visto de uma vista geral de vários fatores de uma vista geral de vários fatores involvendo consumo de combustível. involvendo consumo de combustível.

- Como a figura mostra, 15% do combustível - Como a figura mostra, 15% do combustível é usado para compensar o atrito no motor, é usado para compensar o atrito no motor, caixa de marchas e barra de direção. 45% do caixa de marchas e barra de direção. 45% do combustível é utilizado para superar a combustível é utilizado para superar a resistência de rolamento. O arrasto é resistência de rolamento. O arrasto é responsável por 40% do consumo de responsável por 40% do consumo de combustível.combustível.

Revisão de Literatura Revisão de Literatura

velocidade do veículo vs. arrastovelocidade do veículo vs. arrasto

Aerodinâmica e ArrastoAerodinâmica e Arrasto

- A fonte do arrasto pelo atrito de superfície é o contato entre o fluxo de ar e - A fonte do arrasto pelo atrito de superfície é o contato entre o fluxo de ar e o corpo em questão. Por causa da viscosidade do ar, uma camada de ar ao o corpo em questão. Por causa da viscosidade do ar, uma camada de ar ao redor do veículo, conhecida como camada limite, é arrastada junto com ele redor do veículo, conhecida como camada limite, é arrastada junto com ele criando forças de cisalhamento. A soma dessas forças por toda a superfície criando forças de cisalhamento. A soma dessas forças por toda a superfície produzem o arrasto na superfície pelo atrito, com os lados e o topo fazendo produzem o arrasto na superfície pelo atrito, com os lados e o topo fazendo as maiores contribuições. Deve-se notar que este arrasto aumenta com o as maiores contribuições. Deve-se notar que este arrasto aumenta com o aumento do comprimento do veículo. Para manter este arrasto pequeno, as aumento do comprimento do veículo. Para manter este arrasto pequeno, as superfícies devem ser lisas.superfícies devem ser lisas.


arrasto por pressão vs. arrasto por atritoarrasto por pressão vs. arrasto por atrito

- A correlação entre arrasto por - A correlação entre arrasto por pressão e pelo atrito para pressão e pelo atrito para diferentes tipos de veículos é diferentes tipos de veículos é ilustrada. É mostrado que o ilustrada. É mostrado que o arrasto pela pressão é a arrasto pela pressão é a componente principal no caso de componente principal no caso de veículos pesados.veículos pesados.


- O arrasto “D” pode ser representado pela seguinte fórmula:- O arrasto “D” pode ser representado pela seguinte fórmula:

- O arrasto de um veículo é determinado pela extensão substancial de seu O arrasto de um veículo é determinado pela extensão substancial de seu formato. Para expressar a qualidade da aerodinâmica do design de um formato. Para expressar a qualidade da aerodinâmica do design de um veículo com um só número, usamos o que é chamado de “coeficiente de veículo com um só número, usamos o que é chamado de “coeficiente de arrasto” Cd, o que é arrasto” Cd, o que é determinada como se seguedeterminada como se segue;;

- Onde (Cd) é o coeficiente de arrasto, “rho” (Onde (Cd) é o coeficiente de arrasto, “rho” (ρρ) é a densidade do ar, (Uo) é ) é a densidade do ar, (Uo) é a velocidade do caminhão e (S) a área frontal. O arrasto é, então, a velocidade do caminhão e (S) a área frontal. O arrasto é, então, determinado pelo formato aerodinâmico expressado em termos de (Cd), a determinado pelo formato aerodinâmico expressado em termos de (Cd), a pressão do vento (pressão do vento (ρ ρ xx ½Uo ½Uo22) e o tamanho do veículo (S).) e o tamanho do veículo (S).


2

²***Uo

SCD d

2

²**U

S

DCd

coeficiente de arrasto para tipos diferentes de veículoscoeficiente de arrasto para tipos diferentes de veículos


- Como o Cd é sempre relacionado com a área - Como o Cd é sempre relacionado com a área frontal S, o produto Cd x S (conhecido como área frontal S, o produto Cd x S (conhecido como área de arrasto) é crítico para o arrasto e sua de arrasto) é crítico para o arrasto e sua contribuição para o consumo de combustível. contribuição para o consumo de combustível. Logo, um veículo com alto Cd e pequena área S Logo, um veículo com alto Cd e pequena área S pode ter um arrasto menor do que um veículo pode ter um arrasto menor do que um veículo grande com baixo Cd e vice-versa.grande com baixo Cd e vice-versa.


resistência ao fluxo para diferentes geometriasresistência ao fluxo para diferentes geometrias

Condições de Contorno e Modelos UtilizadosCondições de Contorno e Modelos Utilizados

Desenho do CaminhãoDesenho do Caminhão

- Como estudaremos especificamente a diminuição do arrasto pela - Como estudaremos especificamente a diminuição do arrasto pela utilização de três diferentes tipos de spoilers, utilização de três diferentes tipos de spoilers, as seguintes condições as seguintes condições foram estabelecidas:foram estabelecidas:

- caminhão como um só objeto pela utilização de colares para - caminhão como um só objeto pela utilização de colares para cabine;cabine;

- rodas cobertas com painéis; - rodas cobertas com painéis; - perfil do caminhão foi feito no PRO/Engineer com - perfil do caminhão foi feito no PRO/Engineer com cantos cantos

arredondados arredondados na frente na frente de modo a aproximar o design da realidadede modo a aproximar o design da realidade

Caminhão sem spoilerCaminhão sem spoiler

- As dimensões do caminhão consideradas foram:- As dimensões do caminhão consideradas foram:

- cabine: 2 metros de altura e 2,5 metros de comprimento- cabine: 2 metros de altura e 2,5 metros de comprimento- container: 3,5 metros de altura e 8 metros de comprimento- container: 3,5 metros de altura e 8 metros de comprimento- - larguralargura : 3 metros : 3 metros

Spoilers utilizadosSpoilers utilizados

Spoiler tipo 1Spoiler tipo 1 Spoiler tipo 2 Spoiler tipo 2 Spoiler tipo 3 Spoiler tipo 3

Caminhão com Spoiler 1Caminhão com Spoiler 1 Caminhão com Spoiler 2 Caminhão com Spoiler 2 Caminhão com Spoiler 3 Caminhão com Spoiler 3

Condições de Contrno e Modelos UtilizadosCondições de Contrno e Modelos Utilizados

Malha e ResíduosMalha e Resíduos

- A escolha da malha foi feita tomando por base os resíduos gerados em cada A escolha da malha foi feita tomando por base os resíduos gerados em cada simulação e com base na distribuição de pressão e velocidade obtidos. simulação e com base na distribuição de pressão e velocidade obtidos. Foram feitas 3 simulações de malhas diferentes (malha A, B e C) e aquela Foram feitas 3 simulações de malhas diferentes (malha A, B e C) e aquela que obteve menores resíduos foi escolhida como a “malha refinada” a ser que obteve menores resíduos foi escolhida como a “malha refinada” a ser utilizada em todas as outras simulações.utilizada em todas as outras simulações.


Malha AMalha A Malha BMalha B Malha CMalha C

Malha e Resíduos Malha e Resíduos

- Também fizemos simulação de malha default (dada pelo próprio Também fizemos simulação de malha default (dada pelo próprio PHOENICS). Os resíduos obtidos foram um pouco mais baixos do que os PHOENICS). Os resíduos obtidos foram um pouco mais baixos do que os anterior.anterior. Mas, como é uma malha grosseira, não foi capaz de apresentar os Mas, como é uma malha grosseira, não foi capaz de apresentar os fluxos de maneira satisfatória no que diz respeito aos vórtices e separações fluxos de maneira satisfatória no que diz respeito aos vórtices e separações em lugares de maior interesse.em lugares de maior interesse.

- Foram adicionados objetos “NULL” para que pudessemos refinar a malha - Foram adicionados objetos “NULL” para que pudessemos refinar a malha em regiões de interesse, como a parte superior do spoiler e na parte frontal em regiões de interesse, como a parte superior do spoiler e na parte frontal do caminhão. Foram feitas modificações no “Power Law” para que também do caminhão. Foram feitas modificações no “Power Law” para que também cobríssemos regiões interessantes.cobríssemos regiões interessantes.

- Como foi a malha A que resultou em resíduos mais aceitáveis, ela é a que - Como foi a malha A que resultou em resíduos mais aceitáveis, ela é a que será utilizada nas próximas simulações.será utilizada nas próximas simulações.


configurações na direção Xconfigurações na direção X configurações na direção Yconfigurações na direção Y

Modelo de TurbulenciaModelo de Turbulencia

- Testamos dois modelos de turbulência: KECHEN e LVEL. Para ambos, Testamos dois modelos de turbulência: KECHEN e LVEL. Para ambos, analisamos os resultados de forças. São apresentadas a seguir:analisamos os resultados de forças. São apresentadas a seguir:

- Ambos modelos resultaram em dados satisfatórios com algumas diferenças - Ambos modelos resultaram em dados satisfatórios com algumas diferenças entre eles. Optamos por utilizar o modelo KECHEN pois é o mais indicado entre eles. Optamos por utilizar o modelo KECHEN pois é o mais indicado para a simulação em questão, já que ele retorna bons resultados sobre para a simulação em questão, já que ele retorna bons resultados sobre separação de camadas e vórtices. O modelo LVEL, no entanto, se mostra mais separação de camadas e vórtices. O modelo LVEL, no entanto, se mostra mais útil quando existem muitos objetos e a malha é grosseira (o que não é o caso).útil quando existem muitos objetos e a malha é grosseira (o que não é o caso).


sem spoiler utilizando LVELsem spoiler utilizando LVEL sem spoiler utilizando KECHENsem spoiler utilizando KECHEN

spoiler tipo 1 utilizando LVELspoiler tipo 1 utilizando LVEL spoiler tipo 1 utilizando KECHENspoiler tipo 1 utilizando KECHEN

Caso sem spoilerCaso sem spoiler

Análise Numérica e ResultadosAnálise Numérica e Resultados

campo de velocidadescampo de velocidades distribuição de pressãodistribuição de pressão

caminhão sem spoilercaminhão sem spoiler

Caso spoiler tipo 1Caso spoiler tipo 1



caminhão com spoiler tipo 1caminhão com spoiler tipo 1

Resultados ObtidosResultados Obtidos


força do arrasto caminhão sem spoilerforça do arrasto caminhão sem spoiler força do arrasto caminhão com spoiler tipo 1força do arrasto caminhão com spoiler tipo 1

força do arrasto caminhão com spoiler tipo 2força do arrasto caminhão com spoiler tipo 2 força do arrasto caminhão com spoiler tipo 3força do arrasto caminhão com spoiler tipo 3

SemSem Spoiler Spoiler Spoiler 1Spoiler 1 Spoiler 2Spoiler 2 Spoiler 3Spoiler 3ForçasForças do do ArrastroArrastro

6,661E03 (N)6,661E03 (N) 2,239E03 (N)2,239E03 (N) 6,637E03 (N)6,637E03 (N) 2,959E03 (N)2,959E03 (N)

SpoilerSpoiler Tipo1Tipo1 Tipo 2Tipo 2 Tipo3Tipo3Redução do Redução do

arrastoarrasto66,37%66,37% 0,36%0,36% 55,58%55,58%


- Determinação da redução do consumo de combustível devido ao uso de - Determinação da redução do consumo de combustível devido ao uso de spoiler:spoiler:

- Como foi dito anteriormente, o arrasto é responsável por 40% do consumo - Como foi dito anteriormente, o arrasto é responsável por 40% do consumo de combustível;de combustível;

Spoiler 1:Spoiler 1: (66,37%) x (40%) (66,37%) x (40%) = = 26,55%. 26,55%.

Spoiler 2:Spoiler 2: (0,36%) x (40%) (0,36%) x (40%) = = 0,14%. 0,14%.

Spoiler 3:Spoiler 3: (55,58%) x (40%) (55,58%) x (40%) ==22,23%.22,23%.

- Determinação da coeficiente de arrasto (Cd):- Determinação da coeficiente de arrasto (Cd):

- Parâmetros e unidades utilizadas;- Parâmetros e unidades utilizadas;

D = forçasD = forças do do arrastro (N) arrastro (N) ρρ = 1,189 (kg/m = 1,189 (kg/m33))Uo = 80 (kn/h) = 22,22 (m/s)Uo = 80 (kn/h) = 22,22 (m/s)S = 3 (m) x 3,5 (m) = 10,5 (mS = 3 (m) x 3,5 (m) = 10,5 (m22))


2

²**U

S

DCd


-Determinação da coeficiente de arrasto (Cd):Determinação da coeficiente de arrasto (Cd):


Sem SpoilerSem Spoiler Spoiler 1Spoiler 1 Spoiler 2Spoiler 2 Spoiler 3Spoiler 3Coeficiente de Coeficiente de

Arrastro Arrastro “Cd”“Cd”

2,1612,161 0,7260,726 2,1532,153 0,960,96

coeficiente de arrasto para diferentes objetoscoeficiente de arrasto para diferentes objetoscoeficiente de arrasto para tipos diferentes de veículoscoeficiente de arrasto para tipos diferentes de veículos

- Os altos valores do coeficiente de arrasto do caminhao sem spoiler e com - Os altos valores do coeficiente de arrasto do caminhao sem spoiler e com spoiler 2 se deve ao fato de poderem ser interpretados como sendo placas spoiler 2 se deve ao fato de poderem ser interpretados como sendo placas planas retangulares normais ao fluxo, como mostra a tabela 2.1.planas retangulares normais ao fluxo, como mostra a tabela 2.1. - O comportamento da camada limite, como mostrado na literatura, atua - O comportamento da camada limite, como mostrado na literatura, atua corretamente de acordo com os gráficos obtidos a velocidade e pressão, o corretamente de acordo com os gráficos obtidos a velocidade e pressão, o que demonstra um adequado desenho utilizado.que demonstra um adequado desenho utilizado. - Segundo nossa análise, o melhor spoiler recomendado para utilizaçao é o - Segundo nossa análise, o melhor spoiler recomendado para utilizaçao é o tipo 1, o qual mostra uma boa reduçao da força de arrasto. O coeficiente de tipo 1, o qual mostra uma boa reduçao da força de arrasto. O coeficiente de arrastro calculado Cd=0,74 concorda com a literatura como mostrado na arrastro calculado Cd=0,74 concorda com a literatura como mostrado na figura 2.5.figura 2.5. - O spoiler tipo 2 resulta em uma diminuição muito pequena em comparação - O spoiler tipo 2 resulta em uma diminuição muito pequena em comparação aos outros tipos de spoilers. Portanto, indica o tipo de spoiler menos aos outros tipos de spoilers. Portanto, indica o tipo de spoiler menos recomendado para ser utilizado.recomendado para ser utilizado. - É vantajoso, se possível, usar uma cabine menor e um container mais - É vantajoso, se possível, usar uma cabine menor e um container mais baixo, já que reduz diretamente o arrasto e, assim, reduzir o consumo de baixo, já que reduz diretamente o arrasto e, assim, reduzir o consumo de combustível. combustível.

Conclusões Conclusões do Trabalhodo Trabalho

arrasto 2-d de um caminhão de container

Documents