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  • 8/16/2019 Metodo Para Analisis CFD Con NX Spanish

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    Establecimiento de metodologías para la realización de CFD mediante NX y

    planteamiento de propuestas de re-diseño en la carrocería del vehículo para la competición

    “Shell eco-maratón 2010”

    1

    .

    Rubén Jacob D., Diseñador Industrial Universidad de Valparaíso, Chile, Máster en Diseño Gestión y Desarrollo de Nuevos Productos, Universidad Politécnica de Valencia, España.

    Escuela Técnica superior de Ingeniería del Diseño. Instituto de Diseño y Fabricación, Máster en Diseño y fabricación integrada asistidos por ordenador (CAD CAM CIM). Universidad Politécnica de Valencia.

    Palabras clave: CFD, NX, análisis computacional de fluidos, aerodinámica, vehículo de alto rendimiento.

    Keywords: CFD, NX, computational fluid dynamics, aerodynamics, high efficiency car.

    Resumen.

    El presente trabajo se enfoca en el establecimiento de un procedimiento para la realización de análisis de rendimiento aerodinámico computacional mediante el software NX y, en base a los resultados obtenidos en dichos análisis, en el planteamiento de propuestas de optimización de la carrocería del vehículo para la competición “Shell eco maratón 2010” que desarrolla el Instituto de Diseño y Fabricación de la Universidad Politécnica de Valencia.

    Para el logro de los objetivos de éste trabajo se ha procedido, a partir del modelo CAD del vehículo, a la realización de una serie de simulaciones de acuerdo a las condiciones en las que el vehículo competirá, las que a continuación han sido registradas y comparadas para establecer tendencias en el comportamiento aerodinámico del vehículo existente. Con posterioridad se han propuesto modificaciones a la geometría original las que persiguen mejoras en el comportamiento observado a través de los análisis CFD (Computational Fluid Dynamics) realizados, siendo incorporadas nuevos modelos CAD.

    Este procedimiento se ha llevado a cabo hasta llegar a una optimización con el nivel esperado para el vehículo, validando durante su ejecución las herramientas para la realización de análisis aerodinámicos que posee la aplicación NX, y permitiendo a la vez la definición de un método a seguir en el desarrollo de éste tipo de análisis.

    Abstract.

     The present study focuses in the establishment of a procedure for the accomplishment of analysis of aerodynamic computational performance by means of the software NX and, on the basis of the results obtained in the above mentioned analyses, in the exposition of offers of optimization of the body of the vehicle for the competition "Shell eco-marathon 2010" that develops the Institute of Design and Manufacture of Universidad Politécnica de Valencia.

     To achieve the objectives of this work, has been carried to the completion, from the CAD model of the vehicle, to the accomplishment of a series of simulations under conditions in which the vehicle will compete, which later have been registered and compared to establish trends in the aerodynamic behavior of the existing vehicle. With posteriority this study has proposed modifications to the original geometry of pursuing improvements in behavior observed through the applied analysis CFD (Computational Fluid Dynamics), being incorporated new CAD models.

    1  El presente paper constituye un resumen de la tesina presentada para la obtención del título de “Máster en

    Diseño y Fabricación Integrada Asistidos por Computador” en la Universidad Politécnica de Valencia en el curso 2009-2010.

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      This procedure has been carried out to reach optimization with the expected level for the vehicle during its performance validated tools to perform aerodynamic analysis that has the NX application, and allowing both the definition of a method to follow in the development of this type of analysis.

    Introducción.

    La realización de simulaciones computacionales de dinámica de fluidos  (CFD) para la optimización del comportamiento aerodinámico de vehículos ha progresado de forma veloz en los recientes años, y ha pasado desde considerarse una disciplina de alta complejidad y reservada a grandes empresas o centros de investigación a estar disponible en aplicaciones comerciales de mediana complejidad, comprensibles por ingenieros no necesariamente expertos en el área y, gracias a su costo decreciente, a ser un recurso cada vez más útil en el proceso de desarrollo de diversos productos. La variedad de softwares con capacidades CFD, especializados o de propósitos generales es cada vez más amplia, lo que genera la necesidad de evaluarlos y tomar decisiones respecto a cuáles son los adecuados de acuerdo a los requerimientos de cada situación. Este trabajo entre otros aspectos evalúa las capacidades de la plataforma PLM de Siemens, NX v7, en particular de su módulo de simulación avanzada y su solver de resolución CFD (Flujo/Térmico de la aplicación NX).

    El caso que se analiza es el proceso de desarrollo de la carrocería del vehículo que el Instituto de Diseño y Fabricación de la Universidad Politécnica de Valencia ha presentado para la competición internacional “Shell Eco-Maratón 2010”, evento que estimula y premia desarrollo de vehículos de alto rendimiento, para lo cual el aspecto aerodinámico resulta fundamental.

    En el presente trabajo la geometría inicial que se ha propuesto para este vehículo ha sido evaluada aerodinámicamente a través de un análisis CFD que simula condiciones similares a las que enfrentará en la competencia, definiendo a la vez un método a seguir para la realización de simulaciones CFD mediante NX. Con posterioridad, a la luz de los resultados obtenidos en los análisis realizados, se proponen modificaciones que sean capaces de optimizar su comportamiento aerodinámico. Este proceso es repetido hasta obtener una forma definitiva que tenga el desempeño esperado para el

    vehículo

    Las modificaciones más trascendentes, el método seguido para la realización de los análisis, y las conclusiones obtenidas sobre los diversos aspectos de las simulaciones CFD llevadas a cabo son descritos en las siguientes páginas.

    Marco teórico.

    La investigación de enmarca en el área de la aerodinámica y la dinámica de fluidos, disciplinas hacia las que se busca un acercamiento sencillo y claro a través de las herramientas computacionales del

    software NX.

    Aerodinámica.

    Al interactuar en un proceso mecánico dos cuerpos sólidos, las fuerzas entre ellos se registran y actúan en el punto de contacto, sin embargo cuando un sólido actúa con un fluido, (para efectos de los estudios aerodinámicos el fluido será aire) en las moléculas de éste último se produce una distorsión, y comienzan a moverse por la superficie, alrededor del sólido, manteniendo un estrecho contacto físico entre todos sus “puntos”, por ello las fuerzas en éste sistema deben considerarse en todos los puntos de la superficie del vehículo, en la práctica casi infinitos, determinados por el tamaño extremadamente pequeño de las moléculas del fluido[1]. Debido a lo anterior, siempre existirán dos fuerzas a considerar, una “fuerza de presión”, normal a la superficie del cuerpo, producto de la velocidad relativa entre

    ambos, y una “fuerza de rozamiento”, tangente a la superficie del cuerpo, debida a la viscosidad del aire.

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    Daniel Bernoulli estableció el principio físico que lleva su nombre y que señala que, en un fluido en movimiento, la suma de la presión y de la velocidad en un punto cualquiera permanece constante, por lo tanto si se aumenta la velocidad, disminuye la presión, y viceversa. Esto resulta clave pues permite establecer una distribución de presiones sobre un cuerpo sólido que se desplaza en un fluido a partir de una distribución de velocidades, y a la inversa. Si se suman todas las fuerzas de presión que actúan sobre los diferentes elementos de la superficie, se obtiene como resultante, una fuerza total, que se aplicará

    sobre un punto imaginario, denominado “centro de presiones”. Como siempre será conocida ladirección del movimiento del fluido, o más bien la del automóvil, es posible descomponer esa fuerza total en dos componentes, uno en la dirección de movimiento del fluido, y otra perpendicular a la primera, estas fuerzas son la “fuerza de arrastre”,  que se opone al movimiento del vehículo, y la segunda“fuerza de adherencia o sustentación”, que hace que el vehículo se adhiera o tenga tendencia a elevarse del suelo. Lo anterior, es también válido para las fuerzas de rozamiento. 

    Ilustración 1 - Fuerzas Aerodinámicas, centro de presiones, y componentes en cada dirección.[2] 

    Coeficiente Aerodinámico.

    Debido a complejidad de los efectos del aire sobre el vehículo y para hacer posible su estudio se hace depender estas relaciones de fuerzas en una única variable coeficiente) que permita, de una forma simple, conocer los efectos que resulten presentes. El valor de estos coeficientes es determinado de forma experimental en un entorno controlado (por ejemplo, túnel de viento), en el que se conoce la velocidad, la densidad del aire, la proyección frontal del mismo, y se determinan el arrastre y la sustentación producida sobre el vehículo.

    El coeficiente más importante en esta área es el “coeficiente de arrastre”,  también llamado “coeficiente aerodinámico” o “coeficiente de penetración” y conocido por su notación Cx, que se determina