O início da análise de dinâmica de fluidos computacional CFD é chamado de pré-processamento, é definido pelo modelo CAD e pela a malha. Nesta etapa, as equações de turbulência (equações RANS) são definidas para todos os elementos da superfície do modelo e do ambiente. As equações de Navier-Stokes são definidas para o modelo discretizado. Depois disso, as condições de contorno são definidas e a simulação está pronta para iniciar. Nenhum desses processos é executado manualmente, de fato, a divisão do modelo CAD em partes é um exemplo. Os processos relativos à malha, como malha de superfície e morphing, são automáticos. No entanto, é necessário uma divisão bem feita para definir as melhores partes do carro a serem analisadas, como por exemplo os sidepods blanks, rodas e difusores.

O modelo estanque (Watertight)

Embora o modelo CAD seja importante para uma análise CFD, o modelo estanque (WM) é um ponto chave para isso. Na verdade, esta é uma versão do modelo CAD, mas incluindo apenas o que é realmente importante para uma análise CFD aerodinâmica. Assim, algumas peças poderiam ter suas características mais simples para reduzir o esforço computacional. Através do WM também é ajustado ao conjunto mecânico do carro na simulação CFD. Em outras palavras, altura do passeio, cambagem, deformação do pneu, convergência e a configuração das asas.

As principais inclusões do modelo estanque para execuções CFD são rodas, dutos de refrigeração para radiadores e intercoolers, dutos de freio, dutos sob o capô e difusores. Para cada um existe uma razão para sua análise. Por exemplo, os dutos de resfriamento, em qualquer sistema, costumam ser analisados em termos da quantidade de fluxo de massa, se é insuficiente ou não, se é a quantidade de energia necessária para manter o motor em sua temperatura de operação ou se os freios são devidamente resfriados.

Rodas

As rodas são partes muito complexas da aerodinâmica dos carros de corrida. Como os pneus são componentes sensíveis às cargas (F_z), estes possuem regimes transitórios. Isso significa que seus efeitos estão sempre mudando. Além disso, o rodízio dos pneus gera um efeito esteira (wake) que atrapalha o fluxo de ar pelas asas. A análise CFD sobre rodas é focada nas consequências da rotação do pneu. Existem três pontos de análise, a parte superior, inferior e interna da roda. A primeira contabiliza o wake, daí o arrasto. Isso ocorre devido ao ponto de desprendimento do fluxo, que fica na parte superior do pneu. A largura e a forma da esteira podem resultar em um aumento drástico do arrasto.

A parte inferior do pneu é tão crítica quanto a superior, por causa da deformação da área de contato, da curvatura e dos ângulos de convergência. Normalmente, os carros de corrida correm com pressão mais baixa e cambagem negativa. Em outras palavras, uma área de contato assimétrica. O resultado é o esmagamento do ar naquela região. Isso atrapalha o fluxo de ar para a parte inferior da asa do carro, portanto, o downforce gerado nesta região. A parte interna da roda é contabilizada na análise CFD devido à presença do disco de freio. Normalmente, um duto é usado para resfriamento. Essa região é importante porque a quantidade de resfriamento nessa zona define a temperatura do pneu e do freio. Portanto, esse duto é usado para resfriamento do aro e do disco de freio. A análise CFD nesse ponto indica o efeito de bloqueio e quanto fluxo de ar de massa é fornecido a esses componentes.

Limites do domínio

O ambiente em que a análise CFD é feita é bem definido, um volume retangular com o modelo estanque dentro dele. No entanto, este é cortado longitudinalmente em duas metades. Assim, a simulação é feita em apenas metade do carro. Os carros de corrida costumam deixar um grande rastro (wake) para trás e isso deve ser avaliado pelo aerodinamicista para entender os efeitos do rastro no carro que vem atrás. O ambiente retangular é uma estrutura de 20,0 x 20,0 x 50,0 m na qual o carro é posicionado de forma que a distância entre o bordo de ataque e o eixo dianteiro seja de 20,0 m, portanto deste até o bordo de fuga seja de 30,0 m. A razão por trás desse volume é que os carros de corrida costumam deixar um grande rastro e isso deve ser avaliado pelo aerodinamicista para entender os efeitos do rastro no carro que vem atrás. Uma característica importante do ambiente são os efeitos da altura do percurso. Entendendo que o carro muda em qualquer condição de condução, é possível rodar o ambiente de acordo com isso. Por exemplo, considerando a diferença entre a altura de rodagem traseira e dianteira devido à configuração estática, rolamento e inclinação. Esse recurso é muito útil em corridas ovais, onde as curvas têm uma grande inclinação.

Efeito da altura em relação ao solo nos aero mapas

Para carros de corrida de primeira linha, um dos principais parâmetros para um bom desempenho aerodinâmico é a altura ao solo do veículo. Uma vez que hoje em dia os carros de corrida possuem bons sistemas de aquisição de dados, a altura de passeio (RH) mais representativa pode ser segregada para ser usada em simulações de CFD. Na verdade, os carros de corrida são geralmente desenvolvidos em termos de aerodinâmica em dois ambientes, túneis de vento e simulações CFD e os dados de RH permitem construir uma análise de sensibilidade dos principais movimentos do carro, que são guinada (yaw), rolagem (roll) e direção (steer), em relação à RH. O carro deve estar em um domínio que esteja no mapa solicitado para simular. Existem diferentes fases do carro na pista: aceleração em linha reta, frenagem, alta velocidade e curvas de baixa velocidade. Todos eles possuem uma faixa de RH dentro do mapa. Embora seja muito demorado simular todos os pontos do mapa, é possível extrair alguns pontos amostrais de cada condição para obter a sensibilidade do carro à RH. O mesmo tipo feito na pista também é realizado no túnel de vento e simulações CFD. Na verdade, os dados coletados na pista serão usados para alimentar esses processos. A primeira análise é do modelo base, os resultados não atingem a meta, o que é mais ou menos esperado. Assim, o desenvolvimento é iniciado pela mudança de componentes aerodinâmicos em diferentes áreas como uma tentativa de limpar o fluxo, diminuir o arrasto, aumentar a força descendente e estabilizar o equilíbrio do carro. Porém, todo esse trabalho é inútil se o carro for avaliado apenas em uma única condição, pois este perde o comportamento da opção durante o teste de pista. Por exemplo, quando a altura do carro está sendo modificada e este carro faz uma curva, a RH muda. O impacto é que algumas opções são boas para algumas situações, mas ruins em outras.

Assim, normalmente o desenvolvimento é feito em duas faixas de pontos do mapa, verificando diferentes configurações do carro em termos de RH, rolamento e direção. No ambiente CFD, isso é feito por um modelo estático. Este é congelado no RH desejado, então a simulação é iniciada. Cada simulação com RH diferente requer retornar ao modelo CAD e modificar a geometria, pois a mudança de RH impacta na curvatura das rodas e no layout da suspensão. No entanto, esse processo é muito demorado e requer uma abordagem melhor. O truque para evitar isso é chamado de morphing. A automação neste caso é ter um RH de projeto no qual o processo de morphing é aplicado, ou seja, congelar a suspensão e girar a roda de acordo com o valor do camber para mudar automaticamente o RH da simulação. A vantagem deste método é que não requer voltar ao projeto CAD, há uma lista predefinida de RH que deve ser simulada. Portanto, o processo CFD executará apenas o RH definido. Os algoritmos fazem o processo de mover o domínio, fazendo o morphing da suspensão e organizando esses movimentos para atingir um ponto específico do mapa. Os pontos do mapa são realmente geometria pura, mecânica racional e movimentos 3D que podem ser escritos analiticamente. No entanto, esse processo não é feito para cada condição. Por exemplo, em uma condição de linha reta, aceita-se que a área de contato seja aproximadamente a mesma. Em movimentos de curvas de alta e baixa velocidade, essa suposição não pode ser feita. Os processos de morphing são feitos na carroceria ou chassi, as superfícies são adaptadas e as rodas são trocadas para colocar um ponto de amostra e depois mudar para outra amostra. Todo esse processo entrega a posição do carro em relação ao domínio como preparação básica, ou seja, o modelo estanque e o CAD com todas as rodas. Existem outros tipos de simplificações para tornar o CAD viável em CFD, mas o mais importante é como a malha é discretizada.

Referências

• Este artigo foi baseado em todas as anotações feitas durante as palestras de Aerodinâmica Industrial ministradas na Dallara Academy.