O desenvolvimento aeronáutico começa no projeto conceitual, cuja saída é usada como gatilho para os processos de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) e Túnel de Vento. Cada um deles tem cerca de três fases. O processo WT aproveitou o conceito e os dados do projeto para construir o modelo de túnel de vento (WTM). Isso é baseado em processos de produção, pré-montagem e teste. O processo CFD é composto por pré-processamento, resolução e pós-processamento. Um ponto importante sobre esses dois caminhos no desenvolvimento aerodinâmico é que o CFD rege essa fase, o que significa que qualquer inovação de modelo ou modificação de forma será previamente testada em ambientes CFD e WT. Este tem o potencial de analisar muitas configurações da forma do modelo. Por exemplo, a análise do primeiro conceito de asa. Em apenas uma corrida WT, é possível testar várias posições de asa. No entanto, o processo WT requer ferramental, portanto, técnico muito qualificado. Portanto, o CFD pode passar do pré-processamento para o pós-processamento muito rapidamente. Essa diferença é o que faz com que o processo CFD teste muitas variações do modelo, assim conduz todo o desenvolvimento aeronáutico. As opções macro e principais de arquitetura são definidas no processo CFD. O mais interessante vai para o WT para avaliar todas as configurações de asa e ride height.

Depois disso, os dados de ambos os caminhos são mesclados e usados como entradas para a validação e correlação em escala real. Dependendo do projeto e de sua situação atual, esse processo pode seguir dois caminhos. De qualquer forma, segue um ambiente controlado, que é o túnel de vento, mas com uma maquete em escala real. Normalmente, os primeiros WTM são modelos em escala de 40 a 60%. Ou um ambiente de pista, onde a avaliação aerodinâmica é realizada em ambiente real. A principal diferença entre essas etapas é que a última usa um carro real. Finalmente, os dados medidos na correlação e validação em escala real são usados para alimentar a primeira etapa, conceito e design, mas não sendo uma segunda fase do desenvolvimento aerodinâmico que é a otimização do desempenho. Portanto, o processo de CFD é a parte mais importante, pois é o mais rápido na entrega de resultados, mas também requer muitos layouts de simulação para dar suporte ao projeto. Isso depende da sinergia entre CFD, WT e pessoal de teste de pista.

Ferramentas de CFD

O desenvolvimento aerodinâmico lida com diversas áreas do projeto do veículo. Em termos de carros de corrida, o principal é o desempenho aerodinâmico e o mapa aerodinâmico CFD. Eles definem o arrasto, a força descendente, o equilíbrio aerodinâmico, o impacto do estilo de design, a aerodinâmica ativa e a sensibilidade à altura do percurso. A saída dessas áreas são as simulações estáveis e transitórias, pontos de mapa e análise de ultrapassagem. Ou seja, cria pacotes de dados que caracterizam o comportamento do veículo sob o fluxo. A análise dos sistemas de refrigeração e do motor são importantes para entender o campo de temperatura, mas mais importante, a energia transferida para o fluxo. Além destes, a análise de conforto, multifísica e medições de fluxo 3D. A primeira está mais relacionada aos veículos rodoviários, pois há maior preocupação com os ruídos do vento. A multifísica lida com as interações das partículas dentro do fluxo e o fluxo 3D mede a posição dessas partículas ao longo do fluxo por velocimetria de imagem de partículas (PIV).

O mapa de pontos é o principal método de análise, capaz de fornecer uma visão holística do comportamento do veículo (Figure 2). Isso é feito variando a altura do modelo do túnel de vento para emular os principais movimentos do veículo, que são frenagem, aceleração, curvas de alta velocidade, curvas de baixa velocidade e movimento em linha reta. Isso resulta em um grande mapa de desempenho, assim, contornos, sensibilidade e manuseio do veículo durante uma volta. Estes são todos baseados em alturas de condução RH e coeficientes aerodinâmicos. É interessante notar que os pontos do mapa são construídos não apenas para CFD, mas também para análise de WT. Neste, são necessárias suspensões ativas eletromecânicas para mudar o modelo de túnel de vento RH. No entanto, no software CFD é necessária uma ferramenta automática que altere o modelo CFD RH. Essa ferramenta é chamada de morphing, que é o congelamento de algumas partes ou sistemas do carro, enquanto outras partes do corpo ficam livres para se mover. É uma técnica CFD bastante comum que permite realizar movimentos relativos entre peças, sistemas e todo o corpo de forma automática. Isso é feito apenas definindo as posições dos nós de acordo com a demanda ou o tipo de avaliação. Para o gerenciamento dos pontos do mapa, a carroceria fica parada enquanto o domínio e as rodas estão em movimento. Este emula as diferentes manobras do veículo, apenas com a variação da posição das rodas e conseqüentemente a variação da altura do veículo. Por exemplo, o desenho RH é uma informação que acompanha o modelo CAD. Em CFD não existe um modelo CAD, mas sim uma malha de volume. Se a malha do volume da suspensão for transformada, é possível variar sua posição em relação à carroceria do veículo. Desta forma, é possível construir um mapa de pontos para todas as condições do veículo.

Simulações instáveis

O transiente de simulações instáveis é um ponto chave para avaliar o desempenho aerodinâmico externo devido a sua alta precisão dos coeficientes aerodinâmicos, especialmente para a avaliação do arrasto. Um fato interessante na análise aerodinâmica, são os valores razoáveis obtidos para balanceamento aerodinâmico e downforce e os valores estranhos obtidos para arrasto. A razão é que as equações RANS subestimam os coeficientes de arrasto. Por exemplo, os resultados observados em uma análise CFD de carro de corrida de roda aberta (Figura 3) são bastante suaves, ao usar simulações baseadas em equações RANS.

Como resultado, é possível visualizar o comportamento do fluxo, fornecendo resultados razoáveis para a estabilidade. Como o RANS suaviza todos os resultados, esse tipo de simulação não é adequado para visualizar o arrasto e, portanto, seus coeficientes.

Como alternativa para análise de arrasto e esteira, adotam-se simulações transitórias ou instáveis. Assim, as simulações RANS para análise de arrasto apresentam resultados cerca de 2-10% mais enviesados do que os obtidos por análise transiente, que são próximos das condições reais. Além da esteira, existem muitos pontos de alta e baixa pressão total nas simulações transitórias. Estes são maiores do que a mesma simulação feita com equações RANS.

Análise de wake

A análise do wake (Figura 5) é a principal utilizada para séries monomarca, pois a esteira produzida atrapalha muito o fluxo de ar para o carro que está logo atrás. Isso reduz a força descendente do veículo, portanto, sua capacidade de seguir o carro da frente. Categorias como a Indy Racing League, Fórmula 2 e Super Fórmula têm a capacidade de ultrapassagem como o principal alvo para o desenvolvimento aerodinâmico. Nestes casos quanto mais fácil for ultrapassar o carro da frente, mais legal será o campeonato. Existem vários parâmetros definidos como índices de ultrapassagem. Os principais são o balanceamento aerodinâmico delta e a redução de arrasto. Porém, isso não é totalmente verdade, pois o impacto da esteira no veículo da cauda inevitavelmente cria enormes dificuldades para ultrapassar o carro da frente, mesmo que estes tenham baixo arrasto.

Isso ocorre porque a esteira é uma consequência natural da movimentação do veículo e se concentra na parte central do veículo. Uma simulação CFD típica é feita com dois modelos CFD em um ambiente específico (Figura 6). Como se pode observar, a esteira concentra-se no centro do carro, quando este está a uma determinada distância. Como resultado, isso pode ser usado para desenvolver a asa dianteira para produzir mais downforce pelas extremidades da asa, já que o meio da pista do carro está basicamente imerso na esteira. Isso ajuda a reduzir a sensibilidade da asa dianteira à esteira, ajudando o carro a seguir o da frente. É interessante observar que a eficiência da asa dianteira varia de acordo com a distância do carro da frente. Por exemplo, a alguma distância dele, a asa dianteira pode funcionar com boa eficiência. Porém, se aproximar mais, essa eficiência diminui, pois o carro fica totalmente imerso na esteira. No entanto, o rastro é apenas um exemplo do efeito que um carro de corrida sofre ao correr atrás do outro. Há também o out-wash e o in-wash que ajudam a desenvolver a área do piso, o que também ajuda a manter o downforce em um bom nível, reduzindo ainda mais a sensibilidade do rastro. Portanto, o desenvolvimento das capacidades de ultrapassagem em séries de uma marca deve levar em consideração os outros requisitos de projeto, especialmente os efeitos da asa dianteira otimizada na parte traseira do carro. Além disso, com a Figura 6 também é possível avaliar a capacidade de curvas. Esta é uma análise peculiar, pois o carro está sob fluxo curvo em uma curva de grande raio. É possível avaliar as condições do tráfego dentro de uma curva para entender como a asa dianteira se comporta. O requisito de design muda em séries competitivas. Nesses casos, o desenho do perfil da asa adota formas que criam a maior esteira possível para reduzir a eficiência aerodinâmica do carro logo atrás.

Em um carro de corrida de rodas fechadas, a aerodinâmica se comporta de maneira diferente, o principal efeito aerodinâmico são os fenômenos instáveis, que levam a uma separação na parte traseira do carro e isso guia a esteira produzida. O problema é que a análise de ultrapassagem para este caso não tem o mesmo impacto que na série monomarca. A razão é que esses carros se comportam muito próximos uns dos outros, o efeito de liderar ou seguir não está tão ligado ao efeito de asa no fluxo de ar. Na verdade, os carros de corrida de rodas fechadas (CW) criam uma enorme pressão que influencia não só o carro que está seguindo, mas também o carro que está na frente. Neste ponto é possível entender como os carros de corrida de rodas abertas e fechadas devem ser conduzidos durante uma ultrapassagem. Por exemplo, carros de corrida CW geralmente ficam muito próximos uns dos outros durante as ultrapassagens. O motivo é um excesso de pressão que também altera o desempenho do carro da frente. É bastante interessante, pois a simulação CFD do carro GT sozinho e sendo perseguido por outro é bastante semelhante. No entanto, quando o carro na cauda fica muito próximo, o equilíbrio aerodinâmico, o arrasto e a força descendente do carro da frente mudam drasticamente devido à sobrepressão.

Modelagem de resfriamento e ventilador

O desempenho de resfriamento também é avaliado em CFD, isso é feito pela modelagem do ventilador. O ventilador é uma aplicação típica de carros de corrida CW, é usado para condições em que o fluxo de ar é insuficiente para resfriar o motor. Assim, os ventiladores são introduzidos para criar um fluxo de ar forçado que equilibra o calor contido no fluido refrigerante. Normalmente os ventiladores têm uma velocidade rotacional fixa, mas existem aplicações em que diferentes estágios de velocidade são usados. Com o carro em alta velocidade, o ventilador é desativado, pois o fluxo de ar é suficiente, ou mais, para resfriar o motor. Isso ocorre porque em maior velocidade, o fluxo de ar tem uma energia maior, que se equilibra com a quantidade de calor contido no refrigerante. Nesta situação, o ventilador entra na chamada condição de ventilador passivo. Existem duas condições diferentes de operação do ventilador e requerem uma configuração adequada para a simulação. A ventilação forçada pode ser feita de duas formas, pela curva de calibração, pelo modelo CAD e pelo método do referencial modelo (MRF).

Uma particularidade dos ventiladores é que são componentes de terceiros. Assim, alguns fornecedores são muito reservados em termos de compartilhamento de seu modelo CAD. Isso dificulta o trabalho com CAD, pois a geometria das pás é muito importante para caracterizar o ventilador no ambiente CFD. Daí as curvas de calibração serem mais adotadas nessa parte do processo de CFD, por ser um tipo de informação que os fornecedores preferem compartilhar. A curva de calibração contém a RPM máxima e o salto de pressão. Neste caso, configura-se a seguinte equação:

ΔP = Σ_n=1^N ƒ_n v^n-1

Sobre uma superfície introduzida impõe-se o salto de pressão relativo ao fluxo de ar já definido, assim fixa-se a RPM e fixa-se três pressões introduzidas no plano. No entanto, quando a geometria real está disponível e é configurado que está girando, o ventilador na verdade não está apenas fornecendo um aumento de pressão, mas também um efeito de turbilhão. Este é um efeito da rotação no fluxo, que dá componentes que não são uniformes no radiador. Por esse motivo, a adoção do método MRF é mais próxima da condição real em termos de desempenho dos radiadores.

Este é um trade-off que deve ser aceito. Além disso, o uso da geometria do leque (quando disponível) também considera as condições de contorno. Nesse caso, uma condição de contorno girando também está girando o referencial. Portanto, mover o referencial MRF é uma condição do volume que define que as células dentro desse volume estão se movendo dentro de uma certa lei. Isso é importante, pois apenas definir uma condição de rotação não é suficiente para reproduzir corretamente o aumento de pressão. Assim, se for feita apenas uma simulação do ventilador para verificar se esta geometria representa o aumento de pressão que a curva de calibração indica, será possível observar que as condições de contorno não são referidas. É necessário um MRF para fornecer o aumento de pressão correto.

Existem muitos ajustes considerando a calibração do ventilador, pois requer um MRF. Isso é recomendado quando há rotação de um corpo rígido. Por exemplo, ventiladores, discos de freio e palhetas são exemplos. Outro detalhe importante sobre a geometria do ventilador é que o arquivo CAD fornecido pelo fornecedor possui coordenadas próprias, o que significa que ele gira em uma determinada direção. Além disso, em muitas aplicações de carros de corrida e de alto desempenho, os ventiladores são usados em ambos os lados. Assim, entendendo que os carros são, da melhor forma, simétricos e no ambiente CFD o modelo estanque é dividido ao meio, o resultado de um lado deve ser replicado para o outro. O problema é que a rotação do ventilador não introduz uma condição simétrica no modelo. Esse efeito também ocorre em situações como a da Figura 8. Nesse caso, o efeito turbilhonamento está guiando para fora do fluxo. Por exemplo, considerando a entrada no para-choque dianteiro e a saída em direção ao para-brisa, o resultado é que o fluxo tomou um caminho curvo e apenas para um lado. Esse efeito ocorre, pois há apenas um dos radiadores que está totalmente quente. Por isso, tanto ventiladores quanto radiadores posicionados no mesmo local, mas em lados opostos apresentam resultados diferentes, portanto não são simétricos. É o caso do ventilador forçado.

É importante mencionar que o salto de pressão é um efeito diferente da queda de pressão. Na verdade, este é o caso do ventilador de roda livre. Este é o mesmo ventilador, mas em condições de operação diferentes. Quando o ventilador não está acionado, ele fica livre para girar por fluxo livre atuando nas pás. Mesmo desativado, o ventilador ainda exerce algum impacto na vazão após o radiador. O fornecedor também compartilha a curva de queda de pressão. O ventilador tem alguma inércia e tem que superar a inércia do ventilador para passar pelo radiador. Assim, quando o carro está em alta velocidade, o ventilador está roubando um pouco de energia do fluxo. Um carro em alta velocidade, o ventilador em condições de roda livre está atrapalhando o fluxo de ar. Portanto, com a curva de queda de pressão é possível caracterizar a superfície e configurar o software para definir a corrente livre que atravessa a superfície uma queda de pressão de acordo com a curva definida pelo fornecedor.

Outra situação possível durante o desenvolvimento aerodinâmico, é quando não há curva de queda de pressão, nem modelo CAD. Neste caso, a solução típica é apenas desprezar a inércia que existiria na superfície 3D que representa o ventilador. Está longe de ser o melhor caso, mas não é possível fazer suposições, pois tentativas e erros podem levar a um cenário imprevisível. Na verdade, o ponto chave é a inércia do ventilador, pois com esses dados é possível calcular a queda de pressão. A diferença de pressão é contabilizada sobre a pressão estática. As pás do ventilador possuem um pequeno ângulo, o que possibilita criar sucção e compressão enquanto o ventilador gira. A Figura 8 ilustra os resultados de uma simulação CFD, é possível notar a variação do coeficiente de pressão sobre a superfície da pá. O principal problema de resfriar simulações de CFD é que os fornecedores de ventiladores nem sempre enviam completamente os dados sobre seu produto.

Gerenciamento térmico

O gerenciamento térmico é importante para investigar os efeitos do campo de temperatura, para entender as temperaturas ao redor do carro. No entanto, as principais áreas são o radiador, os escapamentos e os efeitos dos gases de escape no fluxo de ar, o fluxo dentro do compartimento do motor e o resfriamento dos freios. Cada um desses exemplos é analisado por diferentes métodos. Por exemplo, fluxos que passam por radiadores, estes saem deles em estado quente e se fixam em diferentes superfícies. Esses casos geralmente são analisados usando as Equações de Navier-Stokes (NSE) incompressíveis. Os radiadores aumentam a temperatura do fluxo de ar, mas em um valor que não é suficiente para ser necessário considerar o efeito de acoplamento entre a velocidade e a temperatura. Em outras palavras, a velocidade está apenas criando convecção da temperatura em algumas áreas. Neste tipo de simulação é possível resolver o campo de fluxo frio e depois desligar a variável de fluxo e ligar apenas a temperatura. Fazendo isso, está sendo ativado o modelo onde a temperatura é conduzida e dominada pela velocidade do fluxo. No entanto, este não é afetado. É necessário entrar em um conjunto mais completo de NSE quando a temperatura estiver influenciando a velocidade do fluxo.

Arrefecimento freio

O resfriamento da frenagem é um processo muito complexo do ponto de vista da análise CFD, mas não tão complexo. Isso significa que a literatura por trás do resfriamento do freio é muito ampla e oferece uma boa base para estudos preliminares em termos de resfriamento do freio. A grande melhoria nessas análises foi a analogia de Reynolds. Ele afirma que a tensão de cisalhamento da parede está ligada ao coeficiente de transferência de calor. Assim, é possível analisar a tensão de cisalhamento da parede e onde ela for maior, o resfriamento do disco de freio será mais eficiente. Por outro lado, onde a tensão de cisalhamento da parede é menor, a eficiência de resfriamento do freio será menor, portanto, essa região exibirá temperatura mais alta. A analogia de Reynolds pode ser realizada em todas as simulações e exibe trinta indicações de como dois dutos de freio diferentes estão se comportando em termos de disco de freio, o que também requer geometrias detalhadas e condições de contorno. Neste caso também há uma pós-convecção. A geração de calor do freio depende de qual é a situação. Normalmente, ele é iniciado com dados experimentais fornecidos pelo fornecedor, que são as temperaturas internas e externas. Sem essas informações é feita uma suposição, que é a geração de calor com base na energia do veículo.

Análise térmica sob o capô

O sub-capô é um ambiente que contém o motor, a caixa de câmbio, o intercooler, o catalisador e o silenciador, são fontes de calor que vão para dentro do compartimento do motor. Um mapa de temperatura detalhado é necessário para caracterizar todas essas fontes dentro do modelo. Essa simulação é complexa, pois não se trata apenas de colocar essas fontes dentro do modelo. Na verdade, é importante ter uma geometria detalhada na respectiva área do modelo e o material correto. Por exemplo, na análise da asa traseira, é necessária uma análise de quão quente está o chassi traseiro e quanto a carroceria está sofrendo com os escapamentos. Isso é possível quando o material correto é caracterizado no modelo. Por exemplo, uma carroceria de fibra de carbono exige que o modelo tenha o material corretamente caracterizado. No caso dos escapamentos de titânio, todos os modelos para análise térmica são totalmente diferentes da aerodinâmica externa, que são modelos estanques. Neste tipo de simulações são usados sólidos com caracterização de material muito bem definida e depois é introduzida a sua condutividade e radiação. Assim, a superfície de temperatura faz um buraco importante, por causa do mecanismo de radiação. Além disso, existe também a convecção, que pode ser natural ou forçada.

Análise de heat soak

Outra simulação térmica importante é a condição de absorção de calor, que é a simulação do carro em uma parada repentina após um uso intensivo. Esta é uma situação bastante comum em carros, versões de corrida ou de estrada. As fontes de calor principais estão em sua temperatura mais alta, mas são interrompidas sem uma liberação gradual. É um processo difícil, pois existe uma condição de contorno que muda com o tempo, desde o valor máximo até a diminuição da temperatura de simulação. A absorção de calor também é caracterizada pela condição estacionária do veículo, pois em um volume finito baseado em pressão, não é aconselhável assumir a velocidade igual a zero. Normalmente, é definida uma velocidade muito pequena, cerca de 0,2 m/s. Além disso, é resolvido um decréscimo da condição de contorno no tempo, o que significa uma simulação transiente. Neste tipo de simulação, aplicando NSE é possível prever que a convecção natural é o fenômeno dominante juntamente com a radiação. Este é um alvo de simulação muito complexo na análise térmica para verificar e interpretar a estrutura. Não é apenas uma questão de desempenho aerodinâmico, mas também uma análise de como a estrutura se comporta em uma condição crítica. Assim, também é possível avaliar a distribuição de temperatura que pode ser usada como carga, caracterizá-la no modelo e estudar como a estrutura se comporta.

Análise de velocidade máxima

A simulação de velocidade máxima é uma execução em que o modelo é caracterizado de acordo com os limites na velocidade máxima, as fontes estão na saída máxima, mas com as considerações em relação ao fluxo externo. Isso é descarga em todos os lugares e ajuda com a convecção forçada, radiação e condução para resfriar toda a área. Embora esta simulação também lide com a integridade estrutural, é útil avaliar como naca e outras aberturas são eficazes para resfriar áreas específicas. Assim, nesta simulação também é avaliado o desempenho, que é a eficiência dos dutos. Sendo convecção forçada, este tipo de simulação também pode ser aplicado a peles, que normalmente são realizadas com equações RANS. Neste caso todos os componentes devem ser modelados como sólidos e com transferência de calor conjugada. A grande diferença é que é uma simulação estável e não há variação da condição de contorno.

A Figura 11 ilustra um exemplo dessa simulação, um carro com motor central traseiro cuja modelagem contempla a parte traseira do monocoque. Como pode ser visto, há muitos componentes sólidos na região do compartimento do motor. Porém, o restante do monocoque é parcialmente maciço, já que apenas a carroceria fica próxima ao motor. O motivo é analisar a integridade estrutural da região.

Referências

• Este artigo foi baseado nas notas de aula escritas pelo autor do curso de Aerodinâmica Industrial da Dallara Academy.