Os testes de túnel de vento (WT) são cuidadosamente agendados e organizados, pois o custo dessa ferramenta é muito alto. Assim, um fluxograma básico desta ferramenta é composto por Preparação, Teste e Saída. Normalmente, em apenas uma sessão, são feitas várias execuções, cada uma delas utilizando o máximo de configurações possíveis. Quando uma execução é finalizada, seus dados são imediatamente analisados para decidir se isso representa uma melhoria em relação à configuração da linha de base. Este artigo propõe uma visão geral sobre o processo de análise de dados WT.

Etapas da análise

A análise de dados tem os seguintes passos:

• Pós-processamento;
• Análise de dados;
• Decisão.

Dentro destas existem sub-etapas como pós-processamento, softwares de pós-processamento, diagnóstico, análise aerodinâmica e tomada de decisão.

Pós-processamento

O pós-processamento é uma manipulação de dados consistente e rápida de acordo com os requisitos do teste. Em alguns casos existem softwares ou ferramentas otimizadas apenas para pós-processamento, eles ajudam a manipular os dados e deixá-los prontos para análise. Assim, o pós-processo possui três requisitos: prontidão, completude e coerência, basicamente estes se confundem com os requisitos do túnel de vento. A prontidão é a capacidade de disponibilizar os dados assim que o teste terminar. Além disso, a prontidão também é a capacidade de acompanhar os dados no modo ao vivo. A completude é um recondicionamento adequado dos dados, ou seja, calcular a média, a média ponderada, rebalancear e re-drag e aplicar esses dados em ferramentas gráficas, que podem ser plotagens 2D e 3D. A coerência é a capacidade do software de classificar os dados conforme solicitado, geralmente é feito por tempo e objetivo do teste WT.

Layout do software

Normalmente os softwares utilizados nos túneis de vento do Automobilismo possuem um layout geral como o ilustrado na Figura 1. As janelas são normalmente configuradas conforme o exemplo da Figura 1. Uma simulação pode ser agrupada como uma espécie de pastas, como a do Windows, portanto o banco de dados é dividido trabalho por trabalho. Assim, é possível obter de uma lista de execuções qual opção será definida para um trabalho e o dado relativo. Este último é o percurso de referência, a configuração do modelo de túnel de vento de linha de base (WTM), que será usado para realizar a análise de referência. Os dados recondicionados são as médias, a linha de base e todos os outros trabalhos e alguns aero mapas, que dão a possibilidade de julgar o comportamento do carro.

Conforme visto na Figura 2, com os coeficientes aerodinâmicos é possível construir mapas aerodinâmicos que os correlacionam com as alturas (RH). Os gráficos 2D relacionam a RH com os coeficientes aerodinâmicos, enquanto os mapas aerodinâmicos 3D estão mais relacionados às superfícies e ao fluxo em que estes estão imersos. A análise é feita em âmbito geral e particular. Por exemplo, inicia-se com a média dos dados, em seguida é realizada a comparação entre os dados. Em seguida, há o mapa de estabilidade, que representa um gráfico da variação do coeficiente aerodinâmico em relação à altura ao solo dianteira e traseira, FRH e RRH, respectivamente. O mapa do radiador ilustra o fluxo de massa sobre a superfície, enquanto os mapas underwing/carroceria são usados quando há sensores de pressão no modelo de túnel de vento (WTM), assim é possível visualizar a pressão ao longo de superfícies importantes como o difusor.

Análise de dados

A análise dos dados do processo é composta por uma fase de diagnóstico, uma análise aerodinâmica e a decisão. Cada simulação é dividida em três fases. A primeira fase é a aquisição das forças, posições do modelo e parâmetros que as posições são conhecidas. A segunda fase, é a aquisição de parâmetros que não vão resultar em um efeito aerodinâmico. Para realizar a análise evitando a perda da confiabilidade de cada corrida, ambas as fases devem ser contabilizadas. Para cada um deles, os valores de WTM, e não os de instalação, devem ser levados em consideração. Estes são exemplos típicos da análise realizada quanto à posição do modelo em ambas as fases, tare e wind on.

Tare

Na fase de tara são analisadas as forças como os principais coeficientes aerodinâmicos C_XS e C_ZS. Além disso, é nessa fase que ocorre o fenômeno de ponte (bridging). Esta é uma conexão indesejada entre o modelo e os ambientes do túnel de vento, na qual parte das forças passam de um para o outro. Existem também resistências que vêm das rodas, o que pode afetar a confiabilidade das medições, pois uma resistência maior resulta em um efeito chamado drift.

Wind on

No WTM de alto nível existem pneus pneumáticos, portanto a pressão tem um papel importante, pois controla a área de contato do pneu. Além disso, há também os efeitos da pressão devido à resistência ao rolamento. Por isso é importante manter sob controle a pressão e a temperatura do ar de insuflação. Caso a posição do WTM seja perdida por algum motivo, o software pode ter uma réplica automática da configuração, assim o ganho de tempo para mover o controle para definido pelo usuário é reduzido.

Fenômenos de ligação

Existem dois exemplos comuns de fenômenos de ponte. A primeira ocorrendo na fase de Tara. Nesta é possível observar que em algum momento, a rolagem do modelo vai de zero a um valor muito negativo. Isso sugere que em algum ponto o subsolo do WTM está tocando a superfície. A mudança entre os sinais identifica o problema.

No caso de um WTM de alto nível, a fase Wind On pode apresentar drifting. Isso ocorre devido à queda de pressão dos pneus e pode ser observado pela diferença da altura de rodagem (RH) entre as rodas (Figura 3). Do ponto de vista diagnóstico, existem controles específicos que são realizados para evitar efeitos como o de bridging e o drifting.

Análise de dados

No processo de análise o foco são os deltas relativos à linha de base. São itens analisados um a um. Primeiro, existem os coeficientes aerodinâmicos, que são compostos pelos coeficientes médios, a estabilidade e o gráfico de sensibilidade. O gráfico de estabilidade é a visualização gráfica da variação do coeficiente aerodinâmico referente à RH. O gráfico de sensibilidade é a visualização gráfica dos parâmetros aerodinâmicos relativos à guinada (yaw), rolagem (roll) e esterçamento (steer). Normalmente, o procedimento define que a estabilidade deve ser verificada primeiro e, em seguida, o gráfico de sensibilidade é verificado.

Os coeficientes aerodinâmicos são baseados nas forças longitudinais e verticais que atuam sobre o carro, portanto C_ZS e C_XS, que são baseados na área frontal de referência do carro, são dados em m². Os parâmetros adimensionais são a eficiência Eff e o balanço frontal F_bal. A variação da seção transversal (dada por S [m²]) de referência resulta em RH diferente e sua forma. Além disso, é possível dividir esses coeficientes entre carroceria e rodas, o que permite medir o C_XS devido às rodas e carroceria separadamente. De maneira semelhante, é possível ter células nos montantes e nas rodas para ter uma avaliação semelhante para C_Z entre carroceria e rodas, visto que, esses tipos de células montadas nos montantes medem parte da carga vertical da roda. Por exemplo, a carga vertical produzida nos dispositivos aerodinâmicos que estão no lado interno da asa. As células não podem medir a sustentação total da asa, apenas difundir a carga. Por este motivo, não há medição completa da carga nas rodas, elas requerem instrumentação adicional e esta nem sempre utiliza a instrumentação padrão. Portanto, o downforce C_ZTS é usado como o valor medido de todo o carro.

Subconjuntos de dados principais

Uma vez implementados os coeficientes aerodinâmicos e os mapas aerodinâmicos, estes são os histogramas da RH e a combinação dos cinco parâmetros respectivos à RH. Embora a Figura 5 ilustre um histórico de 10 configurações de RH, um mapa aerodinâmico real tem cerca de 30 a 40 configurações. Se for feito os deltas entre a linha de base e a opção, a primeira saída seria uma tabela com todos os deltas. Porém, a análise dessa forma dos deltas não é uma abordagem fácil e rápida, pois trata-se apenas de uma grande sequência de ganhos e perdas. Assim, considerando que um ponto é:

1 pt = 0.01 C_ZS

1 pt = 0.001 C_XS

As cores da Figura 5 são usadas para destacar onde ocorre um ganho ou uma perda. Por exemplo, um arrasto negativo representa um ganho, portanto, é exibido em palavras azuis. Isso também é válido para C_ZS, pois o sistema de referência é positivo para cima. Portanto, a altura de deslocamento 1 da tabela delta (Figura 5) pode ser lida como um ganho de 0,3 pontos, uma perda de 0,6 pt e uma perda de 1,2 pt para C_XS, C_ZFS e C_ZRS, respectivamente. É possível notar que C_ZS, Eff e F_bal variaram entre – 1,9 pt, – 0,7 pt e – 1 pt, respectivamente. Um ΔF_bal negativo significa que parte do balanço foi movida para trás. Como para RH há um ganho e uma perda, e isso é apenas para um RH, quando todos eles são colocados juntos, é difícil analisar todos esses dados.

Assim, definem-se alguns subconjuntos que são simplificados. Primeiramente, é feita uma média, tomados os deltas de todos aqueles RH, calculados e ponderados de forma a ter uma grande tabela de delta reduzida a uma linha (Figura 6), que não está mais relacionada a um RH, mas apenas ao média de todos eles dentro do aero mapa. Outro procedimento pode ser adotado caso o aero mapa seja do tipo estruturado. Este tipo de mapa aerodinâmico é caracterizado pela informação de RH disposta de forma que seja possível isolar alguns grupos de RH, o que permite analisar os parâmetros aerodinâmicos um a um com relação à variação dos parâmetros de posição do carro. Por exemplo, usando o mapa aerodinâmico estruturado, é possível pegar o subconjunto do mapa aerodinâmico e plotar o gráfico de estabilidade. O grupo de RH com direção e guinada fixa e apenas a altura dianteira FRH e a traseira RRH livres para variar. Isso permite traçar o mapa de estabilidade para cada coeficiente aerodinâmico. Outro procedimento é manter um grupo de RH, que um a um rolagem, esterçamento e guinada são apenas parâmetros de posicionamento que estão mudando, assim é possível desenhar o gráfico de sensibilidade. É importante entender que não existe um valor válido para cada túnel de vento, mas aproximadamente 1 pt em C_ZS e 2 – 3 em C_XS pode ser uma faixa de estabilidade razoável a ser considerada. Portanto, esses deltas na soma da altura do percurso estão próximos da repetibilidade. Os dados experimentais são aplicados para cada RH para obter o resultado, que é o delta. Assim, a média é realizada. Com certeza alguns desses deltas podem estar na faixa de repetibilidade. Cabe ao aerodinamicista julgar o resultado com relação ao grau de repetibilidade. A Figura 5 ilustra o delta entre duas opções uma vez que a média é feita. Nesta fase, os dados são bastante simplificados, mas ainda não são adequados para a análise. É possível notar que há um pequeno delta em C_XS, uma perda de C_ZFS (⋍ 5 pt) e um ganho de 2 pt de C_ZRS. Há um efeito em F_bal e Eff. O primeiro costuma ser destacado, pois é o primeiro item a ser analisado por ser o mais importante para o desempenho do carro.

Re-balanceamento

O objetivo de re-balanceamento para um determinado carro é o mais importante. Em relação a um carro para instalar um dispositivo aerodinâmico, que é chamado de opção, observando seu delta não é possível definir se a modificação é uma melhoria ou não. Na verdade, mesmo dirigindo um carro com as duas configurações, só é possível inferir alguns comentários sobre o balanço dianteiro. O motorista ou piloto não é capaz comentar precisamente sobre o arrasto ou downforce. O primeiro passo para reconfigurar a condição desses dados é o re-balanceamento. Para isso é necessário um parâmetro de sintonia, geralmente a asa, e as curvas polares, para realizar um processo que os resultados são comparados para o mesmo balanceamento. Não é aconselhável comparar valores com um delta de equilíbrio entre eles. O segundo passo é o re-arrasto (re-drag). Se houver um segundo parâmetro ajustável, por exemplo, na asa traseira, é possível realizar o re-arrasto. Isso significa que, para os mesmos valores de arrasto, o C_ZS está variando. Portanto o primeiro passo é a variação dos coeficientes aerodinâmicos sem variação de F_bal, que é o re-balanceamento, enquanto o segundo passo é a variação dos parâmetros aerodinâmicos sem variação no arrasto. O reequilíbrio geralmente é o primeiro passo, seu parâmetro ajustável é o ângulo das asas dianteiras e traseiras. Curvas polares são usadas, pois fornecem a razão entre C_XS e C_ZS com F_bal, todas elas são funções do ângulo da asa. Esses dados podem estar disponíveis na seção anterior do túnel de vento, simulações CFD ou no início do histórico de desenvolvimento do modelo do túnel de vento do carro, os dados produzidos podem ser usados como base para o recondicionamento dos dados. Não é necessário ajustar fisicamente as asas do WTM. Na verdade, no recondicionamento dos dados é necessário apenas para verificação das opções, das geometrias e dos trechos no mesmo valor alvo de F_bal. Portanto, o equilíbrio neste caso não é mais variável.

Uma vez realizado este tipo de recondicionamento, é trocado C_ZS e C_XS. Esses parâmetros resultam em ΔC_ZS e ΔC_XS, pois existem várias opções. A razão entre ΔC_ZS e ΔC_XS é chamada de eficiência marginal re-balanceada Eff*. Isso é chamado de re-balanceado, porque é uma relação entre ΔC_ZS e ΔC_XS, mas não é a eficiência do carro. Este parâmetro é composto por deltas após o processo, este é indicado como a linha de eficiência, diferente da eficiência apresentada para cada opção e linha de base.

Para fins de comparação, existe outra eficiência, Eff*, que é uma restrição predeterminada do projeto. Isso é definido como a inclinação entre C_ZS e C_XS que vem do simulador de tempo de volta ou testes de pista. Em outras palavras, se Eff* for plotado, isso dividirá o gráfico em duas regiões. A região em azul claro é onde há melhorias no desempenho e a área onde o desempenho é reduzido. Se a relação ΔC_ZS/ΔC_XS for exatamente igual a esta inclinação, mas mais ou menos na região superior direita, isso significa que o carro está produzindo mais arrasto e downforce, portanto, mais rápido nas curvas, mas mais lento nas retas. O próprio tempo de volta depende do tipo de circuito. Se o carro se afastar da linha, há dois casos prováveis. Primeiro, o carro pode estar na região inferior esquerda, o que resulta em baixo downforce, mas com baixo arrasto. O segundo caso depende da inclinação de Eff*, que pode estar em uma região de alto downforce, mas alto arrasto ou em uma região onde ambas as grandezas são baixas. A análise compara a variação de C_XS e C_ZS, mas com um parâmetro fixo, geralmente F_bal. A razão entre eles é a restrição do projeto, a inclinação iso-laptime. Esta é a maneira de analisar os dados médios, reequilibrando, mas não redefinindo. Assim, para projetos que, por algum motivo, se opte por realizar apenas o re-balanceamento, o re-arrasto não é adotado como meta. Neste processo é possível aceitar uma opção como positiva, onde o arrasto é aumentado ou reduzido e o carro pode mover sua configuração ótima a cada simulação. Um comentário importante sobre a influência da pista na definição dessa inclinação, a eficiência marginal Eff*, é que existem valores diferentes dependendo desta.

Por exemplo, uma pista rápida como Monza geralmente exibe um alto Eff*, porque é importante ter um arrasto menor. Em pistas como Barcelona, que exigem alto downforce, esse número tende a ser menor. O valor de Monza geralmente varia entre 3 e 6, para carros de corrida de rodas abertas. Isso significa que, para compensar 1 ponto no C_XS, são solicitados 6 pontos no C_ZS. A mesma avaliação feita para Barcelona pode resultar em 1 ponto para C_XS por 2-2,5 pontos para C_XS. Portanto, isso basicamente altera a inclinação da linha Eff*. O ponto chave é que o desenvolvimento leva as informações sobre todas as pistas para construir as linhas de inclinação e estas conduzem as escolhas durante o desenvolvimento. No caso de Monza, manterá muitas opções que em outra pista não servirão. É possível trabalhar com uma espécie de parâmetros médios para um determinado carro, talvez considerando uma pista de alto downforce, pois esses são os mais comuns.

Por exemplo, F1 e alguns outros carros de rodas abertas como F3, para condições específicas como Monza, é necessário um desenvolvimento específico onde são definidas diferentes configurações aerodinâmicas que resultam na adoção de uma inclinação de tempo diferente. Este é o caso quando se considera todas as restrições (Effn* , para n ∈ ℝ) juntas, pois a área azul (Figura 11) torna-se cada vez mais reduzida. Isso significa menos oportunidades de melhorias.

Supondo um alvo de Eff* = – 3,5 e os deltas ilustrados na Figura 12. A opção é rebalanceada pela polar da asa dianteira, então os novos dados são rotulados. É possível notar que Eff* é igual a – 2,566 e a meta de inclinação é – 3,5. Uma vez que o C_XS re-balanceado é menor, o C_ZS também é menor. Essa configuração ficará dentro da área azul clara. Portanto, esta opção representa uma melhoria.

Re-drag

A etapa seguinte seria o re-arrasto se o projeto tiver fortes restrições de arrasto. Isso significa que, como o escopo do projeto é conhecido, todos os parâmetros de desempenho são pensados para manter o C_XS sob controle. É algo possível, mas específico para projetos em que exista um forte apelo estético de design automotivo. É utilizado um segundo parâmetro ajustável. Se a asa dianteira é mais conveniente para ajustar o F_bal, o ângulo da asa traseira é usado para controlar o arrasto, porque tem uma curva polar que move mais C_XS do que a polar da asa dianteira. Desta forma, é possível construir a curva de iso-balanço. Esta é uma curva característica do carro, que pode ser obtida alterando o ângulo da asa dianteira α₁ e o ângulo da asa traseira α₂.

No entanto, a combinação desses dois está sempre no mesmo F_bal, mas variando C_XS e C_ZS (Figura 13). Além disso, supondo que esta curva seja bilinear e que o re-balanceamento já tenha sido realizado, utiliza-se a projeção da curva iso-balanceada para manter os valores dos dados aerodinâmicos das simulações que estão sendo analisadas para trazer ambos os valores (C_XS e C_ZS) para o mesmo C_XS, 0,85 para este caso (Figura 13). Assim, a avaliação da configuração é mais fácil de realizar, pois C_XS e F_bal são fixos, o único parâmetro variável é C_ZS. Assim, no caso ilustrado na Figura 13, a opção é a melhor configuração, pois produz maior downforce para o mesmo arrasto e balanço frontal. É importante observar que o método que realiza re-balanceamento comparado a um iso-laptime pode apresentar resultados diferentes quando comparado com re-balanceamento e re-arrasto. Em um caso é possível identificar que a opção é melhor que a linha de base, mas se a inclinação iso-laptime for diferente da inclinação iso-balanço, como na Figura 13, o ponto de opção está fora da região de melhoria. Se a curva iso-balanceada estiver fazendo o re-arrasto, é possível visualizar que a opção em termos de C_ZS, após o re-arrasto, é maior. A diferença é que uma vez aplicado o processo de re-arrasto, assume-se que comparando as duas opções, que é uma comparação artificial, o balanceamento deve ser compensado, e a asa traseira é utilizada para compensar o arrasto. Esse ajuste na asa traseira é o que move a inclinação. Na verdade, a asa traseira é tão determinante quanto a dianteira, neste caso. Portanto, se a asa traseira não for compensada, o carro ficará mais lento, pois com muito downforce, mas ao custo de muito arrasto. Isso é válido para o método iso-laptime. No caso do método de iso-balanceamento, é possível forçar no mesmo valor ajustando também a asa traseira. Ou seja, fixando F_bal e C_XS, esse segundo ajuste pode mudar a tomada de decisão. Não há razão física para isso, o primeiro método permite mais liberdade, o arrasto pode se mover e é comparado ao tempo da volta. No segundo método existe uma segunda restrição que se comporta como a inclinação.

Referências

• Este artigo foi baseado nas notas de aula escritas pelo autor durante os palestrantes de Aerodinâmica Industrial atendidos na Dallara Accademy.