A Simulação Cfd De Uma Carenagem De Um Carro Do Tipo Formula Sae Através Do Ansys Fluent

SIMULAÇÃO CFD DE UMA CARENAGEM DE UM CARRO DO TIPO FORMULA SAE ATRAVÉS DO ANSYS FLUENT

São Cristóvão – Sergipe, Brasil

20 de agosto de 2023

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1. Introdução

Originária do início da década de 1960, a Fluidodinâmica Computacional, também conhecida como CFD (Computational Fluid Dynamics), começou a ser mais utilizada ao longo da década de 1990, devido ao desenvolvimento da tecnologia computacional nos últimos anos. O método é realizado a partir da união de cálculos numéricos e das leis da termofluidodinâmica. Sendo assim, o CFD utiliza simulações numéricas para analisar sistemas que possuem escoamento de fluidos, transferência de calor e outros fenômenos relacionados.

        É de conhecimento comum de que as centenas de equipes que desenvolvem protótipos de um carro do tipo formula SAE com a finalidade de competir em competições organizadas pela a Society of Automotive Engineers (SAE), utilizam-se de programas computacionais como ferramentas para desenvolver os seus kits aerodinâmicos, sabendo disso foi realizado um levantamento sobre as possibilidades acerca do uso de programas computacionais no subsistema.

É nesse contexto que este trabalho se deu origem, ele se dedica a realização de uma simulação básica CFD do modelo de carenagem de um protótipo de carro do tipo Formula SAE para estudo aerodinâmico, bem como a prática e o maior entendimento da versão Fluent do programa computacional ANSYS Student.

1. Objetivo

O objetivo desse trabalho é a realização de um estudo aprofundado sobre o programa ANSYS Student Fluent, com a finalidade de obter dados computacionais da aerodinâmica da carenagem de um protótipo de carro do tipo Formula SAE, caso seja bem sucedido, o estudo será expandido para a simulação do carro todo.

1. Justificativa

        É de suma importância a realização desse estudo visto que os programas computacionais são ferramentas de engenharia poderosas, cuja capacidade permite ao engenheiro desenvolver suas habilidades, bem como criar soluções para quaisquer problemas existentes. Além disso, esses programas podem otimizar o trabalho do engenheiro, permitindo a eles realizar cálculos ou testar situações de forma rápida e automatizada.

1. Metodologia

        A metodologia deste trabalho consiste em uma série de passos envolvendo o modelo 3D do CAD do objeto a ser estudado, a malha utilizada na simulação e os parâmetros aerodinâmicos definidos previamente. Os passos seguem a seguinte ordem:

• Tratamento inicial da geometria:

É feito um tratamento inicial na geometria do modelo 3D do CAD, onde se busca quaisquer imperfeições ou conflitos de geometria que impossibilite a geração de malha em todo o objeto.

• “Empacotamento” da geometria:

Nessa etapa é realizado um “empacotamento” da geometria no qual serve para definir as regiões de interações do fluído com o sólido utilizado, bem como a região de fluxo do fluído. Essa parte é importante, pois caso seja feita pode-se diminuir o custo de processamento necessário para a realização da simulação.

• Geração da Malha nos objetos gerados após o “empacotamento”:

Durante essa parte é necessário a identificação das regiões de maior custo de processamento, bem como o limite de simplificação da malha usada nessas regiões. Isso é necessário, pois uma simulação CFD é uma simulação com alto custo de processamento, quanto mais elementos e nodos a sua malha possuir, maior vai ser o esforço que a sua máquina precisará realizar. Caso a sua máquina não tenha a potência necessária, a malha pode vir a dar erro devido a falta de poder de processamento. Uma vez realizado esse passo, pode prosseguir para o próximo.

• Realização das Interações:

O quarto e último passo, durante essa parte é necessário se atentar aos parâmetros definidos previamente para o seu estudo aerodinâmico, esses parâmetros podem ser a velocidade do vento, a velocidade do objeto de estudo, a pressão do fluído inicial, temperatura do fluido, densidade do fluído e etc. Tudo isso irá impactar em como o fluido se comportará ao interagir com o seu objeto, bem como os resultados obtidos. Uma vez definido todos os parâmetros, pode-se realizar um número x de interações e com isso o programa irá realizar todas as interações definidas, depois ele dará um mini relatório avisando se os dados aerodinâmicos convergiram ou não, a partir disso pode-se analisar os dados e o gráfico obtido e começar uma discussão.

1. Resultados e Discussão

1. Força de Arrasto

        Após o processo de preparação de geometria e da malha, é feito os cálculos computacionais baseado nas iterações, foi-se usado o valor de 600 para os número de iterações que o computador iria fazer, mas somente 60 iterações foram necessárias para alcançar a convergência, os dados obtidos foram o seguinte:

[pic 1]

onde:

• Continuity é a taxa na qual a massa entra em um sistema é igual à taxa na qual a massa sai do sistema mais o acúmulo de massa dentro do sistema.
• X-velocity; Y-velocity; Z- velocity é a velocidade do fluido nos eixos XYZ.
• K é a energia cinética da turbulência
• Ômega é a taxa de dispersão da turbulência

Tamanho da Malha
Nodes	Faces	Cells	Partições	Qualidade da Malha
490878	905162	220867	3	0.20

Tabela 1 - Dados da Malha utilizada

Após as iterações foram feitos cálculos computacionais com o objetivo de encontrar os coeficientes de arrasto e de sustentação, bem como os valores das forças atuantes de ambos. Para isso considerou-se que a velocidade seria de 20 m/s, chegando nos seguintes resultados: