AERODINÂMICA EM FORMULA SAE: PROCESSO .AERODINÂMICA EM FORMULA SAE: PROCESSEO DE PROJETO COM FOCO

  • View
    213

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of AERODINÂMICA EM FORMULA SAE: PROCESSO .AERODINÂMICA EM FORMULA SAE: PROCESSEO DE PROJETO COM FOCO

  • UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA

    CENTRO DE TECNOLOGIA

    CURSO DE ENGENHARIA MECNICA

    AERODINMICA EM FORMULA SAE: PROCESSO

    DE PROJETO COM FOCO EM DIRIGIBILIDADE

    TRABALHO DE CONCLUSO DE CURSO

    Paulo Augusto Soliman

    Santa Maria, RS, Brasil

    2015

  • AERODINMICA EM FORMULA SAE: PROCESSEO DE

    PROJETO COM FOCO EM DIRIGIBILIDADE

    Paulo Augusto Soliman

    Trabalho apresentado ao Curso de Engenharia Mecnica, da Universidade

    Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para obteno do

    grau de Engenheiro Mecnico.

    Orientador: Prof. Mario Eduardo Santos Martins, Ph.D

    Santa Maria, RS, Brasil

    2015

  • Universidade Federal de Santa Maria

    Centro de Tecnologia

    Curso de Engenharia Mecnica

    A Comisso Examinadora, abaixo assinada, aprova o Trabalho de

    Concluso de Curso

    AERODINMICA EM FORMULA SAE: PROCESSO DE PROJETO

    COM FOCO EM DIRIGIBILIDADE

    elaborado por

    Paulo Augusto Soliman

    como requisito parcial para obteno do grau de

    Engenheiro Mecnico

    COMISSO EXAMINADORA:

    Mario Eduardo Santos Martins, Ph.D

    (Orientador, UFSM)

    Roberto Begnis Hausen, Me. (UFSM)

    Paulo Romeu Moreira Machado, Dr. (UFSM)

    Santa Maria, 17 de julho de 2015.

  • AGRADECIMENTOS

    Agradeo primeiramente aos meus pais por sempre prestarem timas condies para o

    meu crescimento pessoal e profissional. Ao meu pai, Valcir, pelo exemplo de organizao,

    integridade, disciplina e trabalho rduo. A minha me, Maria Lcia, por muitas vezes colocar

    as necessidades da famlia acima de suas prprias me fazendo entender o real conceito de Me.

    A minha irm, Marianna, pela parceria, risadas e apoio de sempre. A minha namorada, Camila,

    pelos bons momentos e companheirismo at nos momentos mais estressantes que passei nesse

    perodo de graduao. A todos eles por nem sempre entender mas respeitar meu gosto e tempo

    despendido aos veculos, especialmente ao Formula SAE.

    Agradeo tambm a todos os professores que procuraram realmente me passar

    conhecimento e me tornar um melhor engenheiro. Em especial aos professores Mario Eduardo

    Santos Martins e Fernando Mariano Bayer. Muito obrigado pela oportunidade de fazer parte de

    um projeto to fascinante quanto o Formula SAE. Por ltimo a todos colegas que trabalharam

    comigo no Formula, ou na oficina. Muito obrigado por enriquecer meu conhecimento tcnico

    e pessoal.

  • God sells us all things at the price of

    labor.

    (Leonardo Da Vinci)

  • RESUMO

    Trabalho de Concluso de Curso

    Curso de Engenharia Mecnica

    Universidade Federal de Santa Maria

    AERODINMICA EM FORMULA SAE: PROCESSO DE PROJETO

    COM FOCO EM DIRIGIBILIDADE

    AUTOR: PAULO AUGUSTO SOLIMAN

    ORIENTADOR: MARIO EDUARDO SANTOS MARTINS

    Data e Local da Defesa: Santa Maria, 17 de julho de 2015.

    Este trabalho apresenta o processo de concepo de um kit aerodinmico para um

    veculo de Formula SAE utilizando CFD com ateno especial para a distribuio de cargas

    aerodinmicas. A metodologia para o desenvolvimento dos conceitos criar um limite que

    respeite as restries geomtricas do veculo e tambm em conformidade com o FSAE 2015/16

    Rules. Dentro destes limites diferentes geometrias de acessrios aerodinmicos podem ser

    analisados e vrios modelos de veculos completos podem ser criados. O modelo inicial foi

    concebido com base na literatura e, em seguida, analisado em CFD para gerar um outro modelo.

    O processo se repete at que se atinja um modelo que no pode ser considerado timo, mas

    perto o suficiente, alcanando as metas previamente definidas. Na simulao numrica, so

    primeiramente apresentadas as equaes que a governam e a razo para o seu uso. As

    simplificaes no modelo CAD so explicadas e, em seguida, o domnio discretizado em

    elementos predominantemente hexadricos ou polidricos com clulas prismticas ortogonais

    prximo das superfcies. Um diferencial que os perfis de asa utilizados so projetados

    especificamente para o uso em veculos de corrida. Os parmetros mais relevantes nos perfis

    de mltiplos elementos (slots, ngulos de ataque) foram otimizados e validados em tnel de

    vento em estudos da literatura utilizada. Aps concluda a anlise em CFD e o conceito final

    definido, os ganhos devido ao kit aerodinmico so quantificados com base em simulaes de

    tempo de volta. Finalmente, o desempenho na pista, com e sem o kit avaliada e diagramas gg

    so feitos com os dados obtidos. Alm disso tcnicas de visualizao de escoamento so

    utilizadas.

    Palavras-chaves: Simulao computacional, CFD, asas, Formula Student.

  • ABSTRACT

    Course Conclusion Work

    Mechanical Engineering Course

    Federal University of Santa Maria

    FORMULA SAE AERODYNAMICS: DESIGN PROCESS WITH FOCUS

    ON DRIVABILITY

    AUTHOR: PAULO AUGUSTO SOLIMAN

    ADVISOR: MARIO EDUARDO SANTOS MARTINS

    Defense place and date: Santa Maria, July 17 2015.

    This work presents the projeto process of an aerodynamic kit for a Formula SAE

    competition vehicle using CFD with special attention to the distribution of aerodynamic loads.

    The methodology for the development of concepts is to create a boundary that respects the

    geometric constraints of the vehicle and also complies with FSAE 2015/16 Rules. Inside these

    boundaries different geometries of aerodynamic accessories can be analyzed and several full

    vehicle models can be created. The initial model is conceived based on the literature and then

    analyzed in CFD to generate another model. The process repeats until it reaches a model that

    cannot be considered optimum but is close enough, achieving the targets previously defined.

    On the numerical simulation, are first presented the equations that govern it and the reason for

    its use. The simplifications in the CAD model are explained and the domain is then discretized

    in predominantly hexahedral elements with orthogonal prismatic cells next to wall surfaces.

    Another difference is that the airfoil profiles used are specifically projetoed for use on racing

    vehicles. The most relevant parameters in multi element profiles (slots, AoA) have been

    optimized and wind-tunnel validated in studies of the literature used. After the CFD analysis is

    completed and the final concept defined, the gains due to the aerodynamic kit are quantified

    based on lap time simulations. Finally the performance on the track with and without the kit is

    evaluated and gg diagrams are made with the obtained data. Additionally flow visualization

    techniques are used.

    Key words: Computational simulation, CFD, Formula SAE, wings, undertray, Formula

    Student.

  • SUMRIO

    1 Introduo ..................................................................................................................... 10

    1.1 Objetivo Geral ............................................................................................................ 10

    1.2 Objetivos Especficos ................................................................................................ 11

    2 Reviso bibliogrfica .................................................................................................... 12

    2.1 Anlise numrica ....................................................................................................... 12

    2.2 Equaes Governantes ............................................................................................... 12

    2.2.1 Lei da conservao de massa .............................................................................. 13

    2.2.2 Lei da conservao da quantidade de movimento (Segunda Lei de Newton) .... 14

    2.2.3 Lei da conservao de energia (Primeira Lei da Termodinmica) ..................... 15

    2.3 Modelos de turbulncia .............................................................................................. 17

    2.3.1 O modelo Standard k- ....................................................................................... 18

    2.3.2 O modelo Standard k- ...................................................................................... 18

    2.3.3 O modelo Shear-Stress Transport k- ............................................................... 19

    2.4 Mtodo dos volumes finitos ....................................................................................... 19

    2.5 Modelo em CAD ........................................................................................................ 20

    2.6 Domnio computacional ............................................................................................. 21

    2.7 Discretizao .............................................................................................................. 21

    2.7.1 Elementos trimmer ............................................................................................. 21

    2.7.2 Elementos polidricos ........................................................................................ 22

    2.7.3 Camada de prismas ............................................................................................. 23

    2.8 Asas ............................................................................................................................ 24

    2.8.1 Perfis de asa ........................................................................................................ 24

    2.8.2 Escolha dos perfis .......