O plano para este post era explicar o efeito da roda girando no escoamento de um carro tipo fórmula. Ao gerar as imagens e refletir sobre o assunto eu entendi porque isso é tão complicado e existem teses e mais teses de doutorado sobre o assunto (ou seja, não entendi nada!).
O principio fundamental para explicar a camada limite em um escoamento é o principio de zero velocidade nas paredes. Isto siginifica que a partícula de fluido na superficie (carro, pneu, etc) tem velocidade igual a zero. Assim, em CFD quando plotamos a velocidade do escoamento na superficie do veículo esta deve ser igual a zero. Na simulação com a roda girando a roda não gira efetivamente, mas o efeito é considerado numericamente aplicando-se uma velocidade angular ao pneu, o que significa que a velocidade da partícula de fluido no pneu tem uma velocidade definida. As imagens abaixo demonstram isso, na primeira temos a simulação com a roda parada (velocidade do fluido igual a zero em toda a superfície) e na segunda a simulação com a roda girando (velocidade diferente de zero no pneu).
O principio fundamental para explicar a camada limite em um escoamento é o principio de zero velocidade nas paredes. Isto siginifica que a partícula de fluido na superficie (carro, pneu, etc) tem velocidade igual a zero. Assim, em CFD quando plotamos a velocidade do escoamento na superficie do veículo esta deve ser igual a zero. Na simulação com a roda girando a roda não gira efetivamente, mas o efeito é considerado numericamente aplicando-se uma velocidade angular ao pneu, o que significa que a velocidade da partícula de fluido no pneu tem uma velocidade definida. As imagens abaixo demonstram isso, na primeira temos a simulação com a roda parada (velocidade do fluido igual a zero em toda a superfície) e na segunda a simulação com a roda girando (velocidade diferente de zero no pneu).
As diferenças entre um cilindro muito comprido (em que o escoamento é bi-dimensional) girando e não girando próximo ao solo são bem entendidas. O cilindro girando tende a ter menos arrasto do que o estático porque a separação da camada limite ocorre em lugares diferentes e com isso a pressão média atrás do cilindro girando é maior.
No entanto, um pneu de fórmula é muito curto (razão de aspecto baixo) e nao tem nada a ver com um cilindro bi-dimensional. O escoamento em um pneu é mais próximo ao escoamento em uma bola girando (como as faltas que o Roberto Carlos cobrava) do que em um cilindro bi-dimensional. Uma grande parte do escoamento passa pelas laterais do pneu, forma estrutura de vórtices que interagem entre si e tornam o entendimento muito muito complicado.
As imagens abaixo mostram as diferenças entre as duas situações, sendo todas as primeiras imagens são com o pneu estático e a seguir com o pneu rotativo.
No entanto, um pneu de fórmula é muito curto (razão de aspecto baixo) e nao tem nada a ver com um cilindro bi-dimensional. O escoamento em um pneu é mais próximo ao escoamento em uma bola girando (como as faltas que o Roberto Carlos cobrava) do que em um cilindro bi-dimensional. Uma grande parte do escoamento passa pelas laterais do pneu, forma estrutura de vórtices que interagem entre si e tornam o entendimento muito muito complicado.
As imagens abaixo mostram as diferenças entre as duas situações, sendo todas as primeiras imagens são com o pneu estático e a seguir com o pneu rotativo.
Os primeiros plots mostram o campo de velocidade na seção central do pneu. Notam-se diferenças no ponto de separação na superfície superior e muitas diferenças na esteira do pneu. Os outros plots mostram os vetores velocidade na superfície do pneu e a velocidade do fluido próximo à parede (a velocidade NA parede é zero e "Cell Relative Velocity" é a velocidade das partículas de fluido PRÓXIMAS a parede). Percebe-se que a velocidade do fluido é menor na região superior do pneu quando este está girando e o motivo é porque o pneu impõe um movimento contrário ao escoamento naquela região. Com isso a estrutura do escoamento desde o ponto de estagnação na frente até atrás do pneu é muito diferente para cada um dos casos. Percebam tambem que o ponto de estagnação (região azul na frente do pneu) está mais pra cima no pneu girando e isto tende a reduzir a sustentação (forca vertical para cima) gerada pelo pneu. Imagino que esta diferença deverá afetar o desempenho do endplate tambem...
Os números mostram que o arrasto do pneu isolado permaneceu o mesmo e a sustentação (força para cima) do pneu isolado caiu de +210N para +200N quando girando. Uma pequena alteração ocorreu tambem na sustentação da asa, com uma variação de -10N quando o pneu está girando.
No próximo post colocaremos os primeiros resultados das simulações até aqui.
Os números mostram que o arrasto do pneu isolado permaneceu o mesmo e a sustentação (força para cima) do pneu isolado caiu de +210N para +200N quando girando. Uma pequena alteração ocorreu tambem na sustentação da asa, com uma variação de -10N quando o pneu está girando.
No próximo post colocaremos os primeiros resultados das simulações até aqui.
Atrasado, eu sei. Mas antes tarde que mais tarde. Bom, algumas coisas me vieram à cabeça, mas o que mais me impressionou foi encontrar velocidades acima de 300 km/h atrás do pneu! Imagine quanto será um pneu de F1 na reta em Monza!
ResponderExcluirOutra coisa legal é observar as andanças do ponto de estagnação do pneu. Não esperava que a diferença de sustentação fosse tão pequena, mas nunca tinha pensado nos efeitos do solo no meio da brincadeira.
De novo, uma das coisas mais legais nesta analise é sermos os donos do desenho, e podemos publicar a escala de grandeza nos resultados. Um pneu dianteiro de um F3 no final da reta gera 200 N de sustentação, muito mais alto que eu jamais pensei. Ele quase anula o próprio peso, e com o downforce do carro, isso deve dar um trabalhão pra modelar as deformações da borracha.