Zé Ruela no Túnel - Passando a régua da parte 1

A novela foi longa, mas mesmo assim vale a pena. A coisa toda surgiu com uma idéia de se estudar uma peça de um carro de fórmula, e aprendermos o que pudermos em cima dessa peça.

Não vou repetir a história toda, mas aprendemos um monte sobre o comportamento do ar na frente do pneu dianteiro de um fórmula com aerofólio dianteiro.

Na parte 1, apresentmos a coisa e o que queríamos aprender.

Na parte 2, o CT faz uma excelente explicação sobre como funciona o estudo por pressões e velocidades.

Na parte 3, acaba a explicação teórica e começam as primeiras análises. Discutimos aqui a dificuldade de analisar um pneu girando. Parece estúpido, mas não é mesmo!

Na parte 4, finalmente os resultados. Chegamos a algumas conclusões interessantes, mas não vou contar, pra vocês clicarem e lerem.

Na parte 5, fica o gancho para os próximos desenvolvimentos. Novas idéias para melhorar o fluxo na região, é agora que vamos aprender de verdade.

Novamente, leiam, entendam. Tem muita coisa interessante a se descobrir nessas análises. E dêem sugestões do que fazer!

Zé Ruela no Túnel - Sugestões para End Plate

Passando a bola pro Gonzo, nosso projetista de asas dianteiras, vou dar as minhas primeiras sugestões de alterações no end plate do nosso F3.

A primeira e mais básica, é a adição de uma chapa horizontal na parte externa do endplate e próximo ao solo, conforme a foto abaixo:

A expectativa é que, como a região na frente do pneu tem alta pressão (ponto de estagnação), uma chapa horizontal próximo do solo ali significa alta pressão em cima e baixa pressão em baixo, o que resulta em downforce!

A segunda sugestão é a chapa de cima na mesma foto. Não tenho certeza sobre qual vai ser o efeito dela, minha impressão é que ela vai alterar o ângulo em que o escoamento chega no pneu e, com isso, vai reduzir um pouco a pressão na face dianteira do pneu e o arrasto no pneu.

Comentem o que acham e coloquem outras sugestões...

Zé Ruela no Túnel - Resultados

Retomando a seção Zé Ruela no Túnel, apresento aqui os resultados das simulações de CFD da asa de F3 desenhada pelo Gonzo. As simulações que temos até aqui são:

1. Asa sem endplate e roda parada;
2. Asa sem endplate e roda girando;
3. Asa com endplate baseline e roda parada;
4. Asa com endplate baseline e roda girando.

Lembrando que esta asa possui um endplate chamado aqui de “baseline” e que será usada como referência para tentarmos melhorar o desenho do conjunto. O termo “asa” será usado para o conjunto asa principal + flap + endplate. Sustentação é a força aerodinâmica vertical e é positiva para cima (quando é negativa, temos downforce). O termo “L/D” refere-se à razão Sustentação/Arrasto e é uma medida de eficiência. As medidas de força para as configurações acima são:

E abaixo duas plots de pressão estática atuando na superfície do modelo.

Conforme já visto nos posts anteriores sobre este modelo, o end plate tende a reduzir a intensidade do vórtice de ponta de asa do modelo e com isso tem um efeito benéfico ao reduzir drasticamente o arrasto da asa e aumentar levemente o downforce. A roda girando também tem um efeito benéfico por reduzir o arrasto do pneu.

Olhando apenas as configurações em que a roda está girando (situação de pista), vemos que a adição do end plate no modelo tem um efeito desprezível na eficiência aerodinâmica do pneu (L/D permanece constante), mas aumenta muito a eficiência da asa (L/D=-5.22 sem endplate e L/D=6.36 com endplate).

Acredito que end plates complexos como os utilizado na F1 podem levar a relação L/D da asa para patamares acima de 8.0! Aumentar o L/D da asa explorando as idéias que vemos nos carros de F1 será o nosso objetivo daqui em diante e a participação dos ilustres leitores destes posts (que devem ser centenas) será fundamental!

Ze Ruela no Tunel - Parte III: Pneu Girando

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).

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.

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.

Zé Ruela no Túnel - Parte II

Antes de postar qualquer resultado sobre o modelo que o Gonzo desenhou eu decidi explicar um pouco mais detalhadamente alguns termos.

Conforme o Gonzo já adiantou, os termos pressão estática, pressão dinâmica e pressão total serão utilizados em todos os post daqui pra frente. Estes conceitos são análogos aos conceitos de energia potencial e cinética. Uma bola a dois metros de altura tem uma quantidade de energia potencial assim como um gás dentro de um extintor de incêndio tem uma quantidade de pressão estática e, por sua vez, energia potencial. Uma bola voando a uma determinada velocidade tem uma quantidade de energia cinética, assim como uma partícula de ar escoando a uma determinada velocidade tem uma pressão dinâmica e, por sua vez, uma energia cinética. A bola parada a dois metros de altura pode cair e transformar sua energia potencial em cinética, da mesma forma uma partícula de fluido pode transformar sua pressão estática em pressão dinâmica (por exemplo, quando você abre a válvula do extintor de incêndio) e vice-versa.

A pressão total é a pressão estática + dinâmica. Em uma condição em que não ocorrem perdas a pressão total se conserva e, portanto, a soma entre a pressão estática e pressão dinâmica é sempre a mesma. Os engenheiros viram na faculdade a equação de Bernoulli que coloca exatamente esta conservação de pressão total. O escoamento por um funil terá velocidade baixa/pressão estática alta na entrada e velocidade alta/pressão estática baixa no gargalo.

Em aerodinâmica de veículos tudo gira em torno do gerenciamento da pressão ao longo da superfície do veiculo. Deseja-se pressão estática alta sobre as superfícies e pressão estática baixa sob as superfícies (não importa muito a pressão dinâmica) para que downforce seja gerado. Idealmente deseja-se também pressão estática razoavelmente alta atrás das superfícies e pressão estática razoavelmente baixa na frente das superfícies do veículo para que o arrasto seja minimizado.

Portanto, a maneira mais direta de se analisar as forças aerodinâmicas é olhando a pressão estática atuando na superfície do veículo. Ensaios em túnel de vento, medidas em pista e analises de CFD medem/calculam as forças em cada direção e a pressão estática em determinados pontos.

Uma outra maneira (indireta) para analisar o arrasto aerodinâmico de um veículo é através da pressão total do escoamento. Conforme escrevi, se o escoamento não perde energia a pressão total permanece constante. E se o escoamento perde energia, esta energia tem que ir para algum lugar e esse lugar é o carro! Então a análise da quantidade de energia que o escoamento tem em determinadas regiões é um indicativo de quais regiões do veiculo estão retirando grandes quantidades de energia do escoamento, ou seja, estão produzindo arrasto.

Abaixo eu coloco os primeiros resultados do modelo Gonzalez. Ainda não quero discutir os resultados, mas apenas utilizá-los como forma de ilustrar o que escrevi acima. A primeira animação mostra a velocidade do escoamento ao longo do veículo (vermelho=velocidade alta, azul=velocidade baixa) :

Antes de ver a animação a seguir mostrando o campo de pressão estática, podemos prever que nas regiões em que a velocidade é alta, a pressão estática será baixa! Olhem principalmente na asa dianteira, onde a região superior tem pressão estática alta e a região inferior tem pressão estática baixa, o que resulta em força para baixo (vermelho=pressão alta, azul=pressão baixa):

As imagens abaixo ilustram bem esta relação velocidade X pressão estática. Esta relação é simples e direta desta forma sempre que a pressão total permanece constante, ou seja, quando as perdas são pequenas.

A animação a seguir mostra o campo de pressão total (vermelho=pressão alta, azul=pressão baixa). Conforme comentado acima, se não ocorrem perdas a pressão total permanece constante. Portanto, é possível identificar a quantidade de arrasto gerado em cada região do carro analisando quanto da pressão total o fluido perde ao passar por ali:

Percebe-se que o arrasto gerado pelo pneu é dominante sobre o arrasto gerado pela asa! Mesmo assim a asa gera uma quantidade grande de arrasto e o principal motivo neste caso é a ausência do End Plate. A imagem abaixo mostra o campo de pressão total logo atrás da asa, percebam o circulo azul que é formado na ponta da asa:

A quantidade de energia perdida ali (= arrasto gerado) é enorme! Some-se a isto o fato de que um end plate por reduzir o arrasto gerado pelo pneu e fica fácil entender porque as equipes de F1 trabalham tanto neste elemento.

Zé Ruela no túnel de vento

Este aqui é o primeiro post a 4 mãos e 2,5 cabeças (a do CT vale uma e meia) do blog.

Mas eu pelo menos acho que é um post bem legal, que vai dar origem a uma série bem longa. Espero que vocês se divirtam tanto quanto nós nos divertimos fazendo esse material. A ideia surgiu para não deixar o blog parado na entressafra, e da nossa vontade de entender algumas coisas que vemos nos carros de fórmula.

Então, eu desenhei um bico de F3, com as medidas mais ou menos tiradas a olho. O dono da oficina disse que era um Dallara, mas como era só o bico e estava quebrado de um lado, não deu pra confiar. Mas era um F3, sem dúvida. Consultei as regras para saber das dimensões máximas, e desenhei o bico que está aí embaixo:

OK, não parece muito com um F3, mas tá dentro das regras FIA de 2010. O nariz do carro tá meio grande, é uma homenagem pro Fassina. E não afeta muita coisa, porque o nosso objetivo de estudo neste modelo são:

• Estudar a influência do endplate na asa (endplate é aquela aleta vertical que fica no fim do aerofólio) - queremos saber como ele interage com o pneu e qual o ganho de arrasto e downforce com e sem ele;



• Analisar as diferenças que são geradas com o pneu rodando ou não no CFD, também para downforce e arrasto;

Agora, explicando para os leitores e leitoras que são fiéis e não fizeram engenharia:

- Arrasto é a força que o vento faz e "empurra" o carro pra trás. Sabe aquela coisa que andar com vento contra é mais difícil? Pois é, em carro de corrida é muito pior.

- Downforce é a forca que "empurra" o carro pra baixo. É a mesma força que faz o avião voar, só que em corrida é usada pra "grudar" o carro na pista. Só que com esta força vem o arrasto junto, não tem como escapar. O desafio é sempre conseguir o máxmo de downforce com o mínimo de arrasto.

- CFD vem de Computational Fluid Dynamics. Basicamente é calcular em computador as forças que atuam sobre um corpo quando um fluido (no caso, o ar) passa por ele. Com isso, podemos calcular qual o downforce e o arrasto, sem precisar fabricar a peça e nem colocar no túnel de vento!! É o trabalho do CT, e pelos clientes que ele tem, garanto que o cara é fera!!

Vai uma ilustração pra explicar o que acabei de escrever:


Simples assim. Agora os não engenheiros vão saber o que estamos estudando. Mas agora a coisa começa a ficar feia a partir de agora. Porque vamos começar a entrar nas discussões de pressão estática e dinâmica, e se você quiser entender perguntes nos comentários, que o CT responde. Porque eu mesmo não sei o que está acontecendo!

Bom, desenhar foi a parte mais fácil. O difícil foi simular, coisa que ficou tudo nas costas do CT. Aí o desenho gerou as seguintes malhas:

Modelo com endplate

Modelo sem endplate e (o CT sabe o que esta malha verde está fazendo aí)

As análises estão sendo feitas a 70 m/s (252 km/h), que é uma velocidade razoável para a categoria.

O bom deste estudo é que é só por diversão, não precisa fazer relatório nem nada. Nem precisa chegar a resultado nenhum. Mas não deixamos nossos leitores, e vamos apresentar algumas coisas que espero que sejam legais. Se não servir pra muita coisa, pelo menos essas imagens servem pra dar uma colorida no blog, e parecer que fazemos um trabalho sério.

Aguardem, porque serão muitos capítulos! E quem tiver alguma sugestão de análise, manda aí nos comentários.