Reduction of Fuel Consumption Using Aerodynamic Spoilers on Container Trucks

1. UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA Arrasto 2-D de um caminhão de container Métodos Computacionais em Engenharía Térmica e Ambiental EM - 974 Alunos : Alessandro H. Nakamura 023004 Edmundo Javier P. Markens 108031 Professor : Eugênio Spanó Rosa Data : 30 de junho de 2010

2. Introdução ao Trabalho - O combustível chega a representar cerca de 25% no total de despesas por veículo para os frotistas e, por esse motivo, a busca por soluções de redução de consumo de combustível tem sido uma constante para qualquer empresa de transporte no mundo. - O desafio está em reduzir o consumo de combustível sem afetar o desempenho do veículo. Essa constatação está fazendo com que o uso de defletores tipo sopiler cresça a cada dia entre as empresas de transportes de cargas, visando reduzir o consumo e melhorar o desempenho. Objectivos do Trabalho - O principal objetivo do estudo é determinar a diminiução do consumo de combustivel desse caminhão analisando a diminuição da força de arrasto de um caminhão transportador de container pela utilização de diferentes spoilers superiores.

3. Revisão de Literatura Consumo de Combustível - A importância relativa do design aerodinâmico para reduzir o consumo de combustível de um caminhão pode ser visto de uma vista geral de vários fatores involvendo consumo de combustível. - Como a figura mostra, 15% do combustível é usado para compensar o atrito no motor, caixa de marchas e barra de direção. 45% do combustível é utilizado para superar a resistência de rolamento. O arrasto é responsável por 40% do consumo de combustível. velocidade do veículo vs. arrasto

4. Revisão de Literatura Aerodinâmica e Arrasto - A fonte do arrasto pelo atrito de superfície é o contato entre o fluxo de ar e o corpo em questão. Por causa da viscosidade do ar, uma camada de ar ao redor do veículo, conhecida como camada limite, é arrastada junto com ele criando forças de cisalhamento. A soma dessas forças por toda a superfície produzem o arrasto na superfície pelo atrito, com os lados e o topo fazendo as maiores contribuições. Deve-se notar que este arrasto aumenta com o aumento do comprimento do veículo. Para manter este arrasto pequeno, as superfícies devem ser lisas. - A correlação entre arrasto por pressão e pelo atrito para diferentes tipos de veículos é ilustrada. É mostrado que o arrasto pela pressão é a componente principal no caso de veículos pesados. arrasto por pressão vs. arrasto por atrito

5. Revisão de Literatura • Aerodinâmica e Arrasto • - O arrasto “D” pode ser representado pela seguinte fórmula: • O arrasto de um veículo é determinado pela extensão substancial de seu formato. Para expressar a qualidade da aerodinâmica do design de um veículo com um só número, usamos o que é chamado de “coeficiente de arrasto” Cd, o que é determinada como se segue; • Onde (Cd) é o coeficiente de arrasto, “rho” (ρ) é a densidade do ar, (Uo) é a velocidade do caminhão e (S) a área frontal. O arrasto é, então, determinado pelo formato aerodinâmico expressado em termos de (Cd), a pressão do vento (ρ x ½Uo2) e o tamanho do veículo (S).

6. Revisão de Literatura Aerodinâmica e Arrasto - Como o Cd é sempre relacionado com a área frontal S, o produto Cd x S (conhecido como área de arrasto) é crítico para o arrasto e sua contribuição para o consumo de combustível. Logo, um veículo com alto Cd e pequena área S pode ter um arrasto menor do que um veículo grande com baixo Cd e vice-versa. resistência ao fluxo para diferentes geometrias coeficiente de arrasto para tipos diferentes de veículos

7. Condições de Contorno e Modelos Utilizados Desenho do Caminhão - Como estudaremos especificamente a diminuição do arrasto pela utilização de três diferentes tipos de spoilers, as seguintes condições foram estabelecidas: - caminhão como um só objeto pela utilização de colares para cabine; - rodas cobertas com painéis; - perfil do caminhão foi feito no PRO/Engineer com cantos arredondados na frentede modo a aproximar o design da realidade Caminhão sem spoiler - As dimensões do caminhão consideradas foram: - cabine: 2 metros de altura e 2,5 metros de comprimento - container: 3,5 metros de altura e 8 metros de comprimento - largura : 3 metros

8. Condições de Contrno e Modelos Utilizados Spoilers utilizados Spoiler tipo 1 Spoiler tipo 2 Spoiler tipo 3 Caminhão com Spoiler 1 Caminhão com Spoiler 2 Caminhão com Spoiler 3

9. Condições de Contrno e Modelos Utilizados Malha e Resíduos - A escolha da malha foi feita tomando por base os resíduos gerados em cada simulação e com base na distribuição de pressão e velocidade obtidos. Foram feitas 3 simulações de malhas diferentes (malha A, B e C) e aquela que obteve menores resíduos foi escolhida como a “malha refinada” a ser utilizada em todas as outras simulações. Malha A Malha B Malha C

10. Condições de Contrno e Modelos Utilizados • Malha e Resíduos • Também fizemos simulação de malha default (dada pelo próprio PHOENICS). Os resíduos obtidos foram um pouco mais baixos do que os anterior. Mas, como é uma malha grosseira, não foi capaz de apresentar os fluxos de maneira satisfatória no que diz respeito aos vórtices e separações em lugares de maior interesse. • - Foram adicionados objetos “NULL” para que pudessemos refinar a malha em regiões de interesse, como a parte superior do spoiler e na parte frontal do caminhão. Foram feitas modificações no “Power Law” para que também cobríssemos regiões interessantes. • - Como foi a malha A que resultou em resíduos mais aceitáveis, ela é a que será utilizada nas próximas simulações. configurações na direção X configurações na direção Y

11. Condições de Contrno e Modelos Utilizados • Modelo de Turbulencia • Testamos dois modelos de turbulência: KECHEN e LVEL. Para ambos, analisamos os resultados de forças. São apresentadas a seguir: • - Ambos modelos resultaram em dados satisfatórios com algumas diferenças entre eles. Optamos por utilizar o modelo KECHEN pois é o mais indicado para a simulação em questão, já que ele retorna bons resultados sobre separação de camadas e vórtices. O modelo LVEL, no entanto, se mostra mais útil quando existem muitos objetos e a malha é grosseira (o que não é o caso). sem spoiler utilizando LVEL sem spoiler utilizando KECHEN spoiler tipo 1 utilizando LVEL spoiler tipo 1 utilizando KECHEN

12. Análise Numérica e Resultados Caso sem spoiler caminhão sem spoiler campo de velocidades distribuição de pressão

13. Análise Numérica e Resultados Caso spoiler tipo 1 caminhão com spoiler tipo 1 campo de velocidades distribuição de pressão

14. Análise Numérica e Resultados Caso spoiler tipo 2 caminhão com spoiler tipo 2 campo de velocidades distribuição de pressão

15. Análise Numérica e Resultados Caso spoiler tipo 3 caminhão com spoiler tipo 3 campo de velocidades distribuição de pressão

16. Análise Numérica e Resultados Resultados Obtidos força do arrasto caminhão sem spoiler força do arrasto caminhão com spoiler tipo 1 força do arrasto caminhão com spoiler tipo 2 força do arrasto caminhão com spoiler tipo 3

17. Análise Numérica e Resultados • Resultados Obtidos • - Determinação da redução do consumo de combustível devido ao uso de spoiler: • - Como foi dito anteriormente, o arrasto é responsável por 40% do consumo de combustível; • Spoiler 1: (66,37%) x (40%) = 26,55%. • Spoiler 2: (0,36%) x (40%) = 0,14%. • Spoiler 3: (55,58%) x (40%) = 22,23%. • - Determinação da coeficiente de arrasto (Cd): • - Parâmetros e unidades utilizadas; • D = forças do arrastro (N) • ρ = 1,189 (kg/m3) • Uo = 80 (kn/h) = 22,22 (m/s) • S = 3 (m) x 3,5 (m) = 10,5 (m2)

18. Análise Numérica e Resultados • Resultados Obtidos • Determinação da coeficiente de arrasto (Cd): coeficiente de arrasto para tipos diferentes de veículos coeficiente de arrasto para diferentes objetos

19. Conclusões do Trabalho • - Os altos valores do coeficiente de arrasto do caminhao sem spoiler e com spoiler 2 se deve ao fato de poderem ser interpretados como sendo placas planas retangulares normais ao fluxo, como mostra a tabela 2.1. • - O comportamento da camada limite, como mostrado na literatura, atua corretamente de acordo com os gráficos obtidos a velocidade e pressão, o que demonstra um adequado desenho utilizado. • - Segundo nossa análise, o melhor spoiler recomendado para utilizaçao é o tipo 1, o qual mostra uma boa reduçao da força de arrasto. O coeficiente de arrastro calculado Cd=0,74 concorda com a literatura como mostrado na figura 2.5. • - O spoiler tipo 2 resulta em uma diminuição muito pequena em comparação aos outros tipos de spoilers. Portanto, indica o tipo de spoiler menos recomendado para ser utilizado. • - É vantajoso, se possível, usar uma cabine menor e um container mais baixo, já que reduz diretamente o arrasto e, assim, reduzir o consumo de combustível.

20. Final