Aerodinâmica Veicular

A constante necessidade de melhorar o consumo de combustível, reduzir o nível de ruído de vendo durante o movimento, exigências mais severas quanto à refrigeração do motor e à estabilidade do movimento dos veículos fez com que os esforços em redução do arrasto aerodinâmico e forças de impulsão originadas durante o movimento estivessem cada vez mais em pauta durante o desenvolvimento do projeto do veículo. Palavras-Chave: Aerodinâmica; Camada Limite; Arrasto Aerodinâmico; Sustentação Aerodinâmica; abstract The subject of this article is a summary of the basic principles of aerodynamics and its applications in motor vehicles. The concept fundamentals of Fluid Mechanics related to a body moving in a fluid, especially the Boundary Layer theory and its approach determined by Prandt that gave engineers and theorists the basis to deepen the knowledge of this science and its practical applications in auto vehicles.

Aerodynamics is important because this science affects both fuel economy and vehicle road stability. The constant need to improve fuel economy, wind noise level decrease, more severity requirements for the engine coolant and the vehicle motion stability made the aerodynamic drag reduction and lift forces generated during movement to have a higher importance during vehicle development. O desenvolvimento de veículos com formas que chegassem a valores de arrasto aerodinâmicos cada vez menores atualmente é mais rápido baseando-se nas experiências do passado e a evolução das técnicas computacionais que possibilitam no inicio do projeto detectar as melhores soluções para a forma do veículo. A complexidade das formas tridimensionais e as variações de fluxo ao redor do veículo tornam impossível um modelo computacional de fluxo para o desenvolvimento de um veículo.

Os modelos existentes são utilizados para prever as características do fluxo e arrasto do veículo ou analises de pontos isolados do fluxo ou do veículo, ficando os tuneis de vento com a função mais importante no desenvolvimento aerodinâmico, validando e confirmando as previsões computacionais. Os altos custos das analises e estudos aerodinâmicos em túnel de vento, assim como o alto custo destas instalações, tanto em escala como em tamanho natural e o rápido desenvolvimento dos computadores estão, por outro lado, aumentando a importância das analises computacionais nos estudos. Aerodinâmica Basica Todo fluído é viscoso e os valores de viscosidade variam conforme as características do fluído e as condições de pressão e temperatura, O ar é considerado um fluído de baixa viscosidade, mas em valor suficiente para que seus efeitos sejam considerados nos estudos do movimento de um corpo através dele.

O exemplo clássico desta condição esta representado na figura abaixo, onde duas placas planas, uma fixa e outra em movimento, separadas por um fluído, geram um gradiente de velocidade onde a velocidade é zero na placa fixa, ou com velocidade igual a velocidade do fluído, aumentando até que a velocidade do fluído seja igual a velocidade da placa que esta em movimento. Figura 2:Perfil de velocidade do fluido viscoso entre duas placas planas O cientista alemão Ludwig Prandtl conceituou a Camada Limite em 1904, mostrando que os escoamentos viscosos podem ser analisados dividindo o fluxo em duas regiões, a primeira próxima às fronteiras sólidas e a outra região cobrindo o restante do fluxo. Apenas em uma região de espessura muito pequena (Camada Limite) em contato com o corpo que esta em movimento no fluído o efeito da viscosidade é importante.

Figura 3: Perfil de velocidade na Camada Limite Turbulenta e Laminar em uma placa plana Na região fora da Camada Limite o efeito da viscosidade é desprezível e o fluído pode ser tratado como não-viscoso. Na maioria das condições reais a Camada Limite se desenvolve em uma superfície sólida plana, como em cascos de submarinos e asas de aviões. Um exemplo esta mostrado na figura próxima, onde pode ser observada a alteração do comprimento da camada limite laminar e o ponto transição laminar/turbulento em função da velocidade do fluxo de ar e da forma do veículo, neste caso no teto do veículo. Figura 5: Fases da distribuição do deslocamento Camada Limite Figura 6: Alteração do comprimento da camada limite laminar e o ponto transição laminar/turbulento em função da velocidade do fluxo de ar e da forma do veículo Os perfis aerodinâmicos são projetados para reduzir o efeito de separação da camada limite e também o gradiente de pressão, principais efeito causador da separação da camada limite.

Porém, para perfiz aerodinâmicos com grandes ângulos de ataque, o escoamento sofre, conforme mostrado na figura abaixo, separação a camada limite devido ao aumento do gradiente de pressão, aumentando o arrasto e a perda de sustentação (estol). Figura 7: Perfil aerodinâmico com camada limite aderido ao corpo Figura 8: Camada limite com separação num perfil aerodinâmico. Métodos de Medição Aerodinâmica Os coeficientes de arrasto e de sustentação aerodinâmicos e qualquer outra informação referente á distribuição do fluxo e pressão ao redor de um veículo devem ser determinados experimentalmente. A influência das temperaturas externas do meio ambiente sobre as condições do fluxo na região de medição limita o seu uso em regiões de clima mais frio como na Europa e América do Norte.

O alto ruído e a contaminação do ar de admissão são outras desvantagens, que, para serem corrigidas, obrigam a instalação de filtros e consequentemente a necessidade de aumento na potencia dos ventiladores. Figura10: Túnel de vento aberto tipo Eiffel Os tuneis também podem ser classificados pela velocidade do ar, como os Subsônicos ou de baixa velocidade na secção de teste (até 135 m/s ou 0,4 Mach) que são de concepção simples e de baixo custo. Os tuneis Transônicos (até 340 m/s ou 1 Mach) são os mais utilizados pela indústria aeronáutica e os tuneis de vento Supersônicos, com velocidades de 1 á 5 Mach, necessitam muita energia e bocais convergentes. Tuneis Hipersônicos atuam entre 5 e 15 Mach, utilizando bocais divergentes.

O Centros de Força Lateral não é fixo, assim como o Centro de Pressão, e depende das características de tranferência de carga e os efeitos da tração nos eixos. O veículo será estável se o Centro de Pressão estiver atrás do Centro dos Coeficientes de Força. Se o Centro de Pressão estiver a frente do Centro de Gravidade, uma instabilidade dinâmica pode surgir devido aos efeitos no giro do Centro de Gravidade ocasionados por alterações direcionais. Para diminuir esta instabilidade, pode ser alterado o ângulo de deslizamento dos pneus e consequentemente a posição do Centro do Coeficiente de Forças Laterais. Outro fator que influência a estabilidade e o Centro de Pressão, é a incidência do vento no fluxo de ar no veículo, gerando uma força lateral resultante que interfere no valor do Coeficiênce de Arrasto.

Inversamente, se o declive na região do vidro traseiro com a tampa do porta-malas (p. ex. em veículos hatchback) for considerável, o aumento de pressão irá ser grande, de modo que a velocidade de mistura de ar com a camada limite não movimentará as camadas interiores do fluxo e aumentará a espessura da camada limite. Nestas condições, o fluxo principal de corrente de ar se separa da superfície do veículo em um fenômeno conhecido como separação de fluxo. Um exemplo, mostrado na figura, de separação seguido de re-união ou re-ligação do fluxo de ar pode ser verificado quanto o ar flui sobre o capo e o para-brisas, fazendo com que seja separado o fluxo no capô e em seguida se re-agrupando na extremidade superior do para-brisas, no inicio do teto do veículo.

A distribuição real das pressões acima e abaixo do veículo é influenciada diretamente pela forma do veículo, velocidade do veículo e a direção e intensidade do vento. Figura16: Distribuição de pressão na região superior e inferior de um veículo 5. Arrasto Aerodinâmico Quando o fluido flui através de uma superfície o corpo a uma velocidade constante, uma força de arraste vai ser produzida e é composta de suas partes: a) Resistência ao atrito de superfície, causado pelos efeitos da viscosidade do fluído sobre a superfície e; b) Arrasto de pressão, resultado da distribuição de pressão superficial do fluxo de ar que atua sobre a superfície do corpo. Na figura abaixo mostra o fluxo sobre uma parte de um corpo e a resultante da distribuição de pressão.

Figura17: Influencia da distribuição da pressão e da velocidade no arrasto aerodinâmico Em veículos existem mais dois componentes que influenciam o Arrasto Aerodinâmico, a Resistência Induzida que é uma parte da Resistência ou Arrasto de Pressão e a Resistência Interna que constituem a resistência total ao arrasto. Os vórtices são criados em torno de várias regiões de um veículo durante o movimento e são descritos como uma massa de ar que gira de maneira similar a uma forma cilíndrica anular. A velocidade de rotação na periferia do vortex é mínima, mas aumenta inversamente ao raio e a proximidade ao centro de giro onde há o aparecimento de um núcleo central, onde o movimento é mínimo e as camadas adjacentes do fluxo são substituídas pelo cisalhamento viscoso entre as camadas e o turbilhão de ar e a pressão dentro do vórtice será inferior que a pressão atmosférica e decresce da extremidade do vortex para seu centro.

Outro fenômeno que ocorre é a formação de vortex de arrasto ou trailing vortex, que se formam nas extremidades traseiras de um veículo. As correntes de ar superior e inferior que escoam em um veículo tendem a se encontrar a uma mesma velocidade na região traseira do veículo, o fluxo superior deve ser mais rápido do que a corrente de ar inferior e consequentemente, a pressão do ar deve ser maior na região inferior sob o assoalho do veículo. Como o ar se move das regiões de alta para baixa pressão, a corrente de ar de alta pressão na região inferior do veículo tenderão a se mover diagonalmente para o exterior e para cima na direção da corrente de menor pressão e se interagem eventualmente ao longo das bordas do veículo formando um movimento rotativo e contínuo para além da extremidade traseira do veículo.

Um coeficiente de arrasto baixo implica em uma forma alongada permitindo que este corpo ou objeto se mova com a mínima resistência através do fluxo de ar. Um elevado coeficiente de arrasto é ocasionado pela complexidade da forma do corpo de modo que haja uma alta resistência ao ar quando o corpo, objeto ou veículo esteja em movimento. Figura27: Tabela comparativa coeficiente de arrasto Figura 28: Coeficiente Arrasto para formas básicas Figura 29: Coeficientes de Arrasto e Sustentação e distribuição da pressão ao redor da carroceria 8. Redução do Arrasto em Veículos Apesar de haver uma grande quantidade de veículos podemos agrupa-los em pequenos, médios e grandes e por tipo de carroceria, basicamente Hatchback e Notchback sendo que, dentro de cada grupo a distância entre-eixos sejam muito próximas.

Mesmo assim, temos uma variação grande de coeficiente de arrasto em cada das categorias mencionadas que é atribuída as diferenças de Design entre os veículos e categorias. Figura 32: Relação do ângulo do Capô e ângulo do para-brisa versus coeficiente de arrasto O ângulo do teto e sua curvatura e os ângulos e curvaturas entre o teto e o painel lateral também influenciam no arrasto, assim como a curvatura dos painéis laterais. O ângulo de curvatura do teto não pode ser muito grande sob a pena de aumento no arrasto e a curvatura do painel lateral reduz o arrasto, mas o seu aumento torna marginal o efeito de ganho no arrasto e não podem ser aumentados também pelo fato destas soluções aumentarem a área frontal do veiculo.

Detalhes como embutir vidros nas portas deixando-os rente a carroceria, espelhos retrovisores optimizados, limpadores de para-brisa escondidos, calotas de baixa turbulência e guarnições de portas eficazes. Outro detalhe importante a ser considerado é a concepção da coluna A, que separa o para-brisa da janela lateral, influenciando não apenas o desempeno aerodinâmico, mas também afeta o fluxo de agua do para-brisa e o ruído de vento causado pela turbulência nesta região. Figura 33: Efeito da curvatura do teto e do painel lateral no coeficiente de arrasto O afilamento do painel traseiro reduz o coeficiente de arrasto, onde um afilamento suave gera ganhos substanciais até um valor onde o ganho deixa de existir em função de outros fatores como o descolamento da camada limite nesta região a formação de vortex adicionais.

Figura37: Fluxo de ar e formação do rastro de baixa pressão na traseira do veiculo fastback Veículos chamados Hatchback têm um ângulo de inclinação variando entre 25° e 50° e nesta gama de ângulo de inclinação, o ar que flui do teto para o vidro traseiro sobre uma separação e ao mesmo tempo em que o ar que flui da região de pressão mais elevada para a região de pressão menor provocando o surgimento de dois vortex laterais e um transversal que se juntam estendendo o rastro de pressão negativa. Figura38: Fluxo de ar e formação do rastro de baixa pressão na traseira do veiculo Hatchback Veiculos Notchback ou sedans, onde o vidro traseiro encontra uma superfície plana do porta-malas, permite que o fluxo de ar seja re-unido na região traseira do veículo, pois anteriormente o fluxo foi separado na região de transição entre o vidro traseiro e o porta-malas.

Vortex verticais são criados em cada lado da carroceria e são projetados na forma de vórtices de arrasto. Experimentos mostram que a elevação da superfície do porta-malas provoca uma diminuição do ângulo de inclinação do fluxo de ar geram ganhos substanciais no arrasto aerodinâmico. Figura39: Fluxo de ar e formação do rastro de baixa pressão na traseira do veiculo Sedan Figura40: Influência do ângulo efetivo no coeficiente de arrasto 9. Relação entre a sustentação e o Arrasto Qualquer objeto em movimento será submetido a uma força de sustentação e arrasto. Utilizando o exemplo clássico de uma placa plana inclinada em relação ao a direção do fluxo de ar, a pressão de ar acima da superfície da placa é reduzida enquanto que por baixo esta velocidade é aumentada.

O resultado é uma pressão sobre a placa que a forçará para cima e para trás. Figura 42: Componentes das forças de arrasto e sustentação aerodinãmicos Quanto maior for o ângulo de inclinação, menor será a sustentação e o arrasto será maior. Quando o ângulo de inclinação diminui, a força de reação total (somatória das forças de arraste e de sustentação aerodinâmicas) também é reduzida. Aerodinâmica de Veículos Comerciais A resistência aerodinâmica em automóveis começa a ter influência a partir de 75 Km/h onde a resistência ao rolamento e as resistências aerodinâmicas se igualam. Em veículos comerciais, principalmente caminhões, o coeficiente de arrasto é cerca de duas vezes maior e a área frontal é de quatro a cinco vezes maior do que um automóvel.

Portanto, a resistência aerodinâmica a uma dada velocidade pode ser dez vezes maior para um caminhão ou ônibus comparado a um automóvel de passageiros, assim como a resistência ao rolamento. A resistência ao rolamento de veículos comerciais é diretamente proporcional ao peso e carga do veículo e não pode ser assumida como uma constante. Como exemplo, para um veículo com uma área frontal de 5,7 m2, a resistência aerodinâmica torna-se igual à resistência ao rolamento a uma velocidade de 63 km/h para um veículo sem carga e 95 Km/h para o veículo carregado. As diferentes alturas entre o teto do trator e o trailer, assim como a forma do ângulo do para-brisa e o arredondamento das formas do trator ou cavalo influenciam no fluxo de ar e na geração dos vortex de pressão.

As bolhas de separação de fluxo aparecem em condições distintas, como em veículos onde o trator tem uma altura próxima a altura da cabine do trailer, as bolhas se formam no teto do trator e na borda do trailer. Arredondando as formas do trator, a bolha de separação de fluxo tende a desaparecer ou ser minimizada, mas não desaparece ou trailer, podendo aumentar. Em adição a este efeito, o fluxo de ar é parcialmente desviado para a região entre o trailer e a cabine do trator. Figura51: Influência da forma da cabine e altura do trailer no fluxo de ar ao redor do veículo Mas o mais importante fator que contribui para o arrasto aerodinâmico é a área exposta do trailer sobre o teto da cabine do trator.

A adição de painéis laterais como extensão da cabine ou placas verticais flexíveis no trailer visa diminuir a turbulência e a pressão negativa nesta região. Figura56: Teste aerodinâmico em caminhões com componentes de redução de arrasto Figura57: Conceitos de defletores laterais e sua influencia no fluxo de ar e arrasto O trailer ou reboque geralmente são construídos com ângulos retos e grandes painéis visando o máximo aproveitamento da capacidade de carga, gerando bolhas de recirculação, vortex instáveis e separação de fluxo de ar aumentando significativamente o arrasto. Visando diminuir o arrasto do trailer, uma das alternativas é o arredondamento dos bordos do trailer na região frontal ou adicionar apêndices de curvatura suave nos bordos do trailer visando diminuir a formação de bolhas de separação de fluxo e vortex nas extremidades do trailer.

Figura58: Influencia do arredondamento das bordas do trailer no fluxo de ar A adição de sais laterais no trailer e no trator é outro dispositivo que ajuda a reduzir a formação de vortex, bolhas de separação de fluxo e turbulências na lateral dos veículos. Nesta região o mais importante fator que gera turbulência, vortex e bolhas de separação são o fluxo de ar que atravessa as rodas e é separado pelo movimento das rodas do veículo. Referências HEISLER, Heinz, Vehicle Body Aerodynamics. Advanced Vehicle Technology. Oxford: SAE-Society of Automotive Engineers, 2002, Cap. STONE, Richard. BALL, Jeffrey K. Aerodynamics. Moscou: Mir Publishers Moscow, 1985 SAE-Society of Automotive Engineers, 1985, p. BRUNETTI, Franco. Fluidodinâmica. Mecânica dos Fluídos. p. KATZ, Joseph. Aerodynamics of the Complete Vehicle.

Race Car Aerodynamics – Designing for Speed. Cambridge, Massachussets: Bentley Publishers.