=
Influence
of a higher fairing on the pulling force of a truck
David Paul Pachacama Gualotuña.[1], =
Darwin
Anderson Pachacama Gualotuña. [2],<=
/span> Claudio Constante Có=
rdova
Orellana. [3] <=
/span>& Fredy
Rafael Llulluna Llumiquing=
a. <=
/span>[4]
=
Introduction: The consumption of diesel fuel in the country
represented 36.61 [%] of the demand for petroleum derivatives in 2019, whic=
h is
why it seeks to propose savings alternatives in the land freight transport
sector. For this reason, the influence of an upper cabin fairing (windbreak=
er)
on the drag force, which is generated when the truck moves forward, displac=
ing
a large amount of air that flows through the exterior and interior of the
truck, was analyzed. Objective: To
analyze the influence of a higher fairing on the drag force of a truck using
the one-dimensional equation of the drag force and computational fluid dyna=
mics
software. Methodology: This ef=
fect
was estimated using the one-dimensional drag force equation, which relates =
the
drag coefficient, air density, frontal area, air speed and truck speed, with
the help of a software of computational fluid dynamics (CFD), which require=
s a
simplified geometry at 1: 1 scale of the truck and the upper fairing, the
domain is generated and the boundary conditions governing the physical
phenomenon are taken. Results:=
A
decrease of 0.102 [kN] is obtained at a truck s=
peed
of 40 [km / h], as the speed increases to 120 [km / h], the force decreases=
by
0.788 [kN]. Conclusions:
There is a reduction of 8.734 [%] in the drag force when using the upper ca=
bin
fairing, this is complemented by the study carried out on fuel consumption =
on
the road where there is a saving of 4.63 [%] with the use of the upper cabin
fairing.
Resumen.
Introducción: El consumo del combustible diésel en el paÃs representó un 36.=
61 [%]
de la demanda de derivados de petróleo en el año 2019, razón por la cual=
se
busca proponer alternativas de ahorro en el sector del transporte terrestre=
de
carga. Por esta razón se analizÃ=
³ la influencia
de un carenado superior de cabina (rompe-viento) en la fuerza de arrastre, =
que se
genera cuando el camión avanza desplazando gran cantidad de aire que fluye=
por
el exterior e interior del camión. Objetivo:
Analizar la influencia de un carenado superior en la fuerza de arrastre de =
un
camión mediante la ecuación unidimensional de la fuerza de arrastre y un
software de dinámica de fluidos computacional. MetodologÃa: Este efecto se estimó mediante la ecuación unid=
imensional
de la fuerza de arrastre, la cual relaciona el coeficiente de arrastre, la
densidad del aire, el área frontal, la velocidad del aire y la velocidad d=
el
camión, con la ayuda de un software de dinámica de fluidos computacional =
(CFD),
el cual requiere una geometrÃa simplificada a escala 1:1 del camión y el
carenado superior, se genera el dominio y se toma las condiciones de fronte=
ra
que rige el fenómeno fÃsico. Res=
ultados:
Se obtiene una disminución del 0.102 [kN] a una velocidad del camión de 4=
0 [km/h],
conforme se incrementa la velocidad a 120 [km/h], la fuerza disminuye en 0.=
788 [kN].
Conclusiones: Se tiene una red=
ucción
del 8.734 [%] en la fuerza de arrastre al utilizar en carenado superior de
cabina, esto se complementa con el estudio realizado de consumo de combusti=
ble
en carretera en donde se tiene un ahorro del 4.63 [%] con el uso del carena=
do
superior de cabina.
Palabras claves:
Fuerza de arrastre; coeficiente de arrastre; carenado superior; dinámica de
fluidos computacional; ecuación unidimensional; densidad del aire.
Introducción.
El consumo interno de
combustible diésel 2 y el diésel premiun que =
se
utiliza en el transporte terrestre de carga, tuvo un valor de 32,945 millon=
es
de barriles, frente a las gasolinas que se utiliza en el transporte liviano=
que
tuvo un valor de 30,156 millones de barriles, han hecho que varias
instituciones públicas y privadas emprendan estudios relacionados a la
eficiencia energética en el sector automotriz con la finalidad de reducir =
el
consumo de combustible y por ende las emisiones contaminantes que emiten los
vehÃculos de combustión interna
Según datos del balance
energético nacional, el consumo de 43 millones de barriles equivalentes de
petróleo se lo lleva en sector del transporte, el terrestre con un 87 [%],=
el
aéreo con un 6 [%] y el marÃtimo con un 7 [%], dentro del transporte terr=
estre ocupa
un 44 [%] la carga pesada, 20 [%] la carga liviana, 15 [%] autos y jeeps, 3=
[%]
buses, 3 [%] taxis y 2 [%] otros. En diesel se han consumido 819,18 miles de
galones, de los cuales la carga pesada representa un 74 [%], la carga livia=
na
19 [%], pasajeros colectivo 6 [%] y pasajeros
individual 1 [%]
La venta de camiones
registra un valor de 150.952 unidades en los últimos 19 años a partir del=
año 2.000,
gran parte de estos camiones carecen de un carenado (rompe-vientos) colocad=
o en
la parte superior de la cabina del camión, sea este un accesorio proporcio=
nado
por la casa fabricante o construido bajo especificaciones del propietario en
una empresa de carrocerÃas
La aerodinámica es una
ciencia aplicada con varias aplicaciones prácticas en ingenierÃa. =
No importa cuán elegante pueda ser una teorÃa
aerodinámica, o matemáticamente=
compleja
puede ser una solución numérica, o cuán sofisticado es un experimento
aerodinámico, todos estos esfuerzos suelen estar dirigidos a la predicció=
n de
fuerzas – momentos, la transferencia de calor a los cuerpos que se mueven=
a
través de un fluido (generalmente aire) y a la determinación de flujos qu=
e se
mueven internamente a través de conductos
Estudios realizados en la ciudad de Cuenca de un
vehÃculo liviano mediante un software de dinámica de fluidos computaciona=
l,
obtienen un incremento del coeficiente de arrastre de 0,293 a un valor de 0=
,318
con el análisis de la influencia de llevar las ventanas totalmente abierta=
s en
el vehÃculo, resultado obtenido bajo condiciones meteorológicas de la zona
(presión atmosférica 74,5 kPa y densidad del aire 0,957 kg/m3)=
y una
altitud de 2.550 m.s.n.m. Â
Un modelo a escala 1:32 =
de
un tracto camión con su zona de carga se someten a un túnel de viento por
separado, obteniendo un coeficiente de arrastre de 0,608 correspondiente so=
lo a
la cabina del tracto camión, en cambio cuando se adiciona la zona de carga=
al
tracto camión el coeficiente de arrastre se incrementa a un valor de 0,704=
también
se visualiza el flujo de aire que circula en los dos casos de estudio, un de
las caracterÃsticas del túnel de viento es variar la velocidad del viento=
en un
rango de 0 [m/s] a 28 [m/s] ( 0 km/h a 100,8 km/h)
El coeficiente de arrast=
re
es un numero adimensional que varÃa según el diseño exterior e interior,
visibilidad, comodidad, estilo, estabilidad, etc. de las superficies de la =
cabina
y zona de carga, adquiere un valor de 0,78 en camiones sin la ayuda disposi=
tivos
aerodinámicos y se reduce a 0,64 cuando se utiliza un carenado superior de
cabina
Al evaluar el coeficient=
e de
arrastre en un software de dinámica de fluidos computacional (CFD) de un
semirremolque cisterna, bajo diferentes condiciones atmosféricas en la pro=
vincia
de Riobamba se obtuvo 1,18 y en la provincia del Guayas el valor fue de 0,86
estos resultados son adimensionales, esto es debido a la presión atmosfér=
ica
que varÃa según la altura donde se realice las pruebas, a nivel del mar el
flujo de aire que recorre por el vehÃculo restringe considerablemente su
movimiento en relación a un punto con alturaÂ
Estudios realizados en C=
hile
bajo la norma SAE J1321 la cual estipula un procedimiento de medición del
consumo de combustible en camiones, para ello se requiere recorrer una
distancia mayor a 64 [km], con una velocidad constante de 90 [km/h], la
medición de la cantidad de combustible se la realiza al inicio y final del
recorrido mediante el método de gravimetrÃa (pesar el combustible en una
balanza), la diferencia entre estos valores dará como resultado el consumo=
de
combustible, adicional se debe cumplir con varios parámetros tanto para el
camión, tramo de carretera y condiciones atmosféricas. Al comparar las ca=
binas
de un tracto-camión Freigthliner (Argosy
y Columbia) se obtiene un 3,96 [%] en el ahorro de combustible por el diseÃ=
±o
aerodinámico que posee la cabina Columbia del tracto-camión
En Ecuador el consumo de
combustible de un camión al utilizar un deflector de aire (carenado superi=
or)
bajo la norma DIN 70 030-2 la cual también estipula en su procedimiento
recorrer una distancia de 10 km, =
con una
velocidad constante de 90 km/h, la medición de la cantidad de combustible =
se la
realiza al inicio y final del recorrido mediante el método de gravimetrÃa=
, la
diferencia entre estos valores dará como resultado el consumo de combustib=
le,
adicional se debe cumplir con varios parámetros tanto para el camión, tra=
mo de
carretera y condiciones atmosféricas. Al realizar las pruebas en la carret=
era
del territorio se obtuvo un ahorro de 4.63 [%] para un camión de carga med=
iana
=
Metodologia.
Se analizó un camión estándar de carga mediana, con su respectiva=
zona
de carga y carenado superior de cabina fabricados bajo especificaciones del
propietario, bajo la ecuación unidimensional de la fuerza de arrastre, de
manera que se puedan observar los cambios que se generan, al variar los
parámetros que la componen. Además, se utiliza un software de dinámica de
fluidos computacional (CFD) para estimar la fuerza de arrastre bajo condici=
ones
de operación, del fenómeno fÃsico que se produce con el desplazamiento d=
el
camión y su entorno.
El vehÃculo escogido se ha destacado durante varios años, por sus =
ventas
especÃficamente en chasis para buses y camiones, en el año 2019 se posici=
ono
con 4210 unidades vendidas, ocupando un 3.18 [%] de participación de merca=
do en
este sector, en relación a sus competidores, en la tabla 1 se indica varias
especificaciones del camión seleccionado
Tabla 1. CaracterÃsticas del camión=
.
|
Des=
cripción |
Val=
or |
|
Marca |
HINO 500 |
|
Modelo |
GD8JLSA |
|
Peso bruto vehicular |
11900 kg |
|
Potencia |
191 kW @ 2500 rpm |
|
Torque |
745 Nm @ 1500 rpm |
|
Velocidad máxima |
121 km/h |
|
Pendiente superable |
47.4 % |
|
Capacidad del tanque |
200 L |
|
Sistema de combustible |
Inyección directa |
Fuent=
e:
La fuerza resistiva ocasionada por el flujo de aire generado cuando =
el
vehÃculo avanza hacia adelante por una carretera, se la puede estimar medi=
ante
la ecuación unidimensional
En donde:
Presión dinámica de corriente libre de =
aire,
es la energÃa cinética del fluido debida a la velocidad del fluido en su
movimiento. Esta presión no se manifiesta ejerciendo una fuerza sobre una
superficie, como ocurre con la presión estática, sino que es la energÃa =
por
unidad de volumen que posee el fluido en movimiento y se puede calcular
mediante la ecuación
En donde:
Al utilizar el método de dinámica de fl=
uidos
computacional (CFD) para estimar el fenómeno fÃsico que está ocurriendo =
con el
aire al momento de circular por la superficie del camión, se requieren var=
ias
etapas de análisis como se indica en la figura 1
Figura 1. Estructura de un sistema de
simulación CFD
Fuent=
e:
El software ANSYS es uno de los
simuladores que emplea el método de elementos finitos (FEM) y volúmenes f=
initos
(FVM) aplicada a una malla, uno de los módulos para el estudio de flujos e=
s el
CFX en el cual se pude modelar: flujos estacionarios y transitorios; flujo
laminar y turbulento; flujos subsónicos, transónicos=
y supersónicos; transferencia de calor y radiación térmica, etc. Su estr=
uctura
se indica en la figura 2
Figur=
a 2.
Estructura del módulo CFX
Fuente:
Las ecuaciones de continuidad que ocupa el
módulo CFX son las siguientes:
·
Ecuac=
ión
de continuidad de la masa
=
Dónde:
·
Ecuac=
ión
de continuidad de la energÃa
Dónde:
·
Ecuac=
ión
de la cantidad de movimiento (Navier Stokes)
Dónde:
Resultad=
os.
Figur=
a 3. Esta=
ción
meteorológica M0025
Fuent=
e:
En la tabla 2 se indican los parámetros atmosféricos.
Tabla=
2.
Parámetros atmosféricos M0025
|
Des=
cripción |
Val=
or |
|
Fecha - hora |
21-07-2020 13:00:00 |
|
Humedad relativa del aire |
85 % |
|
Precipitación |
0 mm |
|
Presión atmosférica |
985 hPa |
|
Temperatura del aire |
25 °C |
|
Velocidad del viento |
1.4 m/s |
|
|
1.1348714 kg/m3 |
Fuent=
e:
Elaboración propia
El área frontal proyectada del camión tiene un valor de 8.223 [m
                                    =
     Â
Figur=
a 4. Dise=
ño
simplificado del camión
Fuent=
e:
Elaboración propia
La fuerza de arrastre varÃa según la velocidad que imprima el vehÃ=
culo
en carretera, por tanto, el rango de variación que se considera es de 0 [m=
/s] a
33.333 [m/s] (120 [km/h]), los otros valores de los parámetros que depende=
la
ecuación unidimensional se indica en la tabla 3.
Tabla=
3.
Parámetros de la fuerza de arrastre
|
Des=
cripción |
Val=
or |
|
Coeficiente aerodinámico (SAE J2188) |
|
|
Densidad del aire |
1.1348714 kg/m3 |
|
Velocidad del aire |
1.4 m/s |
|
Ãrea frontal |
8.223 m2 |
Fuent=
e:
Elaboración propia
Se utiliza los datos anteriores en la ecuación unidimensional de la
fuerza de arrastre, dando como resultado los valores registrados en la tabl=
a 4.
Tabla=
4. Fuer=
za
de arrastre
|
Velocidad
camión (km/h) |
Velocidad
camión (m/s) |
Fuerza
arrastre (kN) sin caren=
ado |
Fuerza
arrastre (kN) con caren=
ado |
|
0 |
0.000 |
0.007 |
0.006 |
|
10 |
2.778 |
0.064 |
0.052 |
|
20 |
5.556 |
0.176 |
0.145 |
|
30 |
8.333 |
0.345 |
0.283 |
|
40 |
11.111 |
0.570 |
0.468 |
|
50 |
13.889 |
0.851 |
0.698 |
|
60 |
16.667 |
1.188 |
0.975 |
|
70 |
19.444 |
1.582 |
1.298 |
|
80 |
22.222 |
2.031 |
1.667 |
|
90 |
25.000 |
2.537 |
2.082 |
|
100 |
27.778 |
3.099 |
2.543 |
|
110 |
30.556 |
3.717 |
3.050 |
|
120 |
33.333 |
4.391 |
3.603 |
Fuent=
e:
Elaboración propia
El valor de la fuerza de arrastre es mÃnimo (0.007 kN) cuando el
vehÃculo está detenido, esto ocurre por la acción que tiene la velocidad=
del
viento (1.4 m/s) sobre el vehÃculo, la variación de la curva se observa e=
n la
figura 5, se utiliza las unidades de [km/h] para la gráfica sin que esto a=
fecte
los datos obtenidos.
Figur=
a 5. Fuer=
za
de arrastre
Fuent=
e:
Elaboración propia
El lÃmite máximo para la velocidad del transporte de carga en vÃa=
urbana
es de 40 [km/h], la diferencia en la fuerza de arrastre 0.102 [kN], en rela=
ción
a una recta en carretera que el lÃmite es de 70 [km/h] adquiriendo una
diferencia de 0.284 [kN], las normas SAE J1321 y DIN 70 030-2 que determinan
consumo de combustible en camiones establecen una velocidad de prueba de 90=
[km/h],
la diferencia de fuerza de arrastre es de 0.455 [kN].
A mediados del mes de enero del 2020 el INAMHI emite un boletÃn
meteorológico de advertencia, debido a ráfagas de viento que superan los =
13.889
[m/s] que representa un nivel de amenaza medio Â
Se utiliza el valor de 13.889 [m/s] en la velocidad del aire, obteni=
endo
otros valores de la fuerza de arrastre, como se indica en la tabla 5.
Tabla=
5. Fuer=
za
de arrastre
|
Velocidad
camión (km/h) |
Velocidad
camión (m/s) |
Fuerza
arrastre (kN) sin caren=
ado |
Fuerza
arrastre (kN) con caren=
ado |
|
0 |
0.000 |
0.702 |
0.576 |
|
10 |
2.778 |
1.011 |
0.830 |
|
20 |
5.556 |
1.376 |
1.129 |
|
30 |
8.333 |
1.797 |
1.475 |
|
40 |
11.111 |
2.275 |
1.866 |
|
50 |
13.889 |
2.808 |
2.304 |
|
60 |
16.667 |
3.398 |
2.788 |
|
70 |
19.444 |
4.044 |
3.318 |
|
80 |
22.222 |
4.746 |
3.894 |
|
90 |
25.000 |
5.504 |
4.516 |
|
100 |
27.778 |
6.319 |
5.184 |
|
110 |
30.556 |
7.189 |
5.899 |
|
120 |
33.333 |
8.116 |
6.659 |
Fuent=
e:
Elaboración propia
Se ha generado un aumento considerable del valor de la fuerza de 0.0=
07 [kN]
a 0.702 [kN] cuando el vehÃculo se encuentre detenido, solo por la acción=
del
viento. El carenado superior comienza a trabajar desde este caso, con una
diferencia de 0.126 [kN], a una velocidad del vehÃculo de 40 [km/h] en vÃa
urbana la diferencia es 0.409 [kN], en una recta en carretera se tiene una
velocidad de 70 [km/h] con una diferencia de 0.726 [kN] y a una velocidad de
prueba 90 [km/h] se tiene una diferencia de 0.988 [kN], esto se indica en la
figura 6.
Figur=
a 6. Fuer=
za
de arrastre
Fuent=
e:
Elaboración propia
Se utiliza el módulo de CFX de ANSYS, pa=
ra
ello se requiere de una geometrÃa simplificada a escala real, se realiza el
dominio (túnel de viento) por donde circula el flujo de aire, para lo cual=
se
considera un tamaño adecuado por las horas de simulación y restricciones
innecesarias generadas por el propio dominio hacia el objeto de análisis. =
El
mallado realizado consta de 303419 nodos y 1635059 elementos, el dominio y =
el mallado
se indican en la figura 7.
Figur=
a 7. Domi=
nio
y mallado
Fuent=
e:
Elaboración propia
Las condiciones de frontera utilizadas en=
la
simulación corresponden a un ingreso de aire a 25 [°C], con una presión
atmosférica de 1 atm y una velocidad de 120 [km/h], el dominio y la superf=
icie
del vehÃculo tienen una condición de pared deslizante libre.
El flujo de aire choca contra el vehÃculo deteniéndose en la parte
frontal y superior de la cabina, zona inferior del vehÃculo y la parte
posterior de la zona de carga, la variación de la velocidad es de 0.04 [m/=
s] a
80.80 [m/s] como se indica en la figura 8, en ambos casos la velocidad máx=
ima
ocurre en las aristas vivas que posee el vehÃculo, de manera global la
velocidad del aire se debe mantener a lo largo del vehÃculo, como se obser=
va en
la parte superior de la cabina, esta restricción se corrige con el carenado
superior.
a) Sin carenado superior                        =
      b) Con carenado
superior
Figur=
a 8.
Velocidad del aire (plano 2D) en CFD
Fuent=
e:
Elaboración propia
El flujo de las lÃneas de corriente del aire choca contra el vehÃc=
ulo y
se desplazan a lo largo del vehÃculo con se observa en la figura 9.
a) Sin carenado superior                        =
      b) Con carenado
superior
Figur=
a 9.
Velocidad del aire 3D en CFD
Fuent=
e:
Elaboración propia
El área frontal del vehÃculo recibe el primer contacto con el fluj=
o de
aire, de manera que se genera una presión máxima de 102292 [Pa]
como se indica en la figura 10a, esto es debido a que el aire choca y dismi=
nuye
su velocidad, acumulándose en estas zonas generando la presión, con la ut=
ilización
del carenado superior se reduce esta presión en la zona de carga como se i=
ndica
en la figura 10b.
a) Sin carenado superior                        =
      b) Con carenado
superior
Figur=
a 10.
Presión del aire en CFD
Fuent=
e:
Elaboración propia
El software CFX estima la fuerza de arrastre con un valor de 4.807 [=
kN]
sin el carenado superior y un valor de 4.387 [kN] con el carenado superior,=
la
diferencia es 0.42 [kN] que representa el 8.734 [%] de reducción. En un
El ahorro de consumo de combustible diésel bajo la norma DIN 70 030=
-2 en
el corredor vial estatal Santo Domingo – La Concordia es de 4.63 [%]. Est=
udios
en Chile bajo la norma SAE J1321 demuestran un ahorro del 3.96 [%] en el
consumo de combustible al comparar el diseño de la cabina del camión y ot=
ro
estudio un valor de 15.4 [%] utilizando varios dispositivos aerodinámicos.=
Conclusiones.
· =
Mediante un software de dinámica de fluidos computaciona=
l se
estima un valor de 8.734 [%] de reducción en la fuerza de arrastre al util=
izar
un carenado superior de cabina, derivando en un ahorro en el consumo de
combustible de 4.63 [%] en carretera. Para esto se toma en cuenta las
condiciones meteorológicas de la zona, caracterÃsticas del camión conjun=
tamente
con su estructura de carga y carenado superior de cabina.
· =
La fuerza restrictiva generada por el aire se incrementa =
con
la velocidad que adquiere el vehÃculo, esta fuerza actúa incluso si el ve=
hÃculo
se encuentra detenido, debido a la acción de la velocidad del viento que c=
hoca contra
el vehÃculo, en menor o mayor cantidad dependiendo de la ubicación geogrÃ=
¡fica
dónde se encuentre. La importancia radica en el gran número de unidades de
transporte de carga que circulan por las carreteras de las diferentes regio=
nes
litoral, sierra y amazonia.
· =
La gran variedad de dispositivos aerodinámicos (carenado
superior y lateral de cabina, cubre tanque, tapa cubos; carenado frontal,
lateral y posterior de remolque; generador de vórtices, etc.) requieren un
estudio previo para su implementación en el vehÃculo, ya que estos acceso=
rios
son fabricados bajo especificaciones de un determinado vehÃculo. La adiciÃ=
³n de
varios de estos implementos podrÃa generar mejores resultados.
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PARA CITAR EL ARTÃCULO INDEXADO.
Pachacama
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amp; Llulluna Llumiquinga, F. =
R.
(2021). Influencia de un carenado superior en la fuerza de arrastre de un <=
span
class=3DGramE>camión . Ciencia Digital, 5(2), 109-126. https://doi.org/=
10.33262/cienciadigital.v5i2.1610
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sta Ciencia
Digital.
El
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rcial
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[1] Universidad de las=
Fuerzas
Armadas ESPE, Departamento de Ciencias Exactas, Quito, Ecuador,
dppachacama1@espe.edu.ec, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4979-7332
[2] Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Departam=
ento
de Ciencias Exactas, Quito, Ecuador, dapachacama@espe.edu.ec, ORCID:
https://orcid.org/0000-0003-1408-8261
[3] Escuela Politécnica
 Nacional, Departamento de =
  Formación Básica, Quito, Ecuador, claudio.cordova@epn.ed=
u.ec, Â ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6972=
-183X
[4] Universidad Region=
al
Amazónica Ikiam, Facultas de Ciencias
Socioambientales, Tena, Ecuador, fredy.llulluna@ikiam.edu.ec, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5981-2394Â
www.cienciadigital.org
                             =
                                    Â
    Vol. 5, N°2, p. 109=
-126, Abril - Junio, 20