CFD no Automobilismo
No século XIX, as equações de Navier-Stokes abriram as portas para a descrição matemática dos complexos padrões de escoamento de fluidos. Contudo, somente com o advento da tecnologia de computadores na segunda metade do século XX, foi possível desvendar esse vasto sistema de equações.
A fluidodinâmica computacional (CFD) emergiu como um ramo vital dos processos assistidos por computador e métodos de elementos finitos. Focando nas interações entre o fluido e seu ambiente, CFD se tornou uma ferramenta essencial para analisar e otimizar o comportamento fluidodinâmico em diversas aplicações.
Ao migrar da indústria aeroespacial para a indústria automobilística, a fluidodinâmica computacional encontrou um terreno fértil para sua aplicação. Na década de 90, simulações bidimensionais de fluxo já eram utilizadas por equipes da Fórmula 1, visando aprimorar os perfis dos elementos da asa traseira. Com o avanço dos recursos computacionais, CFD ganhou espaço na F1, hoje contando com mais de 100 engenheiros dedicados, trabalhando em colaboração com designers e aerodinamicista para aprimorar o desempenho dos carros de corrida.
O impacto da CFD não se limita à Fórmula 1. A sua presença é notável em todo o cenário automobilístico, sendo uma ferramenta indispensável no desenvolvimento de carros de corrida. Em competições como a NASCAR e a Stock Car, onde a aerodinâmica desempenha um papel crucial no desempenho e no tempo de volta, a CFD tornou-se uma aliada essencial na busca por eficiência e velocidade.
Processo de Simulação no Automobilismo
No design de carros de corrida, as análises CFD buscam reproduzir com precisão situações reais que se desdobram no dinâmico mundo das corridas automobilísticas. Desde aceleração em linha reta até curvas em alta e baixa velocidade, ultrapassagens e perseguições, cada aspecto é meticulosamente analisado através do poder da fluidodinâmica computacional.
O processo de simulação de CFD para um carro de corrida é dividido em três fases: Pré-processamento, Solução e Pós-processamento. Na etapa de pré-processamento, o CAD do veículo é preparado para as simulações, incluindo a geração da malha, além da configuração das características do fluxo e propriedades do fluido. A fase de solução é iniciada, durante a qual a simulação é executada de acordo com a modelagem definida previamente, incluindo modelos de turbulência. O pós-processamento envolve a análise e preparação dos dados gerados após a simulação, sendo o Tecplot360EX uma ferramenta essencial para a visualização desses dados.
Diferentemente dos testes físicos, a vantagem do processo CFD reside na eliminação da necessidade de produzir protótipos complexos ou recorrer a modelos de túneis de vento. Isso não apenas representa uma economia significativa de custos, mas também agiliza o tempo de desenvolvimento.
Além disso, a simulação oferece uma perspectiva única de resultados. Enquanto os testes de túnel de vento proporcionam apenas as quantidades registradas durante o teste, como as forças do veículo, a CFD proporciona uma visão completa do campo de fluxo. Isso capacita os engenheiros a compreenderem o que ocorre dentro do campo de fluxo ao redor do carro e por que esses fenômenos ocorrem. Essa capacidade é crucial para a aerodinâmica complexa dos carros modernos, que exploram extensivamente as estruturas de vórtice e a topologia do fluxo para gerar downforce de maneira eficiente.
ATS na Stock Car
No cenário das competições da Stock Car no Brasil, onde a categoria nacional cresce a cada ano, a análise de desempenho impulsionada pela colaboração da ATS destaca-se. A equipe CIMED buscou a expertise da ATS para um estudo aerodinâmico de seu carro na temporada 2018, utilizando renomados softwares no mercado, consolidando a ATS como uma pioneira nas aplicações desse tipo no Brasil.
CFD++:
O CFD++ foi essencial na simulação do fluxo de ar ao redor do carro, destacando-se pela capacidade de lidar com geometrias complexas. Sua escolha pela ATS residiu na integração eficiente com outros softwares.
Tecplot360EX:
A visualização dos resultados da simulação ocorreu por meio do Tecplot360EX. Esse software permitiu à ATS analisar de maneira eficaz as informações geradas pelo CFD++, fornecendo insights valiosos sobre o comportamento do fluxo de ar e a aerodinâmica do carro.
Ennova Mesh Generation:
O Ennova Mesh Generation foi fundamental no desenvolvimento da malha computacional sobre o modelo tridimensional do carro. Essa ferramenta possibilitou a criação de uma malha de 62 milhões de elementos, abrangendo detalhes precisos da geometria do carro. A integração eficaz entre o CFD++ e o Ennova permitiu à ATS realizar a tarefa em tempo recorde, mesmo com geometrias complexas.
A partir do modelo CFD++, a dinâmica dos fluidos relacionada ao carro foi reconstruída com base em condições de contorno específicas. Na interface do software, o design do carro foi ajustado para replicar as mesmas condições de prova, permitindo um estudo quantitativo sobre o design e seu impacto na aerodinâmica. Com as condições definidas, tornou-se possível descrever os diferentes perfis de pressão que atuam sobre o carro de maneira precisa, identificando possíveis falhas aerodinâmicas e sugerindo melhorias.
Considerando a velocidade do fluido ao redor do carro como essencial para o estudo de aerodinâmica, traçaram-se linhas de fluxo na carroceria para obter um perfil de velocidades. As três primeiras delineiam as linhas de fluxo de ar, enquanto a última oferece uma descrição quantitativa dos diferentes perfis de velocidade do fluido ao redor do carro. A análise estendeu-se à identificação dos perfis de pressão no spoiler.
A partir desses perfis, conduziu-se uma análise de desempenho em termos de ganho de tempo em um cenário de corrida real. Considerando as mudanças sugeridas pelo estudo para benefício da equipe, em zonas de freio e curva, o ganho positivo de tempo foi de 0,05s, enquanto nas partes de linha reta do circuito, o ganho foi de 0,08s.
Seguindo as sugestões da ATS de acordo com o estudo apresentado, a Stock Car desfrutou dos benefícios trazidos em pista. Os pilotos obtiveram resultados expressivos de tempo, e alguns conseguiram classificações melhores justamente devido às mudanças sugeridas pela ATS através do estudo da CFD.
Veja o vídeo sobre o nosso trabalho de CFD na Stock Car.
