Rediseño aerodinámico basado en simulaciones computacionales para mejorar la perfomance de un automóvil Toyota Corolla EE80 de competición

Abstract

En esta investigación la técnica de simulaciones computacionales de fluidos (CFD) es utilizada en el rediseño aerodinámico de un automóvil Toyota Corolla EE80 de competición con miras al mejoramiento de su performance en circuitos de carrera, ésta definida en base al aumento de la fuerza de fricción en los neumáticos y a un límite del consumo de potencia que permita alcanzar una velocidad máxima de 150 km/h. Para este objetivo se proponen cinco modelos rediseñados de la carrocería y los resultados de las simulaciones de cada uno se comparan con los del modelo base y entre sí para determinar el más adecuado. Los resultados del estudio revelaron que en todos los rediseños no solo se disminuye la sustentación, sino que también se genera carga negativa genuina, indicando un incremento de la fuerza de fricción aplicada en los neumáticos. Con respecto a esto, el mejor resultado es obtenido en el modelo en el cuál se incluye un splitter utilizando un borde redondeado, siendo -432,36 N el valor de carga conseguido, brindando un aumento total de 838,092 N en comparación al modelo original. En conjunción, el aumento en la fuerza de fricción disponible en las ruedas es de 922 N en comparación al modelo estándar. Con respecto a la resistencia, los valores obtenidos en todos los casos modificados se encontraron dentro del rango de uso de potencia que se podría utilizar para obtener una velocidad máxima de 150 km/h. En este sentido, el modelo que más resistencia produjo fue el modelo con las extensiones del fondo en las cavidades de las ruedas delanteras con 633,81 N y el que menor valor introdujo fue la primera modificación con 611,942 N. Traduciendo a la potencia consumida, el modelo utilizando las extensiones en las cavidades incrementó en 1,647 kW el consumo de potencia y el modelo de la primera modificación sólo en 0,709 kW. Debido a las grandes ganancias en fuerza de fricción en las ruedas y el mínimo incremento de consumo de potencia, se escoge al modelo con el splitter redondeado, el modelo 5, como el más apto para el vehículo.

In this investigation CFD simulations are utilized for the aerodynamic redesign of a Toyota Corolla EE80 intended for racing activities in asphalt. The objective is to improve the performance of the car through an increase of the tyre friction force without causing a power consumption that would limit a maximum speed of 150 km/h. In order to reach this objective, five redesigned models of the body are presented and the results from the simulations in each model are compared with the ones from the base model and between them to choose the most appropriate. The results of the study indicate that in all the redesigned models not only the original lift is diminished but also that the configurations create downforce, which is directly translated to an increase in the friction force in the tyres. The car configuration with the biggest production of downforce was the one featuring a rounded edge splitter with -432,36 N, indicating an overall increase of 838,092 N in comparison to the original model. Due to this result, the tyre friction force showed also an increase in 922 N. With respect to the generated drag, the values obtained from all the modified models were within the range of power that the engine could use and not hinder a 150 km/h maximum velocity. In this sense, the model that produced the highest drag force was the model using small splitters in the cavities of the front wheels with 633,81 N. In comparison, the model that generated less drag where the first modification with 611,942 N. Specifying the power consumption, the model using small splitters introduce an increase of 1,647 kW and the first modification model only 0,709 kW, each one with respect to the standard model. Due to the big increase in the tyre friction force and the small introduction of power consumption, the fifth model, the one featuring a rounded edge splitter, was chosen to be the most suitable for this vehicle.