Desarrollo y optimización aerodinámica de un vehículo solar empleando métodos de superficie de respuesta

Guerrero González, Francisco Javier (2019). Desarrollo y optimización aerodinámica de un vehículo solar empleando métodos de superficie de respuesta. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Desarrollo y optimización aerodinámica de un vehículo solar empleando métodos de superficie de respuesta
Author/s:
  • Guerrero González, Francisco Javier
Contributor/s:
  • García García, Javier
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Date: February 2019
Subjects:
Freetext Keywords: Optimización aerodinámica, Métodos de Superficie de Respuesta, CFD, OpenFOAM, parametrización, método PARSEC, Diseño de Experimentos, Hipercubo Latino
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Energética
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

En las últimas décadas, el aumento de la demanda energética, la cual es mayoritariamente cubierta por combustibles fósiles, especialmente en el sector del transporte, y producida esta debido al incremento de la población mundial y a la creciente industrialización de los países emergentes, ha traído consigo la aparición de nuevas políticas medioambientales que regulan de forma más estricta la emisión de contaminantes. Estas medidas están cuestionando la viabilidad y sostenibilidad de los vehículos propulsados por motores de combustión. Los automóviles eléctricos surgen con la intención de solucionar este creciente problema medioambiental. A pesar de que localmente se elimina el consumo de combustibles fósiles y, por tanto, las emisiones de agentes contaminantes; a nivel global, la energía empleada para cargar estos vehículos sigue siendo producida mayoritariamente por fuentes no renovables. Conjuntamente, las baterías utilizadas para almacenar la energía necesaria no ofrecen, en la actualidad, un rango de autonomía suficiente que pueda equipararse a la de los vehículos propulsados por combustibles fósiles. Los vehículos propulsados por energía solar son capaces de mitigar algunos de los problemas a los que se están enfrentado actualmente los automóviles eléctricos. La energía empleada para su funcionamiento, proveniente de una fuente renovable, permite la recarga de su sistema de almacenamiento durante la circulación del vehículo, incrementando su autonomía y reduciendo el impacto medioambiental producido. Iniciativas como el World Solar Challenge tratan de fomentar la investigación, el desarrollo y la inclusión de esta tecnología en prototipos funcionales. El WSC es una competición internacional diseñada para automóviles propulsados únicamente por energía solar con el objetivo demostrar la capacidad y eficiencia de estos vehículos para recorrer grandes distancias. La carrera se desarrolla a través carreteras públicas australianas, en un trayecto de Norte a Sur del país, a lo largo de más de 3000km. A velocidades normales de circulación en carretera, las pérdidas aerodinámicas de estos prototipos suponen en torno al 70% de las pérdidas totales de potencia mecánica, lo cual motiva el desarrollo y la optimización de carrocerías aerodinámicas con el objetivo de mejorar su eficiencia y, por consiguiente, su rango de autonomía. Para ello, las técnicas de optimización computacional aerodinámica, basadas en simulaciones CFD, juegan un papel fundamental. En este Trabajo de Fin de Grado se desarrolla y optimiza, de forma aerodinámica, la cubierta exterior de un vehículo solar, participante en el WSC, empleando simulaciones computacionales de fluidos y Métodos de Superficie de Respuesta con el objetivo de minimizar sus pérdidas mecánicas de potencia y aumentar su eficiencia global. En este texto se realiza un estudio de las geometrías presentes en la actualidad en el ámbito de las competiciones solares internacionales, evaluando las ventajas e inconvenientes de aquellas más prometedoras, tanto del catamarán como de la flecha, y seleccionando la geometría base para la realización de la optimización. Se investiga el empleo de modelos subrogados para la optimización mono-objetivo del prototipo. El objetivo seleccionado para la realización de la optimización es la minimización de la resistencia aerodinámica. La técnica propuesta se aplica a la geometría base tipo catamarán, compuesta por tres perfiles aerodinámicos extruidos e intersecados entre sí. Para ello, se realiza una parametrización del modelo empleando el método PARSEC con 12 variables de diseño. Se analizan las diferentes técnicas de Diseño de Experimentos disponibles, seleccionando el Hipercubo Latino como método para la definición de los 150 puntos de diseño necesarios para la creación del modelo subrogado. Los puntos de diseño serán utilizados para la realización de simulaciones CFD-RANS estacionarias en OpenFOAM. Se discutirán las diferencias entre los modelos de turbulencia k-! SST y Spalart-Allmaras, realizando un estudio y validación de los mismos con ensayos en túnel de viento. Se elegirá k-! SST como modelo de turbulencia óptimo para este proyecto. Con el objetivo de reducir el coste computacional y temporal de todas las simulaciones necesarias, se realiza un proceso de automatización tanto del mallado en ANSA como de los cálculos computacionales. El modelo de superficie de respuesta es estimado a partir de las respuestas calculadas por las simulaciones CFD. Este tiene forma polinómica de segundo orden. La mínima resistencia aerodinámica es hallada en el modelo de forma analítica. Se discute la bonanza y adecuación del modelo a las simulaciones computacionales realizadas. Tras la optimización, se obtiene una mejora de la resistencia aerodinámica de aproximadamente el 50% en comparación con el modelo de referencia empleado en este texto.

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Item ID: 54149
DC Identifier: http://oa.upm.es/54149/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:54149
Deposited by: Biblioteca ETSI Industriales
Deposited on: 04 Mar 2019 07:30
Last Modified: 01 May 2019 22:30
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