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

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.