Análisis aerodinámico de un vehículo liviano con el uso de accesorios portaequipajes en el techo mediante dinámica de fluidos computacionales

Abstract

La presente investigación tuvo como objetivo evaluar cómo influye aerodinámicamente la incorporación de un rack de techo y una carga transportada sobre la carrocería de un vehículo Chevrolet Vitara clásico, apoyados mediante herramientas de ingeniería asistida por computadora para este caso dinámica de fluidos computacional (CFD) y software CAD. Como punto de partida, se realizó el escaneo 3D de la carrocería utilizando el escáner 3D Einstar de Shining, obteniéndose una nube de puntos precisa de la geometría del vehículo. Posteriormente, en base al escaneo se desarrolló el modelado CAD de la carrocería, del rack de techo y de la carga a transportar mediante elementos de superficie y elementos sólidos, permitiendo la generación de los modelos necesarios para el análisis numérico. Adicionalmente, se diseñó el túnel de viento virtual y se extrajo el volumen de control requerido para la simulación aerodinámica. Las simulaciones CFD fueron ejecutadas en ANSYS Student, verificando previamente la calidad de la malla superficial y volumétrica mediante los criterios de Skewness y Orthogonal Quality, con el fin de garantizar la confiabilidad de los resultados. Para todos los casos de estudio se establecieron como principales condiciones de borde una velocidad de entrada de aire de 25 m/s y una densidad del aire de 0,948 kg/m³, valor determinado considerando las condiciones atmosféricas de la ciudad de Ibarra. Se analizaron tres configuraciones: la carrocería original, la carrocería equipada con rack de techo y la carrocería equipada con rack de techo y carga. En cada caso se determinaron la fuerza de arrastre, fuerza de sustentación, coeficiente de arrastre y coeficiente de sustentación. Los resultados evidenciaron un incremento progresivo de estos parámetros aerodinámicos al incorporar los elementos externos sobre el techo del vehículo, generando una mayor resistencia al avance. De igual manera, el cálculo de la potencia requerida para vencer la fuerza de arrastre mostró un aumento conforme se añadieron el rack y la carga. Complementariamente, se evaluó la distribución del flujo de aire alrededor de las diferentes configuraciones, identificando alteraciones en los patrones de flujo y regiones de mayor perturbación aerodinámica asociadas a la presencia de los accesorios externos. Se concluye que la instalación de un rack de techo y la incorporación de carga generan un impacto negativo sobre el desempeño aerodinámico del vehículo, incrementando las fuerzas aerodinámicas y la potencia requerida para su desplazamiento, aspectos que pueden repercutir en el consumo energético y la eficiencia operacional del automóvil.