Túneis de Vento com Tapete Rolante: Por que os Dados Aerodinâmicos Automóveis Precisam de um Solo Móvel

Na estrada, o carro move-se e o solo permanece imóvel. Num túnel de vento, o ar move-se e tanto o carro como o solo permanecem imóveis — e essa única inversão é responsável pela maior parte da diferença entre os números do túnel e a realidade.

Um túnel de vento com tapete rolante existe para eliminar essa diferença. Tudo o resto na aerodinâmica automóvel — escoamento na parte inferior da carroçaria, esteiras das rodas, arrasto de arrefecimento, recuperação de pressão na traseira — depende de ter a simulação do solo correta.

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1. O que um piso estacionário faz aos seus dados

Com um piso fixo, uma camada limite cresce ao longo do piso do túnel e chega ao carro. Em vez de ar limpo e à velocidade máxima sob o veículo, a parte inferior da carroçaria depara-se com um escoamento mais lento e espesso. Três consequências surgem imediatamente:

• O escoamento na parte inferior da carroçaria está errado. A sensibilidade à altura ao solo, o desempenho do difusor e os vórtices nas extremidades do piso dependem do perfil de velocidade que já não está presente.
• As rodas estão erradas. Rodas estacionárias geram uma esteira diferente das rodas em rotação. A aerodinâmica das rodas e das cavas das rodas pode representar uma parte significativa do arrasto total, e nada disso é representado corretamente.
• A esteira está errada. Os erros da parte inferior da carroçaria e das rodas propagam-se a jusante e alteram a pressão de base — o termo que domina o arrasto na maioria dos carros de estrada.

O resultado é uma medição repetível da configuração errada. Repetibilidade sem fidelidade é exatamente a forma como os programas acabam por otimizar um carro que apenas existe no túnel.

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2. A escada da simulação do solo

A simulação do solo não é uma funcionalidade única, mas sim uma série de etapas, e as instalações modernas são construídas para que possam ser ativadas uma de cada vez — que é também a forma de quantificar o valor de cada uma. Nos túneis IVK (Instituto de Motores de Combustão Interna e Engenharia Automóvel, Universidade de Estugarda), por exemplo, a sequência está documentada como: sem simulação de solo, depois sucção da camada limite, depois o tapete central, e depois a rotação das rodas com mini-tapetes.

Sucção da camada limite (BLS). Uma tomada de ar e sucção distribuída a montante removem a camada limite do piso antes que esta chegue ao carro. O sopro tangencial pode ser adicionado para reenergizar o escoamento junto à parede. Só isto recupera uma grande parte do erro, e é a etapa mais barata.

Tapete central. Um tapete móvel sob a linha central do veículo proporciona o movimento relativo correto onde ocorre o escoamento da parte inferior da carroçaria.

Rotação das rodas com mini-tapetes. Quatro pequenos tapetes, um debaixo de cada roda, fazem rodar as rodas enquanto o carro permanece suportado. Em conjunto com o tapete central, isto forma o sistema de 5 tapetes , a configuração que a maioria dos túneis de carros de produção à escala real utiliza atualmente.

Tapete único largo. Um tapete sob todo o veículo, com o carro fixo por suportes a partir de cima ou por restrições nos cubos das rodas. É a simulação mais fiel e a mais exigente: alta velocidade e potência do tapete, arrefecimento, rolamentos de ar, controlo preciso de tensão e um sistema de balança que funciona em torno do tapete. O desporto motorizado e as instalações dedicadas ao desenvolvimento aerodinâmico privilegiam-no.

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3. Bloqueio: a outra metade do problema

Um carro numa secção de ensaio desloca uma fração significativa da área de escoamento. Numa secção fechada , isso restringe as linhas de corrente e aumenta a velocidade local, exagerando as forças. Numa secção de jato aberto , o jato pode expandir-se, mas forma-se uma camada de cisalhamento na fronteira do jato e as suas instabilidades podem gerar ressonância que altera a distribuição de pressão na secção de ensaio.

Nenhum dos comportamentos é um defeito a ser eliminado — ambos são fenómenos físicos a serem corrigidos. A prática automóvel convergiu para métodos de correção desenvolvidos por Mercker, Wiedemann, Cooper e colaboradores, que têm em conta a interferência do bocal, a expansão e deflexão do jato, a interferência do coletor e o gradiente de pressão estática ao longo da secção de ensaio, e que demonstraram aproximar os coeficientes de arrasto medidos dos valores em estrada.

A implicação prática é desconfortável e importante: um coeficiente de arrasto não é uma propriedade exclusiva de um carro. É uma propriedade do carro, do túnel, do estado da simulação do solo e do método de correção. Comparar um Cd de uma instalação com um Cd de outra sem conhecer os quatro é um erro comum e dispendioso.

Ao citar um valor, indique a configuração. Ao receber um, pergunte por ela.

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4. O que mais o solo móvel desbloqueia

Uma vez que a simulação do solo existe, várias outras medições tornam-se significativas na mesma instalação:

• Arrasto de arrefecimento e gestão térmica. O caudal de ar através da admissão frontal, do conjunto do permutador de calor e do compartimento do motor ou da bateria comporta-se de forma realista apenas com o escoamento correto na parte inferior da carroçaria — uma questão cada vez mais dominante nos veículos elétricos.
• Sustentação e distribuição de equilíbrio. A sustentação dianteira e traseira, e a sua variação com a altura ao solo, são os números que determinam a estabilidade a alta velocidade.
• Aeroacústica. A avaliação do ruído do vento exige que o campo de escoamento esteja correto e que o nível de ruído de fundo do próprio túnel seja baixo.
• Sujidade e gestão de água. A direção da pulverização de água depende da rotação das rodas.

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5. Implicações nas instalações

Se está a especificar ou a atualizar uma instalação deste tipo, o sistema de simulação do solo dita uma quantidade surpreendente do design:

• Velocidade, potência e arrefecimento do tapete. Tapetes a funcionar à velocidade de estrada durante horas geram calor e exigem um controlo preciso da tensão e do alinhamento.
• Integração da balança. O sistema de medição de força tem de funcionar em torno dos tapetes, das restrições das rodas e dos plenos de sucção sem contaminar o caminho de carga.
• Sistema de sucção. A remoção da camada limite é um verdadeiro sistema de tratamento de ar, não apenas uma ranhura.
• Geometria da secção e estratégia de correção. Secção de jato aberto ou fechada é uma decisão que determina com qual método de correção irá lidar e quão comparáveis serão os seus dados com os de outros.
• Escala. Túneis de escala reduzida (comummente entre 1:2 e 1:4) proporcionam muito mais horas de ensaio por unidade de energia e são amplamente utilizados para desenvolvimento, com a escala real reservada para validação.

Os compromissos gerais da arquitetura do circuito aplicam-se aqui como em qualquer outro lugar — veja

túneis de circuito fechado vs circuito aberto

e a nossa

comparação de tipos de túneis de vento

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6. Cinco erros

• Comparar números não corrigidos. Dois túneis, dois métodos de correção, uma comparação sem sentido.
• Reportar o Cd sem o estado da simulação do solo. "Apenas com BLS" e "5 tapetes, rodas em rotação" são carros diferentes, aerodinamicamente.
• Ignorar o gradiente de pressão. Um gradiente de pressão estática ao longo da secção de ensaio produz uma força de flutuabilidade horizontal que se reflete diretamente no arrasto.
• Testar na altura ao solo errada. As cargas aerodinâmicas alteram a altura ao solo, o que altera as cargas aerodinâmicas. A geometria estática não é a geometria em movimento.
• Tratar falhas de correlação de CFD como erros de CFD. Frequentemente, a simulação está correta e a configuração do túnel não era a que a simulação assumiu.

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7. Integração na construção

A simulação do solo não é um acessório; é a parte de um túnel automóvel que decide se os dados descrevem um veículo de estrada. Decida cedo de que nível necessita — apenas sucção, 5 tapetes ou tapete único — porque cada um implica um design diferente de estrutura, potência, arrefecimento e balança.

Concebemos, fabricamos e comissionamos túneis personalizados em torno do programa de medição, com simulação do solo, balança e instrumentação integradas desde o conceito aerodinâmico, em vez de serem adicionadas posteriormente.

Diga-nos os veículos e as velocidades que precisa de testar , e devolveremos um conceito: tipo de secção, nível de simulação do solo, potência de acionamento e área de implantação.

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Fontes e notas

• Simulação de estrada de 5 tapetes com sucção da camada limite, sopro tangencial e quatro unidades de rotação de rodas, e a sequência de ativação passo a passo (sem simulação de solo → sucção da camada limite → tapete central → rotação das rodas): "The New 5-Belt Road Simulation System of the IVK Wind Tunnels", SAE 2003-01-0429.
• Prática de correção de jato aberto, incluindo interferência do bocal, expansão e deflexão do jato, interferência do coletor e efeitos do gradiente de pressão estática: "The necessity for boundary corrections in a standard practice for the open-jet wind tunnel testing of automobiles".
• Instabilidades da camada de cisalhamento e ressonância em secções de ensaio automóvel de jato aberto: Hu et al., "The low frequency pressure pulsation and control of the open-jet wind tunnel", Scientific Reports 12, 19090 (2022).
• Efeitos da simulação do solo e da taxa de bloqueio na aerodinâmica prevista do veículo: MDPI Vehicles, 2(2), 18.
• As gamas de escala reduzida de aproximadamente 1:2 a 1:4 refletem a prática comum da indústria e variam consoante a instalação.
• A orientação para o design das instalações é a prática de engenharia da TunnelTech.