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COMPORTAMIENTO AERODINÁMICO EN LA REDUCCIÓN DEL
ARRASTRE MEDIANTE LA VARIACIÓN DE ACCESORIOS EN UN
TRACTOCAMIÓN
AERODYNAMIC BEHAVIOR IN REDUCING DRAG BY VARYING
ACCESSORIES ON A TRACTOR-TRAILER
Antonio Castillo
Máster en Ingeniería de Vehículos, Grupo de Investigación del Mantenimiento Giman, Facultad de Mecánica, Escuela
Superior Politécnica del Chimborazo, (Ecuador).
E-mail: antoniog.castillo@espoch.edu.ec ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0045-7495
Alex Tenicota
Magister en Gestión del Mantenimiento, Grupo de Investigación del Mantenimiento Giman, Facultad de Mecánica,
Escuela Superior Politécnica del Chimborazo, (Ecuador).
E-mail: alex.tenicota@espoch.edu.ec ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0707-7698
Stalin Nuela
Magister en Gestión del Mantenimiento, Grupo de Investigación del Mantenimiento Giman, Facultad de Mecánica,
Escuela Superior Politécnica del Chimborazo, (Ecuador).
E-mail: stalin.nuela@espoch.edu.ec ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3543-9390
Recepción:
20/07/2020
Aceptación:
08/10/2020
Publicación:
14/12/2020
Citación sugerida:
Castillo, A., Tenicota, A., y Nuela, S. (2020). Comportamiento aerodinámico en la reducción del arrastre mediante
la variación de accesorios en un tractocamión. 3C Tecnología. Glosas de innovación aplicadas a la pyme, 9(4), 17-43. https://
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RESUMEN
El transporte público y carga pesada como productos del sector automotriz son las principales fuentes
de emisión de dióxido de carbono (CO2), y aproximadamente un tercio son causadas por vehículos
comerciales, especialmente de la clase de tractocamión - remolque de extensos recorridos en carretera.
Aunque las estrategias para reducir el consumo de combustible cada vez son más restringidas, la
resistencia aerodinámica es una alternativa sustentable des ahorro de combustible en la última década.
El objetivo de la investigación persigue identicar el comportamiento aerodinámico en la reducción
del arrastre hasta el límite mediante la variación de accesorios en un tractocamión y remolque para
identicar las posibles ganancias aerodinámicas. Un tractocamión - remolque estándar con dimensiones
conocidas fue modelado en CAD, del mismo modo los accesorios instalados en el remolque, deector de
techo, estabilizador de vórtice, secciones laterales, y extensión del marco. Con la simulación mediante
Computational Fluid Dynamics FLUENT, se investigó la inuencia del ujo alrededor del camión, y sus
comportamientos inestables. La velocidad referencia de 90 km / h misma que contribuye al arrastre,
fue analizada en diferentes regiones para la obtención de una mayor resistencia al viento frontal. Para
la simulación fueron agregadas las mejoras en los accesorios del remolque, y con ello la evaluación de
resultados entre la simulación y el modelo original. Los accesorios simples del remolque con la mejora en
la geometría y longitud hacen posible la reducción de la resistencia aerodinámica entre el 19 al 28.8%,
en comparación con el vehículo objetivo, y un aumento dimensional general inferior al 1%, sin ningún
cambio en la capacidad de carga del remolque.
PALABRAS CLAVE
Resistencia aerodinámica, Tractocamión, Remolque, Accesorios.
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ABSTRACT
Public transport and heavy freight as a product of the automotive sector are the main sources of carbon dioxide (CO2)
emissions, and about one third are caused by commercial vehicles, especially of the tractor-trailer class of long road journeys.
Although strategies to reduce fuel consumption are becoming increasingly constrained, aerodynamic drag is a sustainable
fuel-saving alternative in the last decade. The objective of the research is to identify the aerodynamic ow behaviour around
the standard tractor-trailer case, within the framework of drag reduction by varying trailer devices and accessories to the
limit to generate possible aerodynamic gains. A standard tractor-trailer with known dimensions was CAD-modelled, as
were the trailer-installed accessories, roof deector, vortex stabilizer, side sections, and frame extension. With the simulation
using Computational Fluid Dynamics FLUENT, the inuence of the ow around the truck, and its unstable behavior was
investigated. The reference speed of 90 km/hr, which contributes to the drag, was analyzed in dierent regions to obtain a
greater resistance to the front wind. For the simulation, the improvements in the trailer accessories were added, and with it
the evaluation of results between the simulation and the original model. Simple trailer attachments with improved geometry
and length make it possible to reduce the drag by 19 to 28.8% compared to the target vehicle and to increase the overall size
by less than 1% without any change in the load capacity of the trailer.
KEYWORDS
Aerodynamic resistance, Tractor truck, Trailer, Accessories.
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1. INTRODUCCIÓN
La reducción del consumo de combustible se ha convertido en una necesidad importante a resolver
en la “industria automotriz denida por la tendencia al alza de precios, y la aparición de compañías
competitivas y ecientes para el diseño de sus productos” (Meneses y Trejos, 2018). El transporte
público y privado de carga pesada son las principales fuentes de emisión de dióxido de carbono (CO
2
),
y aproximadamente un tercio son causadas por vehículos comerciales como el caso del remolque-
camión en largos recorridos. Según estudios especializados en el análisis del consumo de combustible de
vehículos (Schaller, 2010; Hucho, 1998; IEA, 2011) y la National Research Council Canada; identican
como principales fuentes de emisiones a las cargas producidas por efecto aerodinámico, y resistencia a la
rodadura, con factores de consumo de entre el 30 al 55%, debido a las cargas axiales en alta velocidad
y diseño de accesorios.
Debido a que los vehículos están trabajando para avanzar por el aire o túnel de viento, el aire creará una
fuerza de arrastre que se opone al movimiento. En circunstancias realistas y condiciones de conducción,
el túnel de viento se divide en varias partes; suelo, entrada, salida, paredes laterales y techo. La entrada
está congurada como entrada de velocidad, la cara de salida está congurada como salida de presión,
mientras que las paredes laterales se denen como pared estacionaria sin condición de deslizamiento para
simular simetría. Esto hace que el vehículo tenga que crear más potencia para realizar la misma cantidad
de trabajo, debido a que el arrastre es una fuerza inevitable que debe minimizarse para maximizar
la cantidad de potencia para desplazarse hacia adelante. Los estudios realizados por especialistas
aerodinámicos tales como Meneses y Trejos (2018), y Algozino (2019), consideran a los camiones grandes
como cuerpos blu, por disponerse en un ujo de alta velocidad a enormes fuerzas de arrastre, y ser
aerodinámicamente inecientes. Lo mencionado a los 100 km/h se caracteriza por un coeciente de
arrastre promedio (Cd) de 0.6 y gasto del 65% del combustible para superar la resistencia aerodinámica,
a diferencia de un automóvil de pasajeros de consumo menor hasta en 4 veces en mismas condiciones.
“Un camión - remolque a gran escala en un túnel de viento a 55 millas por hora y sin ningún dispositivo
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adicional aerodinámico, puede producir un coeciente de arrastre promedio por el viento entre 0.80
y 1.00” (Englar, 2013). En tal virtud, “cualquier reducción de la resistencia aerodinámica, dará como
resultado un gran ahorro de combustible” (Lav, 2013). La aerodinámica en un camión estándar varía
de manera no lineal, mientras que la resistencia a la rodadura crece linealmente con la velocidad. “El
arrastre aerodinámico aumenta cúbicamente a razón de los aproximados 80 km/h, pero las pérdidas
aerodinámicas son menores a bajas velocidades” (Leuschen y Cooper, 2006).
Los métodos de reducción de resistencia para mejorar el rendimiento aerodinámico se remontan desde
los aportes de Tanner en 1975, resumidos en acciones pasivas que no consumen energía externa, pero
reducen o disponen de prototipos para componentes como la base, sangrado de la base, cola del bote,
placas separadoras, cuñas separadoras, y varios tipos de bordes dentados o serrados. Los trabajos
especializados de Santana et al. (2020), y Sautié et al. (2020), consideran a las placas separadoras como
largas y difíciles de aplicar debido a la limitación de espacio y estabilidad, pero los relaves de botes
son más fáciles de implementar para reducir los arrastres. La primera generación de dispositivos
complementarios se caracteriza por la disminución del coeciente de arrastre general entre 0.15 a 0.25.
La segunda generación considera el uso de dispositivos como el sello de separación, faldones laterales
del remolque y la cola trasera del bote con potencial de disminución del coeciente de arrastre de 0.03
a 0.10.
El uso simultaneo de las alternativas, es una opción económica y viable en la reducción del coeciente
de arrastre y ahorro de combustible. “Los dispositivos más usados que reducen el arrastre en la región
base del avance, son la cola de barco con grandes placas que producen una región de estela pequeña
de baja presión” (Goñi y Rojas, 2017). Los generadores de vórtice con lengüeta de aire añaden impulso
al ujo en la región fuera del espacio sin que entre al mismo” (Wood, 2004). El arrastre ocasionado
por ruedas del tractor y remolque, han sido reducidos por la implementación de faldones laterales. La
implementación de una forma externa variable del extremo trasero del remolque ha contribuido con
la eciencia del transporte de los futuros remolques de larga distancia, de tal manera que permite un
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enfoque de reducción de la resistencia aerodinámica y aprovisionamiento de un volumen adecuado de
transporte en concordancia con los tipos de carga útil, de tal manera que el 95% del espacio destinado
para la carga útil total esté disponible para nes de transporte según los criterios establecidos en las
investigaciones de Fabian (2016) y Stadler, Hirschberg, y Hirz (2012).
Para la disminución del coeciente aerodinámico mediante soluciones numéricas, Hyams et al. (2011),
obtiene una reducción del 9% en la resistencia con ecuaciones inestables de Navier-Stokes promediadas
por Reynolds, y un solucionador de ujo paralelo que investiga el efecto del ujo aerodinámico inestable
en la economía de combustible de los camiones de clase 8, con respecto al ángulo de guiñada, los
extensores de la cabina, las ruedas giratorias, las aletas de base en el campo de ujo alrededor del camión
y las placas separadoras. La reducción del 30% en el coeciente aerodinámico documentado en Hyams
et al. (2011), registra el uso de un deector y un desviador de ujo de aire que circula por la parte superior
del remolque, con un valor adicional del 10% en la reducción de arrastre, sin embargo, el modelo en 2D
es limitado. Las pruebas de túnel de viento y simulaciones numéricas para investigar los efectos del faldón
lateral de Hwang et al. (2016) han contribuido con la reducción de resistencia en camiones pesados hasta
un 5%. Doost y Zadeh (2013), lograron una reducción del arrastre del 23%, gracias a la canalización
del aire desde el parachoques delantero hacia el trasero con vórtice reducido, y para la simulación del
campo, las líneas de ujo alrededor del vehículo, junto con los vórtices y la distribución de presión en
la estructura fueron simuladas mediante las ecuaciones que rigen FLUENTE. Sin embargo, aunque los
dispositivos complementarios funcionan como se esperaba, su efectividad no se puede comparar con los
que se aplican a la misma región de origen de arrastre en el avance. Para la simulación precisa y válida
del ujo alrededor de los camiones mediante métodos numéricos, se debe considerar las características
del campo de ujo turbulento y las complejidades geométricas. El mallado de sólido, algoritmos de
solución conables y recursos informáticos apropiados son necesarios para la simulación tridimensional
en lo referente a la caracterización aerodinámica. “Los camiones para el transporte de mercancía
que permita la pequeña reducción de la resistencia aerodinámica mediante la consideración de los
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efectos aerodinámicos y cambios en el ujo por la variación de la forma y dimensiones de dispositivos y
accesorios, signican menor consumo de combustible manifestado en reducción en las emisiones de los
camiones” (Lo y Kontis, 2016).
La presente investigación tiene como objetivo estudiar el comportamiento del ujo y resistencia aerodinámica
frente al consumo de combustible del camión–remolque estándar, conforme a la variación de accesorios
de reducción de arrastre. El transporte de mercaderías a nivel nacional e internacional ha contribuido con
el desarrollo del comercio entre países, pero a la vez ha manifestado grandes proporciones de emisiones
contaminantes. La contaminación del aire como un importante problema de salud pública, la reducción del
consumo de combustible mediante la implementación de adiciones aerodinámicas en camiones pesados,
la mejora de la salud de la población. La aplicación de tecnologías de reducción de resistencia de arrastre
permitirá reducir emisiones y con ello el impacto que tienen sobre el calentamiento global.
2. MÉTODOS Y MATERIALES
El arrastre aerodinámico en cualquier caso del ujo de uido fue denido por la fuerza resultante sobre
el objeto como paralela a la velocidad de la corriente libre de acuerdo a:
(1)
donde:
(Cd); coeciente de arrastre como indicador de eciencia aerodinámica entre diferentes vehículos.
(Fd); fuerza de arrastre aerodinámica,
(V); velocidad del vehículo,
(A); área frontal o de referencia
(ρ); densidad
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Se tomaron en cuenta tres ecuaciones de la Mecánica de Fluidos (FM) para estudiar la acción de fuerzas
aplicadas o existentes de acuerdo con el trabajo especializado de (White, 2005):
Conservación de la masa para establecer el equilibrio entre la cantidad de ujo másico que ingresa
a un volumen y la cantidad que lo abandona.
(2)
Conservación del momento lineal de la segunda ley del movimiento de Newton como uido
newtoniano, para obtener una relación entre la presión, el momento y las fuerzas viscosas.
(3)
Conservación de la energía de acuerdo con la Primera ley de la termodinámica para establecer
el equilibrio de la cantidad total de energía dentro del sistema, con posibles cambios entre los
diferentes estados.
Energy equation
(4)
Donde:
V = campo de velocidad,
ρ = densidad,
t = tiempo,
p = presión,
µ = viscosidad,
g = campo de gravedad
cp = capacidad caloríca especíca,
T = temperatura,
k = coeciente de conductividad térmica,
Φ = función de disipación viscosa
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La complejidad matemática de las ecuaciones hizo imposible resolverlas analíticamente, excepto en casos
simplicados. Las condiciones del sistema fueron dadas a temperatura ambiente constantes con número
de Mach inferior a 0,3, y densidad constante del ujo, junto con el supuesto de que la viscosidad del
uido es constante. Las ecuaciones de continuidad y momento fueron resueltas para velocidad y presión.
Todos los ujos de uidos fueron considerados turbulentos el caso de estocásticos, tridimensionales
y dependientes del tiempo. Se describieron ujos con uctuaciones con valores medios de presión y
velocidad más un término de uctuación; u = ¯u + u “y p = ¯p + p” respectivamente. Para manejar esto,
las ecuaciones (continuidad e impulso), con términos adicionales debido a uctuaciones, se promedian
en el tiempo. “Las nuevas ecuaciones se denominan ecuaciones de Navier-Stokes promediadas por
Reynolds, abreviadas como RANS” (Versteeg y Malalasekera, 2007).
Ecuación de continuidad para el ujo medio
(5)
Ecuación de momento en dirección X
Ecuación de momento en dirección Y
Ecuación de momento en dirección Z
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Con el sistema de ecuaciones resuelto se pudo contar con todas las variables velocidad, presión, y
temperatura de cada intervalo del sistema o discretización de un espacio en celdas pequeñas en las
que se modela el uido y se resuelven las ecuaciones para cada una de ellas. La investigación del ujo
aerodinámico alrededor de un camión - remolque detalla aspectos en los accesorios instalados, de manera
que, se identicaron las diferentes áreas y localización de zonas de mayor aporte como alternativas
para reducir el arrastre aerodinámico. La evaluación del efecto de diferentes dispositivos de remolque
reductores de resistencia mediante CFD, para con las dimensiones y geometría del camión - remolque
denido en la Figura 1. El área frontal del modelo de grado cero es de 9.78 m
2
.
Se considera 3 L para una
distancia entre la entrada y el área frontal del camión, 5 L la distancia entre la salida y la parte trasera
del camión, 12 W ancho del dominio, y 6 H de altura del dominio.
Figura 1. Geometría simplicada y dimensiones estándar en tractocamiones y remolque.
Fuente: (SAE , 2013).
Debido a que el régimen predominante fue turbulento para el estudio, en ese sentido se utilizó la
simulación numérica directa de DNS con el cálculo de variables promedio en el tiempo y el método
Lattice Boltzmann (LBM) para recuperar la hidrodinámica de la ecuación de Navier-Stokes según
(Kandasamy et al., 2002). La información suciente generada sobre el ujo, se pudo informatizar los
datos con la aplicación de modelos RANS, de manera que fueron combinados los modelos de turbulencia
y esfuerzo cortante de Menter, con la implicación de características cercanas y alejadas del muro.
Para involucrar una región 3D o su contraparte 2D simplicada donde se supone que el uido ocupa
el espacio del dominio computacional y sus celdas con el volumen hexaédrico para que de ese modo el
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software CFD resuelva las ecuaciones diferenciales gobernantes. El dominio se modela con un bloqueo
inferior al 5%. La conguración se realizó de acuerdo con la sugerencia de SAE J2966. La geometría del
vehículo fue limpiada topológicamente y se vericó la geometría de intersección sin errores, notando así
un modelo limpio con supercie de malla ideal. La discretización del dominio fue conjeturada mediante
la aplicación de “mallas hibridas” (Wang et al., 2014), de manera que se asociaron características de
las mallas estructuradas y no estructuradas, para llenar los dominios sin restricción alguna, y mejora
en la precisión de los cálculos viscosos. Son considerados los tamaños de malla entre nas y gruesas de
diversas regiones establecidas según el dominio computacional en las diversas partes del tractocamión y
remolque según la descripción de la Tabla 1.
Tabla 1. Conguración de malla.
Elementos Espesor de malla (mm)
Camión 5-60
Remolque 10-150
Carretera 10-1800
Caja de renamiento 1 220
Caja de renamiento 2 500
Paredes laterales 1900
Entrada y salida 1900
A partir de la malla realizada en ANSA, se creó una supercie cerrada, múltiple y no intersectante de
forma triangulada de alta calidad, con algoritmo Tetra Rapid en el túnel de viento. Las capas de prisma
más cercanas a la supercie fueron necesarias para resolver la parte interna de la capa límite y así
manejar los gradientes de alta velocidad. Para asegurarse de que la solución esté estabilizada, se vericó
la convergencia de los residuos y el diagrama de arrastre. De acuerdo con la experiencia sugerida en
trabajos especializados en estudios de arrastre aerodinámico Roy (2005) y Versteeg y Malalasekera (2007),
fue considerado el arrastre de presión (fuerza que actúa normal a la supercie) y arrastre de fricción
(fuerza que actúa tangencial a la supercie), mismos que contribuyen más del 90% de la resistencia total
de las regiones alrededor del camión formadas por la brecha entre el tractor y el remolque, la estela de la
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base detrás del remolque y el tren de rodaje. El ancho comprendido desde la parte trasera de la cabina
hasta el extremo delantero de la carrocería fue caracterizado su alta presión positiva (coeciente de
presión + 0,5 a + 1) en la parte delantera de la cabina y la carrocería. La altura de la carrocería medida
sobre el techo de la cabina, en un patrón típico de ujo de aire alrededor de un camión no aerodinámico
fue caracterizado su presión negativa (coeciente de presión –0,5 a – 1) en la parte trasera.
La distribución de resistencia aerodinámica entre el tractor y el remolque fue considerada la conguración
de los coecientes de arrastre en la cara frontal del tractor, la región de separación, y la base del remolque
como regiones dominantes de arrastre de acuerdo con lo mostrado en la Figura 2. Para la distribución
del arrastre del tractocamión y remolque, se tomaron en cuenta las conguraciones ideales en adición
las características de los accesorios en los alerones, techos y carenados laterales, tomando en cuenta los
efectos de viento cruzados, lo cual maniesta la distribución de la resistencia aerodinámica de 40% para
el tractor y 60% para el remolque.
Figura 2. Regiones dominantes de arrastre en un tracto – camión.
Fuente: (SAE , 2013).
En el estudio fueron incluidos los extensores laterales al tractor, con el montaje de dispositivos dentro
del hueco y cierre completo como el ejemplo de la Figura 3, para tratar de evitar vientos cruzados,