Técnicas Avanzadas de Simulación Modelan Precisamente Dinámica de Vehículos y Flujo de Neumáticos

Especialistas en dinámica de fluidos en la Universidad Rice y la Universidad Waseda en Tokio han desarrollado sus métodos de simulación computacional al punto donde es posible modelar con precisión autos en movimiento, hasta el flujo alrededor de neumáticos rodantes.

Los resultados están ahí para que todos los vean en un video  producido por Takashi Kuraishi, un asociado de investigación en el laboratorio de Tayfun Tezduyar, Profesor James F. Barbour de Ingeniería Mecánica.

"Ha estado escalando la complejidad de sus cálculos, comenzando con un neumático independiente y ahora teniendo el resto del auto", dijo Tezduyar de Kuraishi, quien se unió al laboratorio de Rice en 2020.

El video también demuestra la eficacia del método de Generación de Malla Guiada por Superficie-a-Volumen NURBS, una técnica desarrollada por el Equipo para Simulación y Modelado de Flujo Avanzado co-liderado por Tezduyar y Takizawa para modelar dinámica de flujo alrededor y a través de objetos de geometría compleja. NURBS significa Splines de Base Racional No Uniforme, una técnica matemática para describir formas 3D y proporcionar análisis computacional de problemas de mecánica de fluidos y estructurales que involucran tales formas.

Complica el modelo el hecho de que los neumáticos están en contacto con la carretera y se deforman al rodar. "Estamos lidiando con geometrías de auto y neumáticos casi reales", dijo Tezduyar.

Una descripción detallada de los métodos y la simulación del auto se publicó el mes pasado en la revista Computational Mechanics. Desde entonces, el equipo Rice-Waseda hizo el video para dar vida a las ilustraciones.

"Conocer el comportamiento del flujo de aire alrededor del auto y sus neumáticos llevará a mejor entendimiento de su rendimiento aerodinámico", dijo Kuraishi. "Simulaciones tan sofisticadas son importantes para proporcionar soluciones realistas y respuestas confiables en diseño y evaluación de rendimiento."

Tezduyar, cuyo laboratorio también ha modelado paracaídas de recuperación para las cápsulas Orion de NASA, dijo que el uso de NURBS en análisis computacional ha crecido dramáticamente en años recientes, combinando eficiencia y precisión al reducir el número de puntos de malla necesarios para modelar un sistema. Piensa en la malla como una red de un fluido —como aire— alrededor de un objeto, con los puntos de malla viviendo en elementos 3D. Los puntos y elementos se mueven cuando el objeto se mueve.

En un modelo de un auto en movimiento, el análisis de flujo computacional con NURBS se logró con aproximadamente 1.1 millones de puntos, una fracción del número usado en métodos habituales, manteniendo su precisión. Eso reduce el costo computacional también, dijo Tezduyar.

"Tenemos una malla 3D alrededor del auto y los neumáticos, con más puntos cerca de las superficies de los neumáticos para mayor precisión donde importa más", dijo. "A medida que el neumático rota, los puntos y elementos rotan con él, pero el problema es que a medida que el neumático rota, los elementos moviéndose bajo el neumático colapsan — y esto es lo que otros métodos no pueden manejar. Nuestro método sí lo hace, y es clave para obtener una simulación precisa."

"A medida que pasa el tiempo, naturalmente, se considerarán nuevos diseños de neumáticos o mejoras", dijo. "Sería muy beneficioso para fabricantes de neumáticos hacer este tipo de simulación antes de invertir en generar un prototipo, porque les daría datos numéricos comprehensivos y detallados sobre la aerodinámica alrededor del neumático que sería difícil obtener de cualquier otra manera."