ESTRANS (TED2021-131805B-C22): Efficient and Sustainable Transport - Energy and aerodynamically optimized design of heavy vehicles.
Duration
12/2022 - 11/2024
Summary
Este proyecto supone un esfuerzo coordinado de dos grupos de investigación, pertenecientes a las Universidades de Jaén y Granada respectivamente, para contribuir a la generación de conocimiento científico y el desarrollo de tecnologías que permitan mejorar la eficiencia energética de vehículos pesados y así reducir su consumo energético. En concreto, se pretende integrar el uso de herramientas de optimización geométrica y sensibilidad, basadas en una caracterización numérico-experimental del flujo, y de eficiencia energética para hacer el transporte de vehículos pesados más sostenible, mediante modificaciones geométricas, desarrollo de sistemas óptimos de mejora aerodinámica y recuperación de energía residual del vehículo. Con ello, se persigue el diseño de vehículos que presenten una menor resistencia al avance, en conjunto con el desarrollo y la implementación de sistemas de reducción del mismo. Para ello, se propone realizar una serie de campañas experimentales, desde ensayos en túnel viento de modelos a escala de vehículos pesados dotados de sistemas de reducción de la resistencia aerodinámica hasta pruebas en circuito a escala real, además de simulaciones numéricas. Se pretende que ambas metodologías sean complementarias y sustenten el diseño y desarrollo de dispositivos o estrategias que permitan reducir eficazmente el impacto ambiental de los vehículos pesados.
Goals
La presente propuesta plantea un plan de actuación integral en vehículos pesados con objeto de reducir su consumo de energía y, a su vez, las emisiones de gases de efecto invernadero. Para ello, se proponen varías líneas de acción definidas mediante objetivos globales y específicos. Cabe indicarse que los objetivos se han planteado de forma coherente con la duración del proyecto y la composición del equipo investigador y colaboradores predoctorales (cuyos miembros participarán activamente en las tareas planificadas). De forma concisa, los objetivos generales y específicos son:
O1. Mejora de la eficiencia aerodinámica del vehículo.
- Diseño, desarrollo e implementación de sistemas de control localizados traseros.
- Modificación global de cajas de transporte optimizadas, considerando restricciones de capacidad de carga y diseño para fabricación económica y de ensamblaje apoyado en socios industriales.
O2. Mejora de la estabilidad del vehículo y control del flujo alrededor del mismo.
O3. Desarrollo e implementación de sistemas auxiliares de captación energética.
- Captación de energía mecánica mediante piezoeléctricos por vibración.
- Generación de energía solar fotovoltáica (FV).
Tasks
O1. Mejora de la eficiencia aerodinámica del vehículo.
-Tarea 1. Puesta a punto de ensayos experimentales a escala industrial.
Tarea 1a: Diseño y fabricación de un modelo instrumentalizado a escala 1:5.
Tarea 1b: Diseño y puesta a punto de los elementos de control localizados en la parte trasera del modelo a escala.
-Tarea 2. Simulaciones numéricas: Caracterización, mapas de sensibilidad, diseño de dispositivos, optimización topológica.
Tarea 2a: Caracterización numérica del flujo turbulento alrededor de un modelo de camión a escala.
Tarea 2b: Obtención de mapas de sensibilidad del flujo alrededor del modelo. Diseño y optimización de dispositivos traseros para la reducción del coeficiente de resistencia.
Tarea 2c: Diseño y optimización global del chasis del vehículo.
-Tarea 3. Realización de ensayos experimentales con modelo instrumentalizado a escala industrial
-Tarea 4. Realización de ensayos en circuito a escala real.
Tarea 4a: Diseño y puesta a punto de elementos de control localizados en la parte trasera del vehículo real.
Tarea 4b: Realización de ensayos controlados en circuito con vehículo pesado real.
O2. Mejora de la estabilidad del vehículo y control del flujo alrededor del mismo.
-Tarea 5. Caracterización de la simetría y la aparición de la biestabilidad a escala industrial.
-Tarea 6. Mejora del manejo del vehículo gracias al control de la asimetría de la estela. Tarea 6a: Manipulación de la simetría/biestabilidad de la estela con sistemas de control localizado a escala industrial
Tarea 6b: Control inteligente y versátil de la estabilidad del vehículo en base a la simetría de la estela
O3. Desarrollo e implementación de sistemas auxiliares de captación energética.
-Tarea 7. Aprovechamiento de vibración de la caja
-Tarea 8. Aprovechamiento de vibración de dispositivos flexibles locales de control de estela
-Tarea 9. Estudio de viabilidad Solar FV
Results
- Ensayos de sistemas flexibles, móviles y reconfigurables a escala reducida.
- Caracterización del flujo alrededor de vehículos reales a escala.
- Evaluación de sistemas móviles caracterizados por la interacción fluido-estructura entre el dispositivo de eficiencia aerodinámica y la estela tras el cuerpo romo.
Technical or international scientific impact
Esta propuesta persigue hacer frente a la problemática derivada del calentamiento global, cuyo factor principal es la incesante emisión de dióxido de carbono (CO2) generada por actividades industriales. Gran parte de estas emisiones están ligadas al consumo de gasoil en vehículos de transporte terrestre. Se estima que para mantener una velocidad de 100 km/h, un camión debe invertir el 75% de su potencia en vencer el arrastre. Así pues, la Agencia Europea de Medio Ambiente, considera que el transporte pesado por carretera genera aproximadamente el 28% de las emisiones de CO2 a nivel europeo, y que dichas emisiones y contaminantes asociados conllevan anualmente unos 45.000 millones de coste sanitario, y unas 50.000 muertes. Así, la Unión Europea ha conminado a los Estados y fabricantes a adoptar estrategias de reducción del consumo de diésel y emisiones de CO2, que pasan por el impulso de tecnologías de transporte sostenible. En este sentido, el desarrollo del coche eléctrico ha supuesto un cambio de paradigma, aunque en el ámbito del transporte pesado por carretera, las necesidades de carga y de potencia tractora limitan su implementación a corto plazo, por lo que el esfuerzo debe ponerse fundamentalmente en la mejora aerodinámica de estos vehículos. El objetivo último de este proyecto es el desarrollo de estrategias reductoras del arrastre y aprovechamiento energético, consistentes en sistemas pasivos y de forzado de consumo energético nulo, diseñadas mediante herramientas de optimización, cuya eficacia respecto a la reducción del arrastre frente a condiciones cambiantes de flujo es superior a otros sistemas convencionales. Además, la exploración de vías de recuperación de energía de vibración del camión y generación de energía fotovoltaica puede suponer una mejora sustancial del balance energético global. Así, el proyecto supondría un avance tecnológico con soluciones compactas de bajo coste, evitando la inversión para su homologación en virtud de la directiva EU 2015/719 y aumentando su atractivo para la adopción en flotas de vehículos de empresas con tamaño y capacidad económica diversa. Además, el potencial aprovechamiento de la metodología de optimización para concebir geometrías globales mejoradas de cajas podría derivar en soluciones conceptuales de arrastre reducido.
Por otro lado, este proyecto es un esfuerzo coordinado de los grupos de Mecánica de Fluidos de UJA y UGR, con una sólida trayectoria científica a nivel nacional e internacional, y amplio bagaje numérico-experimental en el ámbito de control de estelas, que han dado lugar a numerosas publicaciones en revistas internacionales de alto impacto, y activas colaboraciones con investigadores de entidades extranjeras. Precisamente, esta propuesta surge de la colaboración consolidada con los Profesores Cadot, de la Universidad de Liverpool y Pastur, de ENSTA Paris, en el ámbito de la mejora aerodinámica de vehículos romos. En cuanto a la difusión, los resultados científicos serán publicados en revistas de alto impacto, como JFM, PoF, JFS, etc. Adicionalmente, la reciente creación del Grupo de Interés Especial SIG 47 3d Wakes de ERCOFTAC, a cuyo comité director pertenece José I. Jiménez, actuará como foro de presentación y discusión de resultados en un ámbito más específico de la comunidad europea. Finalmente, el apoyo mostrado por fabricantes del sector con actividad comercial internacional permitirá aumentar el impacto y difusión de los resultados a dicho nivel.