A simulação de CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional) aplicada ao design do protótipo urbano híbrido BOTO resultou em um coeficiente de arrasto (Cd) de 0,20. Utilizando a metodologia de escaneamento 3D de modelos em escala reduzida, o estudo identificou pontos críticos de descolamento de fluxo e propôs melhorias na carenagem traseira. O resultado final representa uma eficiência aerodinâmica significativamente superior à de carros compactos comuns, como o Fiat 500 (Cd de 0,33 a 0,36), otimizando a autonomia e o desempenho do veículo elétrico/humano.

Quer entender como essa otimização foi feita na prática e ver os mapas de pressão aerodinâmica do BOTO? Continue a leitura do artigo abaixo!

Introdução

A utilização de veículos compactos tem se tornado cada vez mais atrativa nos grandes centros urbanos. Nesse contexto, a análise por simulação CFD contribui para o desenvolvimento de soluções voltadas à mobilidade urbana. Além disso, a maior facilidade para deslocar e estacionar veículos menores representa uma oportunidade para empresas do setor.

Além da facilidade de deslocamento no trânsito, o tipo de propulsão desses veículos também constitui um diferencial. Algumas soluções utilizam propulsão híbrida por meio de pedais com assistência elétrica, similar às e-bikes. Entretanto, esses veículos contam com carenagem e maior conforto ao usuário.

Um dos principais obstáculos para a utilização mais ampla das bicicletas nas grandes cidades é, sobretudo, a exposição às intempéries. Chuva, vento, poluição e até mesmo poças de lama podem, eventualmente, inviabilizar o deslocamento diário para o trabalho.

Nesse sentido, os veículos carenados têm ganhado destaque, principalmente em países mais desenvolvidos, como a Alemanha. O veículo TWIKE, por exemplo, representa uma iniciativa consolidada nesse segmento.

Figura 1 – Veículo TWIKE híbrido movido a propulsão humana/elétrica.

No Brasil, uma empresa de São Paulo desenvolveu o veículo chamado BOTO, com formas orgânicas inspiradas no mamífero de mesmo nome, muito comum nos trópicos.

Para o desenvolvimento do protótipo BOTO, a Kot realizou simulações utilizando a técnica de CFD, com o propósito de avaliar melhorias para redução de arrasto aerodinâmico. Considerando a potência limitada da propulsão humana com auxílio do motor elétrico, qualquer redução no arrasto impacta positivamente a performance do veículo, tanto em velocidade quanto em alcance.

Modelagem

Por se tratar de um veículo em fase inicial de desenvolvimento, foi utilizado um modelo em escala reduzida para a elaboração da malha em volumes finitos. Posteriormente, o modelo em escala foi escaneado, possibilitando sua inserção rápida no software de CFD. Dessa forma, etapas mais demoradas do processo, como a modelagem detalhada, foram significativamente reduzidas.

A utilização de modelos escaneados apresenta algumas limitações quanto à precisão. Contudo, em análises realizadas nas fases iniciais de protótipos, a rapidez nas iterações é, muitas vezes, mais importante do que a precisão absoluta dos resultados.

Isso ocorre porque o protótipo sofre alterações constantes durante o desenvolvimento. Assim, o teste de novas soluções e melhorias torna-se frequente, bem como a necessidade de quantificar pequenos ganhos de desempenho.

Figura 2 – Modelagem por meio da técnica de escaneamento digital de modelos em escala reduzida.

Posteriormente, o modelo passou por pequenos ajustes antes de ser incorporado diretamente ao software CFD. Foram realizados ajustes de escala para as dimensões reais e correções em regiões com imperfeições decorrentes do processo de escaneamento.

Resultados

Os resultados das simulações indicaram, por conseguinte, a necessidade de melhorias na parte superior traseira do protótipo. O objetivo foi deslocar o ponto de descolamento do fluxo, mantendo o escoamento mais rente à superfície. Como resultado, houve redução do arrasto total.

Figura 3 – Resultados – distribuição de pressão na carenagem do protótipo BOTO.

Por se tratar de um corpo rombudo sem perfilagem aerodinâmica, o coeficiente de arrasto (Cd) calculado por CFD foi da ordem de 0,20. Como base comparativa, podem ser considerados alguns veículos compactos tradicionais comercializados no Brasil.

O Fiat 500, por exemplo, apresenta coeficiente de arrasto entre 0,33 e 0,36. Já o GM Kadett, conhecido pelo baixo arrasto aerodinâmico, atingia aproximadamente 0,30 em suas melhores versões.

Em contrapartida, bicicletas sem qualquer tipo de carenagem apresentam coeficientes de arrasto entre 1,1 e 0,88. Portanto, observa-se uma diferença expressiva em relação ao veículo proposto.

Figura 4 – Resultados – adição de uma carenagem junto a roda traseira do protótipo.

Considerações finais

As melhorias propostas foram implementadas rapidamente por meio da técnica de escaneamento. Dessa maneira, foi possível avaliar com agilidade as modificações realizadas na maquete em escala reduzida.

A partir das análises de escoamento via CFD, tornou-se possível propor melhorias voltadas à redução do arrasto aerodinâmico. Consequentemente, houve melhora na performance do veículo e contribuição para o desenvolvimento de alternativas voltadas à mobilidade urbana.

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FAQ

1. O que é a simulação CFD e como ela é aplicada no desenvolvimento de veículos?

A simulação CFD (Computational Fluid Dynamics ou Dinâmica dos Fluidos Computacional) é uma tecnologia computacional utilizada para simular o comportamento de gases e líquidos em movimento e sua interação com superfícies sólidas. No desenvolvimento veicular, ela substitui ou complementa os caros testes em túnel de vento, permitindo mapear digitalmente linhas de corrente, zonas de turbulência e forças de arrasto que agem sobre a carenagem do veículo em movimento.

2. Como é calculado o coeficiente de arrasto ($C_d$) de um veículo?

O coeficiente de arrasto (Cd) é uma grandeza adimensional que quantifica a resistência aerodinâmica de um objeto. Ele é calculado pela relação entre a força de arrasto (Fd) medida na simulação ou teste, a densidade do fluido (p), a velocidade do veículo (v) e a sua área frontal projetada (A), conforme a equação física:

Quanto menor esse número, mais facilmente o veículo corta o ar, exigindo menos energia para se deslocar.

3. Quais as vantagens de utilizar escaneamento 3D de maquetes físicas na simulação CFD?

A principal vantagem é a velocidade de iteração no estágio inicial de design (concept phase). Em vez de gastar semanas modelando superfícies orgânicas complexas do zero em softwares de CAD (Projeto Auxiliado por Computador), os engenheiros podem esculpir fisicamente modelos rápidos em escala reduzida, escaneá-los em minutos e importá-los diretamente para a malha de volumes finitos do software CFD para obter diagnósticos preliminares.

4. Quais são as limitações de precisão ao usar modelos escaneados no CFD?

Modelos escaneados digitalmente podem apresentar pequenas imperfeições superficiais, ruídos de leitura de sensores e desvios milimétricos em relação ao modelo real. Embora essas limitações impeçam uma precisão decimal absoluta nos resultados finais, elas são perfeitamente aceitáveis no início do projeto, onde o foco principal é identificar tendências de comportamento do fluxo (como pontos de descolamento de camada limite) e quantificar melhorias relativas entre diferentes propostas de design.

5. Por que um coeficiente de arrasto de 0,20 é considerado excelente para o protótipo BOTO?

Um Cd de 0,20 coloca o protótipo BOTO no patamar dos veículos elétricos de produção mais aerodinâmicos do mercado mundial. Para fins de comparação, ele é cerca de 40% mais eficiente que veículos compactos urbanos tradicionais (como o Fiat 500, que varia entre 0,33 e 0,36) e consome uma fração mínima da resistência enfrentada por uma bicicleta convencional sem carenagem, cujo Cd pode chegar a 1,1.

6. Como a redução do arrasto aerodinâmico afeta veículos urbanos elétricos ou de propulsão híbrida?

Em veículos com potência limitada (como sistemas híbridos que combinam pedalada humana e motores elétricos auxiliares), a resistência do ar é o principal fator de consumo energético em velocidades médias e altas. Ao reduzir o arrasto aerodinâmico, diminui-se drasticamente a potência necessária para vencer a barreira de ar, o que se traduz diretamente em maior velocidade final, menor esforço do condutor e um aumento expressivo na autonomia da bateria elétrica.