CFD Evaluation of Roof Fairing and Rear Tail Plate Add-Ons for Bus Aerodynamics

En la carretera abierta, un autobús es un objeto masivo y romo que empuja a través de un mar de aire. A medida que se mueve, el aire no simplemente se desliza a su lado; presiona contra el frente, corre sobre la parte superior y lucha por llenar el espacio vacío dejado detrás en la parte trasera. Esta lucha crea una fuerza llamada resistencia aerodinámica, que actúa como una mano invisible tirando del vehículo hacia atrás. Para seguir moviéndose, el motor debe trabajar más duro, quemando más combustible y liberando más dióxido de carbono a la atmósfera. Para los vehículos grandes como los autobuses, que a menudo transportan a docenas de pasajeros, esta resistencia es un costo importante, tanto en dinero como en impacto ambiental. En muchas partes del mundo, particularmente en Etiopía, los autobuses se construyen frecuentemente uniendo carrocerías de pasajeros a chasis de camiones. Aunque es práctico, este método a menudo resulta en formas rectangulares y cuadradas que son terribles para cortar el viento. El aire golpea el frente plano y se queda atrapado en remolinos turbulentos en la parte trasera, desperdiciando energía que de otro modo podría usarse para el movimiento.

Los investigadores han sabido durante mucho tiempo que suavizar estas formas puede ayudar. Así como un nadador usa un gorro elegante para reducir la resistencia en el agua, los vehículos pueden ser equipados con dispositivos que guíen el aire de manera más suave. Este estudio se centró en un modelo de autobús específico y común utilizado en Etiopía y planteó una pregunta sencilla: ¿podrían las adiciones simples al techo y a la parte trasera del autobús reducir significamente la resistencia? El equipo no probó estas ideas en una carretera real, sino que utilizó una poderosa simulación por computadora. Construyeron una versión digital del autobús y la colocaron dentro de un túnel de viento virtual, un espacio matemático donde podían observar cómo fluía el aire alrededor del vehículo a diferentes velocidades. Al cambiar la forma del autobús en la computadora —añadiendo una pieza curva al techo y una placa plana en la parte trasera— pudieron medir exactamente cuánto más fácil se volvía para el aire pasar a su lado.

Los investigadores probaron dos tipos principales de adiciones. La primera fue un deflector de techo (roof fairing), una estructura curva montada sobre el autobús que imita la forma del ala de un avión, específicamente la mitad de un diseño conocido como perfil alar NACA 0012. La segunda fue una placa de cola trasera, un panel plano unido a la parte posterior del autobús con un ligero ángulo, diseñado para ayudar a que el aire se reuna de forma más suave después de pasar sobre el vehículo. Probaron estos dispositivos en varios tamaños y ángulos, ejecutando la simulación a velocidades de 60, 80 y 100 kilómetros por hora. El objetivo era encontrar la combinación específica que creara la menor cantidad de resistencia, reduciendo así la cantidad de combustible necesaria para mantener el autobús en movimiento.

Los resultados mostraron que ambas adiciones funcionaron, pero una fue claramente superior. El deflector de techo resultó ser la herramienta más efectiva. Cuando los investigadores instalaron un deflector de techo con una longitud específica de 0.5 metros, combinado con un ligero remodelado del frente del autobús, la resistencia cayó drásticamente. A una velocidad de 60 kilómetros por hora, la resistencia se redujo casi un 28 por ciento. A medida que el autobús aceleraba a 100 kilómetros por hora, la reducción aumentó ligeramente, alcanzando casi un 29 por ciento. La placa de cola trasera también ayudó, pero su efecto fue menor; incluso en su mejor configuración, solo logró reducir la resistencia en aproximadamente un 25 por ciento a las velocidades más altas. Las simulaciones revelaron que el deflector de techo funcionaba manteniendo el aire adherido a la parte superior del autobús por más tiempo, evitando el remolino caótico que usualmente ocurre cuando el aire se separa de una superficie roma.

Estas reducciones en la resistencia se traducen directamente en ahorros en el mundo real. Debido a que el autobús encuentra menos resistencia, el motor no necesita trabajar tan duro. El estudio calculó que con la mejor configuración del deflector de techo, un autobús que viaja a 100 kilómetros por hora ahorraría casi 10 litros de combustible cada hora en comparación con el autobús estándar sin modificar. A una velocidad más lenta de 60 kilómetros por hora, el ahorro seguía siendo significativo, con más de 2 litros por hora. A lo largo de un año, asumiendo que el autobús opera ocho horas al día, estos ahorros se acumulan en miles de litros de diésel. Esta reducción en el uso de combustible también significa una caída sustancial en las emisiones de dióxido de carbono. Para un solo autobús utilizando el deflector de techo, el estudio estimó que podría prevenir la liberación de más de 60 toneladas de dióxido de carbono anualmente a altas velocidades, una cifra que representa una contribución significativa para un aire más limpio.

Los investigadores fueron cuidadosos en señalar que estos números provienen de simulaciones por computadora, no de conducir un autobús físico en una carretera. El modelo digital fue verificado contra datos existentes de túneles de viento para asegurar que fuera preciso, y los resultados fueron consistentes con lo que los ingenieros esperan ver. Aunque el estudio no probó todas las formas o tamaños posibles, identificó un claro ganador entre las opciones probadas: un modesto deflector de techo curvo de 0.5 metros. Este hallazgo sugiere que para los autobuses de forma cuadrada comunes en Etiopía y regiones similares, una modificación relativamente simple y económica podría conducir a mejoras importantes en la eficiencia de combustible y el impacto ambiental. El trabajo demuestra que incluso para vehículos que no fueron diseñados originalmente con la aerodinámica en mente, los pequeños cambios en su forma pueden marcar una gran diferencia en cómo interactúan con el aire a su alrededor.