“Rapporto Lift/Drag”: Calcolo dell’efficienza aerodinamica ed “End Plates” di F1

In questo nuovo appuntamento con la rubrica “Automotive Aerodynamics” parlerò del vero parametro che quantifica l’efficienza aerodinamica, con un’attenta analisi a quelle che sono le prime vere soluzioni pratiche ai problemi definiti nell’articolo precedente: Resistenza aerodinamica e problemi fisici. Per maggior chiarezza li reintrodurremo brevemente prima di analizzarli.

Iniziamo con l’introduzione del coefficiente che per eccellenza quantifica l’effetto deportante in funzione di quanti punti di resistenza (drag) otteniamo dalla configurazione aerodinamica e geometrica del veicolo.

Rapporto L/D:

Il rapporto L/D (lift e drag), è un coefficiente di fondamentale importanza nel campo dell’analisi aerodinamica: ne quantifica l’efficienza. Come è stato ribadito in precedenza ci sono determinati range di funzionamento ottimali in cui l’effetto deportante ottenuto dalla configurazione aerodinamica del corpo vettura non incide particolarmente sul Drag.

Ali troppo inclinate, angoli di incidenza troppo elevati, meglio, non fanno altro che aumentare la resistenza: poco influiscono sulla downforce. Non a caso i profili deportanti (ala anteriore o posteriore) non sono mai eccessivamente inclinati.
Al contrario, sono quasi sempre profili alari con piccoli angoli di attacco, ma con grande camber (curvatura). L’effetto è visibile solo con un po’ di CFD e software simulativi, in grado di mettere in luce l’efficienza e lo stato energetico del fluido (aria) in gioco.

Quantifichiamo?

• Alti valori di questo coefficiente, indicano un passaggio transizionale (laminare-turbolento) molto rapido. Più vicino al bordo d’attacco risulterà, più sarà la perdita di energia di pressione per attrito delle forze viscose (regime turbolento) e maggiore sarà il gradiente tra intradosso ed estradosso dell’ala. Come ben sappiamo il gradiente è responsabile della forza di pressione aerodinamica deportante…e sappiamo poi come va a finire.
  Oppure si può ridurre il valore di drag, mantenendo il più possibile laminare il regime di moto del fluido ed evitando il distacco di vena.
• Bassi valori indicano bassa efficienza, vale a dire con 1 punto di lift se ne ottengono 2 di drag (resistenza): il coefficiente vale in questo specifico esempio 0.5.

L’intermedio può essere ottenuto con tecnologie di aerodinamica attiva che sfruttano comandi elettro-idraulici per sviluppare l’ala posteriore (e anche quella anteriore) in più configurazioni. Si può dar maggior peso all’effetto deportante oppure all’abbassamento del CX. Il comando è elettro-idraulico e mediante un attuatore meccanico si può modificare in corsa l’angolo di attacco, il camber (curvatura) dell’ala e migliorare o ridurre l’effetto deportante Lift.

Regolazione continua o fissa?

In questi casi, tuttavia cambia l’approccio progettuale del bordo d’attacco. Nel momento in cui è prevista una regolazione continua della configurazione aerodinamica dell’ala, a livello di range grandi dell’angolo di attacco, si procede con un raggio di curvatura del bordo d’attacco elevato.

Il motivo sta nel fatto che un profilo all’ingresso molto arrotondato migliora la parzializzazione da una a due vene fluide. Ciò evitaun brusco e inaspettato distacco della vena fluida a seguito della continua regolazione o dell’inclinazione eccessiva. Con un angolo troppo grande si avrebbe, in prossimità del ventre dell’ala, lo stallo; con un raccordo maggiore questo è limitato.

Per configurazioni fisse (spoiler, appendici o alettoni da corsa fissi) viene utilizzato un bordo d’attacco sottile, un basso angolo di incidenza e un camber più o meno grande: il tutto per ottimizzare il rapporto L/D.

End plates: Perchè?

Come abbiamo ribadito nel precedente articolo in questione alle soluzioni adottate nel mondo automotive, uno dei problemi da risolvere sono i vortici creati sull’estremità trasversale dell’ala. Per contenere questi vortici, a seguito di una brusca riduzione energetica del fluido, che non fanno altro che aumentare il drag complessivo. Non a caso in formula 1 ritroviamo questi End plates sia sull’ala posteriore, sia su quella anteriore.

Lateralmente si possono notare queste paratie che, in qualche modo, chiudono in prossimità dell’estremità d’ala, l’intero flusso d’aria che sembra essere quasi incanalato perfettamente mediante le geometrie (paratie, plates, appendici) che in qualche modo vincolano il percorso del flusso d’aria. Tutti gli elementi hanno il profilo rastremato, affusolato… è un insieme di piccole ali. Andremo ad analizzare meglio nel dettaglio l’aerodinamica di una monoposto di formula 1 nelle prossime puntate. Troverete il tutto sul mio profilo autore o sulla pagina facebook Vehicle Close-up Engineering.

I vantaggi sono molteplici e la realizzazione è abbastanza semplice. Partiamo dai vantaggi.

Vantaggi:

• Riduce lo spillamento d’aria per via del gradiente di pressione tra le due superfici (ventre e dorso). Quindi migliora il contenimento del flusso d’aria, che evita di disperdersi con vortici continui che ostacolano il flusso in prossimità dell’ala.
  Il tutto recomprimendo l’aria, ri-energizzandola e lanciandola lontana dal campo di pressione dell’ala posteriore.
• Sull’eventuale ala anteriore, si deve fare in modo di incanalare l’aria, facendole superare lo pneumatico lateralmente e superiormente, migliorando il CX. In quanto, quest’ultimo, aumenta la resistenza aerodinamica, proprio perché il flusso d’aria impatta sopra di esso.

In formula 1 le paratie hanno dimensioni, in termini di corda alare e massimo spessore, abbastanza limitate e regolamentate. Tuttavia, da un punto di vista sperimentale, si è notato come un valore h/b=0.6 fissi un valore di riferimento per la progettazione. Oltre tale valore non si hanno ulteriori vantaggi.
h definisce l’altezza della paratia, b l’apertura alare.

In questo modo si controlla il fenomeno dannoso, creando vortici indotti che allontanano la vena fluida dal campo di pressione del corpo vettura in analisi, rendendo il tutto più aerodinamico. L’effetto simulato in CFD è il seguente: