Test aerodinamico in galleria del vento: Porsche 996 sotto osservazione
Vi avevamo già parlato di come è strutturata una galleria del vento e su quali principi si basa. Vogliamo ora mostrarvi un test aerodinamico approssimativo effettuato su un modellino di Porsche 996.
Lavorare in similitudine durante un test aerodinamico
Cosa significa lavorare in similitudine?
Prima di tutto si dice che esiste similarità quando è possibile relazionare due quantità attraverso una costante adimensionale. In altri termini significa passare dalla descrizione di un processo fisico reale in scala naturale (1:1) ad una scala differente (ridotta o aumentata) mediante opportune trasformazioni.
Per quanto riguarda il caso del test aerodinamico in questione è utile citare la similarità geometrica e dinamica, nonostante ne esistano altre.
Si ha similarità geometrica quando le dimensioni del caso reale sono tutte scalate attraverso un preciso coefficiente, in modo da ottenere le dimensioni del modellino. Nel nostro caso abbiamo un modello in scala 1:18.
La similarità dinamica è invece più interessante: possiamo ottenere valori di resistenza e portanza correlabili a quelli reali se e solo se lavoriamo con lo stesso numero di Reynolds. Attenzione però, per capire se è effettivamente possibile dobbiamo sviluppare qualche semplice conto.
Ricordiamo la definizione del numero di Reynolds:
Re = ρ v L / μ
Ipotizziamo che le condizioni termodinamiche reali siano le stesse che si hanno durante la prova in galleria. In questo modo “trascuriamo” la dipendenza dalla densità e dalla viscosità dinamica. Di fatto dovremo imporre l’uguaglianza tra Re (caso reale) e Re* (modello in galleria):
v L = v* L*
Il rapporto L* / L è noto dalla similitudine geometrica, ed è pari a 1/18. Questo comporta che la velocità v* del modello in galleria debba essere 18 volte maggiore della velocità v reale. Considerando anche soltanto 110 km/h (circa 30 m/s, “pochi” per una Porsche 996) significherebbe accelerare il flusso d’aria in galleria fino a 540 m/s. Stiamo parlando di un regime supersonico, oltre 1.5 Mach!
Ovviamente impossibile anche solo discuterne, ed è per questo motivo che le case automobilistiche sono propense a eseguire il proprio test aerodinamico direttamente su un modello in scala naturale, per limitare la velocità del flusso e ottenere forze aerodinamiche quantitativamente significative.
Nella nostra prova non è stata rispettata la similitudine dinamica per ovvie ragioni pratiche e ci siamo limitati a discutere i valori dei coefficienti aerodinamici in seguito riportati.
Iniziamo il test aerodinamico
Per prima cosa abbiamo dovuto preparare il modellino, fissandolo al basamento in alluminio.
A sua volta abbiamo collegato il basamento alla bilancia di pressione dotata di 7 celle di carico estensimetriche. Questa è in grado di misurare le tre componenti di forza lungo gli assi x, y, z e i corrispondenti momenti, secondo il sistema di riferimento qui riportato.
La temperatura del flusso d’aria durante la prova era di 18 °C, con circa una densità di 1.192 kg/m3. Abbiamo poi raccolto i dati dinamici per due velocità differenti, 20 e 30 m/s.
Nota la forza lungo x, la pressione dinamica (funzione della densità e della velocità) e la superficie del modellino (misurando l’area frontale) , è stato possibile ricavare il coefficiente di resistenza cx. In entrambi i casi, ossia per le due velocità, abbiamo misurato cx elevati, 0.709 nel primo e 0.669 nel secondo.
Condizioni di questo tipo sono indubbiamente date dal fatto che il modellino non era provvisto di finestrini! Così facendo abbiamo simulato la condizione in cui si tengono abbassati i finestrini mentre si è in autostrada, o comunque a velocità sostenuta.
D’altra parte nemmeno il fondo era ottimizzato, presentando particolari avvallamenti e discontinuità superficiali.
A questo punto si è deciso di ripetere il test aerodinamico eseguendolo però su una nostra versione custom, dotata di un fondo più regolare e di finestrini chiusi (la chiusura si è ottenuta grazie ad un sofisticato materiale, noto come scotch).
I risultati ottenuti con questa nuova versione sono senza dubbio positivi. Il coefficiente di resistenza è stato abbattuto del 15-20% grazie soprattutto alla chiusura dei finestrini. Il nuovo fondo probabilmente ha inciso in minima parte data la scarsa iterazione tra flusso e fondo vettura stesso a causa della ravvicinata presenza del basamento.
Per completezza di trattazione vengono mostrati tutti i dati forniti dalla bilancia di pressione durante i test.
Osservazione conclusive
Considerando le condizioni di lavoro, possiamo soltanto ritenere questi dati puramente indicativi. Infatti non fanno riferimento esclusivamente al modellino di Porsche, ma tengono anche conto della presenza del basamento.
Per questa ragione, prima della nostra prova, era stata valutata l’aerodinamica del solo basamento, ottenendo circa cx = 0.2. Pertanto, in primissima approssimazione, possiamo vedere il test aerodinamico come se fosse un problema lineare. Sostanzialmente trattiamo linearmente i coefficienti di resistenza, sottraendo il cx di “taratura” da quello misurato sperimentalmente con il modello di 996.
In questo modo otteniamo dei valori prossimi a quelli delle reali (cx ≈ 0.4, considerando che Tesla Model S, una tra le migliori, ha un cx di 0.24), ma si tratta di un’approssimazione troppo forzata e sicuramente non veritiera: di fatto conviene limitarci ad evidenziare le differenze ottenute tra il modello base e quello “modificato”.
Infatti nemmeno le forze in gioco sono particolarmente significative dato che, come già detto in precedenza, non è stata rispettata la similarità dinamica.
In ogni caso si vuole ricordare che il test non aveva alcun tipo di scopo di ricerca, ma fornire e permettere soltanto un primo approccio alla galleria del vento.
Nel suo complesso l’attività è risultata positiva; d’altra parte, chi non vorrebbe portarsi a casa un selfie dentro la galleria del vento?
