Aerodinamica: Evoluzione e fenomeni fisici

“L’aerodinamica è il risarcimento per chi non sa spremere cavalli dal motore” commentò una volta Enzo Ferrari. Mi sento di dissentire in quanto, oggi e non solo, l’aerodinamica rappresenta la tecnologia più efficiente per ottimizzare la resa dei veicoli sotto vari punti di vista. Consumi, riduzione della resistenza all’avanzamento (Drag), aumento della velocità massima, raffreddamento, aumento della stabilità in termini di deportanza: il tutto senza incidere pesantemente sui costi di progettazione.

La portanza è la forza verticale generata dal movimento dell’aria che tende a sollevare la vettura peggiorandone la tenuta di strada alle alte velocità. Si tende ad annullarla con un’opportuna configurazione aerodinamica e facendo anche ricorso ad appositi profili aggiunti alla carrozzeria (spoiler e alettoni) oltre che col fondo piatto.
La deportanza è il fenomeno opposto, cioè è la forza aerodinamica che spinge il veicolo verso il suolo aumentandone l’aderenza. Il carico verticale provocato dagli alettoni di una formula 1 alla massima velocità può equivalere al triplo del peso della vettura. L’alettone posteriore della “Posche turbo” consente alla velocità massima (circa 300 km/h) un carico aggiuntivo sull’asse motore di qualche chilo, in altri termini annulla la portanza.

Andiamo a capire meglio quali sono le forze aerodinamiche e per quale motivo assumono così tanta importanza nel mondo Automotive.

Portanza e Deportanza:

In figura c’è un classico profilo alare utile per spiegare i fenomeni aerodinamici. Distinguiamo portanza (Lift) e deportanza (Down force) come principali responsabili della stabilità di un veicolo. La portanza è quella forza aerodinamica globale espressa in direzione perpendicolare alla direzione del vento relativo (velocità in figura). Tale forza è responsabile, ad esempio, del decollo di un aeromobile. La particolare forma delle ali attaccate alla fusoliera di un aereomobile, nella configurazione di decollo, garantisce un maggior passaggio di aria al di sopra del profilo alare, piuttosto che al di sotto. Questo genera una forte depressione nella parte inferiore dell’ala stessa che, per azione-reazione, sviluppa una forza diretta verso l’alto che garantisce il decollo (per portanza). Nei veicoli tale forza peggiore la stabilità alle alte velocità, a fronte di una maggior velocità di punta (in generale).

La deportanza definisce il fenomeno opposto e nei veicoli rappresenta quella forza verticale che esercita, mediante gli pneumatici, maggior schiacciamento a terra. Come? Aumentando il carico che agisce in direzione verticale sugli stessi, l’aderenza aumenta proporzionalmente e questo ha garantito in Formula1, assieme a pneumatici più larghi, accelerazioni di spinta laterale G in curva di circa 5.5, 6 G: Mostruose se non si è allenati.

Cx: cos’è?

Il Cx è il coefficiente adimensionale usato per misurare la resistenza aerodinamica di un corpo in moto in un fluido (veicolo-aria). Esso contempla due contributi: resistenza aerodinamica/fluidodinamica, resistenza per attrito e di forma. Esso è un parametro adimensionale e include anche gli effetti di resistenza indotta e di onda (sviluppo di onde d’urto).

Dove D è la forza di resistenza aerodinamica (Drag in inglese), V la velocità del corpo rispetto alla velocità di flusso indisturbato ed S l’area della sezione di impatto aerodinamico.

Ciò che ci chiediamo è la correlazione tra deportanza e portanza e ancora tra deportanza e Cx, che misura la penetrabilità dell’aria nel veicolo. La deportanza essenzialmente serve ad attenuare la portanza, ma non è detto che sia indipendente dal Cx. Ci sono soluzioni aerodinamiche adottate nel campo pratico in grado di ridurre aumentare la down force senza incidere particolarmente sulla resistenza aerodinamica. Altre soluzioni, invece, perdono magari qualche punto a livello di coefficiente di resistenza aerodinamica per guadagnare in deportanza. Sono scelte finalizzate al tipo di prodotto che si vuol ottenere.

L’aerodinamica deportante ha un suo perché, basti guardare il grafico fornito dagli amici di Autosupermarket:

L’effetto deportante è proporzionale alla velocità: abbastanza trascurabile a velocità inferiori a 80 km/h e sostanziale alle velocità di punta. La deportanza delle Formula1 è in grado di esprimere un carico verticale circa tre volte il peso della monoposto stessa, a massima velocità.

Principio di Bernoulli:

Per comprendere i fenomeni aerodinamici bisogna introdurre uno dei più importanti principi della fluidodinamica: Il principio di Bernoulli.

Chiaramente per poter applicare un teorema, o principio che dir si voglia, c’è bisogno di definire le ipotesi di lavoro. Trascureremo l’effetto di comprimibilità dell’aria (sostanziali a velocità dell’aria superiori a 400 km/h), il termine dissipativo dell’energia per attrito viscoso e considereremo l’aria un fluido ideale.

Il fluido afferma che la somma di energia cinetica, di pressione e potenziale è costante lungo una linea di corrente (vena fluida del flusso d’aria che investe la vettura).

Consideriamo due punti a stessa quota Z1=Z2, l’energia potenziale è trascurabile e il tutto è pari ad una pressione di natura statica (atmosferica) e una di natura cinetica (proporzionale alla velocità). La pressione totale, quindi, dovrà mantenersi costante
Se andassimo a definire anche ρ = densità dell’aria, V= velocità del flusso d’aria (cioè quella del veicolo, in assenza di vento), P= pressione dell’aria. Considerando inoltre il principio di conservazione della portata volumetrica Q = A x V: con A l’area della sezione di passaggio del flusso d’aria e V la sua velocità.

Da quest’equazione si evince come un restringimento localizzato della sezione di passaggio porti ad un aumento della velocità del flusso, con conseguente diminuzione della pressione statica.

Portanza o deportanza?

Se considerassimo tutte le linee di corrente attorno al corpo vettura, il cui profilo geometrico può approssimarsi ad una superficie convessa (concavità nella coda vettura verso l’alto), si definisce un restringimento della sezione di passaggio. L’abbassamento della pressione statica crea un’area in depressione. Se l’area si trovasse al di sopra della vettura allora la forza aerodinamica sarebbe verso l’alto (portanza), caso contrario avremmo deportanza (verso il basso).
Se voleste approfondire l’applicazione e l’importanza del teorema di Bernoulli, ecco qui un mio articolo che cerca di chiarire questo aspetto: Clicca qui.

Coefficiente di pressione Cp:

Altro importante fattore di studio è il coefficiente di pressione Cp, il quale sintetizza l’andamento della pressione lungo il profilo del veicolo. Molto utile in fase di modellazione del veicolo per correggere eventuali buchi o sbalzi di pressione dovuti ad anomalie geometriche del corpo vettura.

• P= pressione statica punto in esame;
• P(monte)= pressione statica della corrente indisturbata a monte del punto in esame, cioè a distanze sufficientemente elevate dal punto considerato per il calcolo del Cp.

Per renderci conto del valore numerico di Cp: Si può notare una certa analogia nel calcolo della frazione di volume, il valore varierà, infatti, da 0 a 1.

Numericamente?

• 0: in qualsiasi punto del campo di moto sufficientemente lontano da non essere alterato dalla presenza del veicolo.
• 1: nei punti di flusso fermo, anche detti punti di stagnazione, ad esempio sulla superficie di impatto frontale dell’auto.
• Un valore di Cp compreso tra 0 e 1: indica un flusso di aria a velocità via via inferiore rispetto a quella di avanzamento del veicolo. Ciò definisce zone di sovrappressione, intese come zone in cui la pressione statica è maggiore di quella indisturbata a monte. Un esempio? La zona a culla tra cofano anteriore e parabrezza.
• Cp<0: definisce zone in cui la pressione statica è minore di quella a monte. Ad esempio nei punti di aggiramento del corpo vettura, laddove la curvatura del profilo definita dalla carrozzeria ha un basso raggio e si ha una forte accelerazione del flusso.

Questa considerazione fatta sul valore di Cp non vale nel momento in cui si parla di flusso in attraversamento dal radiatore. La velocità a monte e a valle dello stesso si mantiene costante. Il Cp non rimane costante, anzi decresce, per via di fenomeni di attrito viscoso che comporta un calo di pressione (perdita di carico).

Strato limite: causa-effetto

Lo strato limite è, per definizione, una regione di piccolo spessore in cui i gradienti delle grandezze fisiche sono molto elevati. In altre parole: Una regione in cui si registra una brusca variazione delle grandezze come velocità, concentrazione, temperatura. In tale zona non è più trascurabile l’effetto delle forze viscose che portano ad un profilo di velocità ben definito:

• velocità nulla a parete;
• velocità pari a quella di flusso indisturbato al di fuori della regione strato limite.

L’andamento della velocità, come mostrato in figura, non è lineare ma parabolico e dalla geometria analitica è intuitivo immaginare la correlazione velocità – distanza dalla parete.

Immaginando il corpo vettura come un insieme di lamine piane di spessore infinitamente piccolo, possiamo dire che tale regione aumenterà di consistenza (δ spessore) all’aumentare della distanza percorsa lungo la lamina.

Maggiore è tale spessore, maggiore sarà la resistenza alla penetrabilità dell’aria per effetto delle forze viscose. La figura schematizza l’effetto a 100 km/h mostrando come il Cx (coefficiente di prestazione aerodinamico) peggiori maggiormente nella coda del veicolo.

Quanto incide sull’efficienza aerodinamica?

Lo strato limite è definito anche dal regime di moto del fluido e può passare da laminare (basso valore del numero di Reynolds) e turbolento (alti valori). Il passaggio avviene tra l’anteriore e la coda del corpo vettura. Il trucco (aerodinamicamente parlando) è posticipare il fenomeno del distacco della vena fluida verso una zona più arretrata possibile del corpo vettura. Come? Semplicemente forzando il passaggio da s.l. laminare a turbolento con opportuni accorgimenti che studieremo in seguito. Uno strato più turbolento definisce un maggiore livello energetico per il flusso che diviene, così facendo, meno incline al distacco della vena fluida.

In realtà la progettazione aerodinamica non è così immediata: il passaggio deve essere ottenuto in una zona ben precisa per evitare il distacco graduale della vena fluida. Si adottano dei Vortex Generators a tale scopo.

Che problemi potrebbe dare un distacco a valle del cofano posteriore?

Il passaggio, generalmente, deve essere ottenuto in prossimità della zona superiore dello spigolo del cofano posteriore per ottimizzare l’effetto di penetrabilità. Ciò si ottiene con un spoiler posizionato in tale zona: il distacco così facendo è ottenuto in modo repentino. L’immagine di sopra illustra in modo efficace come la presenza di spoiler riduca l’effetto drag e la consistenza dei vortici.
Questi ultimi portano l’aria a valle del corpo vettura a creare zone a forte depressione che creano notevole resistenza all’allontanamento dell’aria che ha appena investito la vettura, in parole povere: penetrabilità del veicolo stesso nell’aria.

Se il distacco avvenisse in prossimità dello spigolo del cofano o montante posteriore si avrebbe un effetto dannoso. L’aria, come detto prima, acquisterebbe notevole velocità scavalcando lo spigolo del corpo vettura sul posteriore. L’alta velocità crea l’effetto di depressione e la differenza di pressione a monte e a valle della zona in questione crea resistenza aerodinamica di base.

Lo spoiler non fa altro che anticipare l’effetto di distacco della vena fluida.

Prossimamente:

Nel prossimo appuntamento tratterò l’effetto scia, l’influenza del muso frontale e ottimizzazione, l’importanza del parametro adimensionale Reynolds, gallerie del vento e tanto altro ancora.