Automotive Aerodynamics: Galleria del vento, effetto scia & Optimizing dell’anteriore

Nel precedente articolo della nuova rubrica centrata sull’aerodinamica dei veicoli, abbiamo trattato le leggi fisiche e i parametri fondamentali di analisi del problema in questione. In questo appuntamento, invece, analizzeremo la prima vera e pratica applicazione teorica alla realtà, parlando di effetti/fenomeni caratteristici. Da un punto di vista pratico ci sono numerose complessità da affrontare per ottimizzare la resa aerodinamica. Per lo studio aerodinamico del flusso che investe una particolare geometria avremo bisogno di potenti calcolatori in grado di risolvere le equazioni di bilancio della quantità di moto e della conservazione della massa (Navier-Stokes).

Queste equazioni regolano il moto dei fluidi e ne studiano il comportamento. La complessità è nota a tutti: Non esiste ad oggi una soluzione analitica ed esse comportano una delle questioni aperte del secolo.

Numero di Reynolds:

Innanzitutto dobbiamo mettere in relazione l’andamento dello strato limite con un parametro adimensionale che ne quantifica la consistenza: il numero di Reynolds.

Con ρ densità del flusso, V è la velocità, μ è la viscosità e L è la lunghezza caratteristica di riferimento del corpo investito da una corrente d’aria. Tanto più grande è il valore di questo parametro, tanto maggiore sarà l’effetto dovuto al campo di forze inerziali rispetto a quelle viscose. Inoltre, più è alto tal valore, più ci si troverà a lavorare in regime di moto turbolento: il passaggio è semplice, laminare, transizionale e turbolento.

I parametri adimensionali e le equazioni costitutive sono solo un supporto simulativo per lo sviluppo aerodinamico dei veicoli. Lo step finale passa per la costosissima galleria del vento.

In galleria del vento vengono effettuate attente analisi riguardanti i campi di pressione, temperatura, velocità e di forza che intercorrono nel tempo sulla superficie del corpo, oggetto di studio. Tali tecnologie si basano sul principio di reciprocità: Esso afferma che dal punto di vista dell’analisi del campo di varie grandezze costitutive il problema fisico, è indifferente muovere un corpo in un fluido (aria) o muovere il fluido stesso attorno ad un corpo (veicolo) fermo.

Come si procede?

Generalmente il modello in galleria riassume soltanto il 60% delle dimensioni reali: La dimensione influenza l’analisi, per via del diverso numero di Reynolds in gioco. Questo può essere risolto in parte grazie all’utilizzo di gallerie del vento pressurizzate al fine di aumentare la densità dell’aria e compensare la riduzione dimensionale del modello adottato.
Il prezzo, che si aggira attorno ai 50-100 milioni di euro, è giustificato dal fatto che il sistema, per lavorare, necessita di particolari vernici luminescenti e circa 5 MW di potenza elettrica per generare un flusso d’aria.

Effetto e influenza della scia:

 

Come si nota in gif, in corrispondenza della coda del veicolo si verificano perdite di energia in termini di velocità e pressione statica. Questo ci porta ben lontani dal principio di Bernoulli che risulta essere valido solo sotto particolari condizioni: assenza di fenomeni viscosi e fluido ideale. Nel caso reale questo non accade e la zona di forte turbolenza nella coda della vettura ne è un esempio lampante. Il distacco della vena fluida dalla superficie del corpo vettura è causato dalla perdita di energia cinetica del fluido. La causa? Il gradiente di pressione positivo che riduce la velocità e l’effetto della viscosità. Con la perdita di energia si descrive una zone a bassa velocità e bassa pressione (vedi gif).

La bassa pressione è la chiave dell’effetto scia. Un’auto a pochi metri da quella che la precede risulta essere letteralmente risucchiata per depressione in avanti. Inoltre, a parità di accelerazione del veicolo diminuiscono le forze di resistenza aerodinamica grazie a questo particolare tipo di fenomeno. Le forze aerodinamiche incrementano l’effetto deportante (e di conseguenza la stabilità del veicolo) in modo proporzionale alla velocità del veicolo nell’aria, senza ricorrere ad una sorta di appesantimento del posteriore che aumenterebbe massa, consumi e ridurrebbe l’handling del veicolo.

Vantaggi, quali?

Allo stesso modo l’effetto scia è influenzato dalla velocità e distanza del secondo veicolo rispetto al primo (che lo precede). Man mano che ci si allontana la pressione si ristabilisce al valore atmosferico, poiché siamo a distanza sufficientemente elevata dalla coda del veicolo. Mentre più è alta la velocità del primo veicolo, più sarà consistente l’effetto viscoso e la zona a bassa pressione nel retro vettura.

Ulteriori vantaggi dal punto di vista della resistenza aerodinamica sono legati al veicolo che precede. Sì, avete capito bene; persino il primo veicolo gode di vantaggi aerodinamici. Come è stato ribadito nella prima parte della rubrica, nella zona finale del corpo vettura si localizza una forte turbolenza (per via di un effetto viscoso via via più consistente). E infine, moti vorticosi che riducono l’aerodinamicità del veicolo: Penetrabilità del veicolo nell’aria.

Ponendo un’auto in scia relativamente alla prima che la precede, si osserva che viene leggermente ridotta la zona di turbolenza di cui si parlava prima. Questo perché ponendo un’auto in scia, si crea una sorta di allungamento/prolungamento del primo veicolo. Ciò ritarda il distacco della vena fluida e diminuisce la resistenza aerodinamica. Da prove sperimentali si è visto come la forma del posteriore influenzi la resistenza all’avanzamento molto più dell’anteriore. Ecco perché in alcune competizioni di fascia inferiore, kart o piccole monoposto dello stesso team/scuderia affrontano alcune parti di gara o qualifica, volutamente in scia: l’uno subito dietro l’altro.

Curiosità dal futuro:

Questo principio si lega alla guida autonoma, come? Si pensa a Tir e camion progettati in modo tale da creare un effetto scia molto consistente a valle del corpo vettura e di porre veicoli a guida autonoma a pochi metri di distanza. Il tutto comporterebbe riduzione di Drag, consumi e seppur in modo lieve, le emissioni.

Optimizing dell’anteriore:

Come ci ricorda l’Ingegner Paolo Massai: “l’aerodinamica comincia dal davanti, cioè da come la si tratta appena la si incontra”. Di fondamentale importanza è la progettazione dell’intera sezione frontale. L’anteriore quindi può essere trattato come un singolo blocco, posto ad una certa distanza da terra, in grado di parzializzare i flussi nel sottoscocca e sul cofano motore.
Vi sono molteplici deflessioni della vena fluida, in corrispondenza del muso frontale verso il cofano, tra il primo e il paraurti e tra cofano motore e parabrezza. Queste deflessioni senza opportuni accorgimenti di natura aerodinamica, comporterebbero accelerazioni delle linee fluide, con conseguente separazione dal corpo vettura.

Da qui nasce l’optimizing: Forme laterali più spigolose, o a più raccordi, oppure forme continue a raggio di curvatura elevati?

Come risolvere?

C’è da dire che curvature molto incisive porterebbero alla separazione abbastanza prematura in corrispondenza della superficie laterale del muso. Il tutto porterebbe ad un aumento complessivo della resistenza. Secondo i lavori di Hucho e Janssen (1972), forme laterali spigolose a più raccordi, vale a dire con piegature laterali in successione, approssimerebbero la seconda soluzione a raccordo esteso. Il vantaggio lo si ha nella funzionalità pratica ed estetica del veicolo. Alloggi per possibili prese d’aria per raffreddamento, linea estetica più accattivante e ulteriori funzioni legate alle esigenze del veicolo.

Ulteriori lavori furono svolti da G.W.Carr nel 1968, andando ad analizzare quelli che sono gli angoli ottimali. Si è notato come l’inclinazione del cofano motore rispetto all’orizzontale debba essere nell’intorno dei 10°. Superando, non di molto, tal valore non si sono registrati cali di efficienza aerodinamica.
L’aumento invece dell’angolo del parabrezza rispetto alla verticale rende una maggiore concavità nell’attacco tra cofano e parabrezza. La concavità porta ad un recupero della pressione: in lieve entità c’è una sorta di zona ad alta pressione per l’aria per via dell’ostacolo frontale presente. Come si nota nella figura in alto, questa zona può creare una bolla di separazione localizzata della vena fluida in corrispondenza dei tergicristalli (opportunamente integrati per tal motivo nell’intera linea del corpo vettura). L’angolo ottimale del parabrezza si aggira attorno ai 60-63°.

Per concludere:

Nell’ultima immagine c’è l’optimizing di una Volkswagen Passat del 1977. Lo studio è stato condotto sulla base dell’inserimento della maschera a raccordo aerodinamico. La resistenza si ridusse del 9%. Analoghi risultati sono stati ottenuti con la smussatura dello spigolo del cofano motore e l’introduzione di una griglia a monte della presa di ventilazione principale del veicolo.