Terza e ultima parte del nostro approfondimento sull’aerodinamica dei veicoli, in cui parliamo dell’interazione dell’aria con la carrozzeria, dell’andamento dei flussi nel sottoscocca, del funzionamento di spoiler e splitter… e molto altro.
Nell’ipotesi di fluido aderente alla superficie e quindi utilizzando l’equazione di Bernoulli, si può assumere che quando il flusso d’aria incontra una superficie concava esso rallenta e la sua pressione aumenta, mentre con una superficie convessa accade l’opposto, con la diminuzione di pressione e l’aumento di velocità.
Fatta questa premessa, si può ipotizzare in maniera generalizzata quale possa essere l’andamento della distribuzione di pressione lungo la carrozzeria di un’automobile.
All’anteriore, sul paraurti o sul cofano, vi è un punto di stagnazione in cui il coefficiente di pressione Cp (la cui definizione è stata descritta nella Parte 1 dell’articolo) raggiunge il valore 1. Successivamente il fluido accelera sopra il cofano anteriore e il Cp diventa negativo, visto che questa superficie è generalmente convessa. All’imbocco del parabrezza, l’aria rallenta nuovamente e la pressione aumenta. Il flusso accelera nuovamente sul tetto del veicolo (convesso) dove si osserva la pressione più bassa.
Lungo la parte posteriore della vettura tutta la sequenza viene invertita, ovviamente con qualche differenza, a causa della differente forma. Si nota però che al posteriore del veicolo, sia sulla superficie superiore che su quella inferiore non si raggiunge il valore di Cp pari a 1, come ci si aspetterebbe nel caso di fluido aderente.
Ciò è dovuto alla separazione della vena fluida, causata dallo sfavorevole e brusco gradiente di pressione; si formerà pertanto una zona di forte turbolenza appena dietro alla vettura, caratterizzata da una pressione inferiore a quella che regna sulle superfici anteriori del veicolo, a causa degli effetti viscosi generati dal disturbo dell’aria.
Come risultato finale di quest’ultimo effetto, si genererà una forte componente di resistenza o drag, chiamata resistenza di forma, che costituisce la resistenza più penalizzante per un autoveicolo alle alte velocità.
Per quanto riguarda la distanza dal suolo del corpo vettura, è dimostrato che tale distanza abbia una forte influenza sui coefficienti aerodinamici del veicolo. In particolare in un veicolo a ruote coperte, con un sottoscocca particolarmente liscio, la resistenza (drag) e la portanza (lift) decrescono al diminuire della distanza dal suolo.
La diminuzione del lift è imputabile all’incremento della velocità del flusso sotto la vettura, al diminuire della distanza dal suolo (e quindi della sezione di passaggio), che porta ad una diminuzione di pressione nel sottoscocca.
La riduzione di drag invece è imputabile a due effetti: il primo è la riduzione della zona di turbolenza al posteriore della vettura, a causa nuovamente dell’elevata velocità del flusso che proviene da sotto il veicolo che si indirizza nella zona di separazione del flusso, riducendola; il secondo è la riduzione della sezione frontale delle ruote, che vengono coperte dal corpo vettura quando questo si abbassa.
Cioè significa che una vettura avente una ridotta altezza da terra, sarà caratterizzata da una bassa resistenza aerodinamica (minori consumi) e allo stesso tempo sarà più stabile alle alte velocità, essendo meno interessata dal fenomeno della portanza, che tende a sollevare il veicolo e quindi a diminuirne l’aderenza delle ruote.
AERODINAMICA DEL SOTTOSCOCCA
Tutte le vetture, per definizione, operano in ‘effetto suolo’: ciò significa che c’è un’interferenza tra l’auto e il terreno causata dal flusso d’aria che passa al di sotto della scocca. Questo effetto può essere benefico oppure no, a seconda della conformazione della vettura.
Un sottoscocca tipico di una vettura stradale è disturbato dalla presenza di molti elementi quali il sistema di scarico, le sospensioni, la trasmissione, il serbatoio ecc., e questo causa un forte incremento di drag e la possibilità che si crei un lift positivo, effetti che si accentuano al crescere della quantità d’aria che transita al di sotto della vettura.
Più il veicolo è basso e vicino al suolo e più questi effetti non possono essere trascurati e quindi l’aerodinamica del sottoscocca deve essere studiata e sfruttata al meglio per migliorare l’handling della vettura alle alte velocità.
La soluzione più corretta e raffinata è quella di adottare un sottoscocca piatto, che riduce drasticamente il drag prodotto ed aumenta la velocità del flusso d’aria tra l’auto ed il terreno.
La modellazione del fondo piatto permette poi di avere dei benefici, come la possibilità di creare una zona a bassa pressione che generi deportanza.
Vista la grande superficie del fondo, anche un piccolo decremento di pressione può generare una grande forza attrattiva verso il basso.
Un modo per massimizzare la depressione è quello di creare un tubo Venturi, nel gap tra il terreno e il fondo piatto.
Inizialmente viene ristretta la sezione, aumentando così la velocità del flusso e diminuendo la sua pressione, successivamente è necessario rallentare il fluido alla velocità del flusso libero, ma in maniera graduale e controllata in modo che non si verifichi il distacco di vena. Quest’ultimo compito è svolto dal diffusore, che ha quindi la funzione di recuperare l’energia cinetica nel modo più efficiente possibile.
La deportanza è quindi generata dalla zona di gola, dove il flusso ha un’alta velocità ed una bassa pressione; più è grande la zona di gola e più elevata sarà la deportanza. Anche il diffusore crea una certa percentuale di deportanza, essendo la pressione media del fluido che transita nel diffusore più bassa di quella ambiente.
Stabilire con certezza quale sia la migliore altezza dal suolo a livello aerodinamico non è possibile. Seguendo il principio di Bernoulli sembrerebbe che più ci si avvicina al terreno, più la deportanza generata aumenti, visto che si incrementa la velocità del fluido nella sezione ristretta.
Ma i dati sperimentali dimostrano come se si va al di sotto di un certo valore di altezza da terra (come valore indicativo i 40mm), le forze viscose di attrito diventino predominanti, diminuendo la deportanza generata; questa diminuzione può essere accentuata anche da un possibile distacco di vena nel passaggio del fluido sul diffusore, a causa di un gradiente di pressione negativo (cioè da bassa pressione ad alta pressione) troppo brusco.
Ricapitolando, mentre inizialmente diminuendo la distanza dal terreno si ha un benefico incremento della deportanza, un gap troppo piccolo porta ad una sua riduzione, a causa degli effetti viscosi.
Si nota infine come al diminuire della distanza dal suolo, la zona con la pressione più bassa si sposti verso l’asse posteriore, per cui se l’elevato carico aerodinamico porta ad uno schiacciamento della cassa della vettura, è possibile che il bilanciamento della macchina cambi, portando più grip al retrotreno, generando così sottosterzo alle elevate velocità.
L’angolo del diffusore gioca un ruolo importante nel prevenire il distacco della vena fluida: se da una parte si tende ad avere angoli elevati per avere diffusori corti ed aumentare così la lunghezza della gola del tubo Venturi (la zona a sezione ristretta) dove si ha minore pressione, dall’altra occorre che il diffusore abbia angoli bassi, per far aumentare in maniera graduale la pressione.
La presenza di uno spoiler o di un’ala nella zona di uscita del fluido può interagire in maniera significativa con il fluido in uscita dal sottoscocca, riducendo il rischio di distacco della vena e consentendo così diffusori più corti ed angolati, che riportano rapidamente la pressione ai valori del flusso libero.
Un discorso simile può essere fatto per l’angolo d’ingresso della sezione ristretta, per il quale si tenderebbe ad assumere valori elevati, per aumentare così la lunghezza della zona a bassa pressione. Valori troppo elevati fanno però crescere le forze viscose, che non permettono di accelerare il flusso alla velocità teorica.
A causa però del gradiente di pressione favorevole, l’angolo dell’ingresso della gola può spingersi fino a circa 20 gradi, mentre invece il diffusore, che accusa un gradiente di pressione inverso, per i problemi sopra citati in genere non va in genere oltre i 5-10 gradi circa.
Tutto quanto detto vale in assenza di interazioni con altri componenti della vettura, considerando il fondo piatto come un corpo a se stante che viaggia in un flusso indisturbato e mantenendo costante la massa d’aria. Quest’ultima ipotesi è la più penalizzante, infatti in una vettura normale, la bassa pressione presente nella gola e nel diffusore, tende a richiamare altra aria dai lati.
Per ovviare a questo fenomeno si possono utilizzare delle paratie laterali, dette comunemente ‘minigonne’, in grado di limitare il trafilamento dell’aria, che disturba l’andamento di pressione del sottoscocca.
SPOILER ANTERIORE
Nella sua forma più semplice uno spoiler anteriore, chiamato in inglese ‘Airdam’, estende inferiormente la scocca della vettura per ridurre la distanza dal suolo.
Le prove sperimentali portano ad assumere che all’aumentare dell’altezza dello spoiler vi sia un aumento della deportanza anteriore ed una sensibile diminuzione della resistenza (drag), portando quindi un miglioramento all’efficienza aerodinamica complessiva anteriore.
Più in particolare si nota come meno aria passi al di sotto della vettura, creando un’estesa zona di ricircolo, mentre più aria sia spinta attorno ai lati e sul cofano, a causa del fatto che il punto di stagnazione è più in basso rispetto al caso in cui lo spoiler sia assente.
Osservando le prove eseguite con il CFD (Computational Fluid Dynamics), si nota come lo spoiler crei un piccolo incremento di lift (portanza) sopra il cofano, per la maggiore velocità dell’aria in questa zona, ma un forte decremento di pressione appena al di sotto il muso della vettura, che porta complessivamente ad un aumento della deportanza. Questo decremento di pressione al di sotto della vettura non è da ricercarsi nella equazione di Bernoulli, infatti la minore velocità del fluido farebbe presupporre il contrario, bensì in una perdita di pressione a causa delle perdite di tipo viscoso che l’aria accusa a causa della zona di ricircolo.
Per quanto riguarda l’andamento del coefficiente di pressione con componente orizzontale (CpX) si nota un aumento di drag generato dallo spoiler stesso (parte rossa), ma complessivamente si ha una sua riduzione a causa della parte anteriore del cofano, dove si nota una zona molto estesa interessata da una diminuzione del coefficiente di pressione.
Ciò è dovuto ad una maggiore velocità del flusso attorno al cofano e quindi ad una sua minore pressione. La diminuzione di resistenza è inoltre accentuata dalla maggiore copertura delle ruote da parte della scocca.
Un’ulteriore diminuzione di drag può infine pervenire se l’auto non prevede un fondo piatto: in questo caso, il minore quantitativo di aria che scorre al di sotto della vettura, grazie allo spoiler, causerà perdite minori, e quindi minori resistenze, quando incontra le varie discontinuità non coperte come le parti del telaio, l’impianto di scarico, il motore ecc.
SPLITTER ANTERIORE
Lo splitter è un’estensione orizzontale del labbro inferiore dello spoiler e costituisce un dispositivo aerodinamico molto efficiente.
Assieme ad un aumento consistente di deportanza all’anteriore, provoca una sostanziale invarianza di drag generato, vista la piccolissima sezione frontale che questo dispositivo possiede.
La deportanza generata aumenta all’aumentare della lunghezza dello splitter (ovvero la sua estensione nella direzione dell’avanzamento della vettura), fino ad un certo valore, oltre il quale non si ha più alcun aumento.
Lo splitter funziona perché concentra una zona di alta pressione appena al di sopra di esso (dove si congiunge con lo spoiler) e crea contemporaneamente una zona di depressione molto marcata immediatamente al di sotto, con il risultato complessivo di un forte incremento di deportanza all’asse anteriore.
Oltre che sulle auto da corsa (quando permesso dai regolamenti), è utilizzato soprattutto sulle vetture super sportive, visto che il suo impatto visivo è piuttosto marcato e da un’impostazione tipicamente corsaiola all’auto.
SPOILER POSTERIORE
E’ fondamentale che la vettura abbia un perfetto bilanciamento aerodinamico: se infatti si aggiungono i dispositivi appena descritti , si avrà un migliore grip all’anteriore alle elevate velocità ed è pertanto necessario qualcosa al posteriore che bilanci tale scompenso.
Uno spoiler posteriore è il modo più semplice per ottenere questo effetto.
Gli spoiler posteriori possono avere innumerevoli forme ed essere realizzati tramite una semplice paratia inclinata (come quella descritta in questo articolo), oppure da un’appendice tridimensionale più complessa, opportunamente sagomata per renderla armonica con il resto della linea della vettura.
L’inclinazione e la lunghezza dello spoiler sono i parametri determinanti per il progettista, in quanto influenzano l’incremento di drag e di downforce (deportanza).
In linea di massima, l’aumento della lunghezza dello spoiler o del suo angolo causano un incremento più o meno lineare della deportanza e contemporaneamente del drag.
L’efficienza aumenta però all’aumentare solamente dell’angolo della paratia.
Un buon compromesso è quello di avere quindi uno spoiler con un angolo molto elevato, ad esempio 60 gradi rispetto all’asse orizzontale del veicolo, ma avente una moderata lunghezza.
Osservando gli studi in CFD, si nota un sostanziale incremento della pressione statica in una zona molto estesa sopra la coda della vettura, nonché una chiara riduzione di pressione al di sotto della vettura.
Lo spoiler infatti deflette il flusso d’aria, fornendogli una forte componente verticale e allo stesso tempo lo rallenta. Questi effetti portano ad un aumento complessivo della deportanza posteriore.
Purtroppo, la diminuzione di pressione interessa anche la zona dietro al corpo vettura, portando ad un aumento considerevole di drag, cioè di resistenza all’avanzamento. Si incrementa dunque la zona di bassa pressione che regna nella zona d’aria dietro l’auto.
Infine, il decremento di pressione sotto la scocca porterà ad un più elevato flusso d’aria che porterà ad un ulteriore aumento di drag, se la vettura non presenta un fondo piatto.
In conclusione l’effetto di uno spoiler posteriore è generalmente quello di dare maggiore stabilità alle ruote posteriori alle alte velocità, ma allo stesso tempo aumentano i consumi e diminuisce la velocità massima del veicolo, in quanto aumentano in maniera sensibile le forze resistenti.
E’ doveroso ricordare che in alcuni casi un piccolo spoiler avente un ridotto angolo di inclinazione rispetto all’orizzontale, può addirittura ridurre il drag complessivo della vettura; accade infatti che, in assenza dello spoiler, il distacco della vena dalla superficie avvenga dopo che il flusso ha aggirato lo spigolo del cofano posteriore: se ciò accade, l’aria acquista notevole velocità sul bordo del cofano e di conseguenza subisce una forte depressione che causa un penalizzante drag.
L’utilizzo di un piccolo spoiler, anticipando il distacco della vena fluida, evita questo inconveniente.
COME RIDURRE IL CX
Per una vettura di grande produzione, uno degli obiettivi primari in fase di progettazione e sviluppo è la riduzione dei consumi e quindi delle emissioni.
Mentre per le basse velocità la resistenza al rotolamento degli pneumatici (rolling resistance) è in pratica l’unica responsabile della resistenza al moto del veicolo, a partire da circa 80 km/h la forza aerodinamica longitudinale non è più trascurabile e diventa fondamentale per velocità autostradali.
Ricordiamo che la resistenza aerodinamica (drag) è espressa in Newton ed è misurabile tramite la semplice formula:
dove ρ è la densità del fluido che investe il profilo (l’aria ha una densità pari a 1,22 kg/m^3), A è la superficie investita dal fluido (o area frontale, cioè quella che si intravede osservando l’auto frontalmente), V la velocità del veicolo e Cx è il coefficiente di resistenza (detto anche Cd, coefficiente di drag).
Analizzando la formula si nota che la forza resistente cresce in modo esponenziale con la velocità e che il Cx non è l’unica variabile, infatti anche l’area frontale, e quindi la compattezza del veicolo, è importante se si vogliono contenere i consumi.
Per ridurre il valore di Cx, oltre alla scelta del design, che dovrà essere lineare ed affusolato per evitare distacchi di vena fluida, gli accorgimenti più utilizzati sulle vetture moderne sono:
1) una pannellatura più ampia possibile nel sottoscocca, che copre i componenti come il motore, i bracci delle sospensioni e i componenti del sistema di scarico.
2) la regolarizzazione del flusso intorno alle ruote, che sono una fonte di turbolenza molto importante, essendo organi in movimento. Per fare ciò si adottano degli sfoghi di aria ricavati nel passaruota, un design chiuso del cerchio e deviatori di flusso a monte della ruota.
3) un distacco imposto della vena fluida all’estremità posteriore, il quale, come indicato nel paragrafo precedente, evita che il flusso aggiri lo spigolo e generi drag.
4) l’utilizzo dell’aerodinamica attiva per chiudere le prese d’aria di raffreddamento del motore quando non necessario.
Se negli anni ’90 un buon coefficiente di Cx era attorno a 0,3 ÷ 0.35, oggi si scende abbondantemente al di sotto di 0,3, arrivando al record mondiale di Mercedes CLA (2013) che, con la versione 180 BlueEFFICIENCY, segna l’incredibile valore di 0,22.
GENERATORI DI VORTICE
In alcune zone del veicolo si cerca di evitare il distacco di vena fluida, posticipando l’apparizione del fenomeno verso una zona più arretrata della sagoma.
Ad esempio a monte del lunotto posteriore l’effetto del distacco della vena è da evitare, in quanto non solo è prematuro ed aumenterebbe la resistenza complessiva del veicolo, ma renderebbe privo di energia il flusso che investe un’ipotetico profilo alare presente sul cofano posteriore, andando praticamente a vanificare il suo effetto deportante.
Per evitare il distacco, una soluzione molto efficace è l’utilizzo di generatori di vortice (o vortex generators).
Si tratta di piccoli ostacoli, posti sulla superficie del corpo vettura, i quali provocano un minuscolo “rimescolamento” dell’aria, re-energizzando lo strato limite che, diventando di tipo turbolento e non più laminare, resiste al distacco.
La prima auto stradale che ha adottato questo tipo di soluzione fu la Mitsubishi Lancer Evo IX nel 2005, che presentava i generatori sulla parte posteriore del tetto.
Il corretto dimensionamento di tali appendici è fondamentale per evitare che il vantaggio generato del ritardo di distacco della vena fluida venga vanificato dalla resistenza stessa dei generatori.
AERODINAMICA ATTIVA
Si parla di aerodinamica attiva quando un veicolo può variare le caratteristiche di forma di un componente aerodinamico, al fine di migliorare le prestazioni o ridurre i consumi.
Tale variazione di forma è in genere automatica (in relazione a determinati parametri impostati in fase di progetto ed interpretati dalla centralina) o semi-automatica (cioè comandata da un pulsante).
Grazie alla drastica riduzione di costi dell’automazione e al contemporaneo aumento dell’affidabilità dei componenti, tali sistemi stanno entrando in modo sempre più diffuso nel mondo delle auto, partendo dalle supercar, fino a spingersi ai segmenti intermedi.
L’esempio più diffuso è la gestione automatica dei condotti di raffreddamento del radiatore dell’aria, i quali, se non richiesto dall’elevata temperatura del motore, possono essere chiusi, rendendo più lineare il percorso dell’aria, che non passa attraverso al radiatore e al vano motore, quindi diminuendo la resistenza all’avanzamento dei veicolo.
Altri sistemi invece gestiscono gli spoiler, alzandoli e abbassandoli a seconda della velocità; nelle architetture elettroniche più complesse, essi possono variare non solo l’altezza ma anche l’inclinazione, in base a velocità e accelerazioni giroscopiche, quindi coaudiuvando l’handling della vettura in ogni condizione dinamica (come su Pagani Huayra o su Mclaren P1).
Quasi tutti i sistemi di aerodinamica attiva si basano su attuatori pneumatici o idraulici, comandati da elettrovalvole.
Le tre configurazioni dell’aerodinamica attiva della Porsche 918 Spyder, consentono di coprire un range molto ampio di possibili livelli di deportanza (downforce), con conseguente aumento della resistenza.
Fonti
McBeath, Competition Car Aerodynamics.
W.F. Milliken, D.L. Milliken, Race Car Vehicle Dynamics, SAE.
PARTE 1 (LA STORIA E I PRINCIPI DI BASE):
https://www.autotecnica.org/laerodinamica-dei-veicoli-parte-1/
PARTE 2 (PROFILI ALARI):
https://www.autotecnica.org/laerodinamica-dei-veicoli-parte-2/
