Aerodinamica: gli sviluppi più recenti

La teoria dell’aerodinamica applicata ai veicoli è stata ereditata a metà degli anni ’60 dall’industria aeronautica, sfruttando inizialmente il concetto di profilo alare rovesciato per generare deportanza, cioè una forza verticale diretta verso il basso, con il fine di ridurre l’instabilità generata alle alte velocità.

Successivamente, si è affacciato anche il concetto di riduzione della resistenza all’avanzamento, per molti anni sfruttato soltanto per scopi puramente prestazionali, al fine di aumentare la velocità massima nei tratti rettilinei.

Con la diffusione degli studi di ottimizzazione aerodinamiche nelle vetture di serie, a partire dagli anni ‘90 il concetto di drag aerodinamico è diventato sempre più importante, estendendo la sua applicazione non solo per massimizzare le prestazioni ma anche per la riduzione dei consumi.

Oggi, a causa dell’enorme sensibilizzazione sui temi energetici a cui stiamo assistendo, si è tornati a parlare in modo preponderante, anche sui cataloghi delle vetture, di “Cx”, il coefficiente di resistenza aerodinamica, e di efficienza aerodinamica, cioè il rapporto tra deportanza e resistenza aerodinamica.

I più recenti software CFD, abbinati all’utilizzo della galleria del vento, consentono uno sviluppo puntuale nelle aree critiche, migliorando l’efficienza complessiva del veicolo, cioè il rapporto tra la deportanza generata e la resistenza all’avanzamento, riuscendo ad ottenere coefficienti di Cx estremamente bassi, prossimi a 0.2, valori impensabili fino pochi anni fa.

La cura dei dettagli e uno studio aerodinamico approfondito e mirato di tutte le aree permette alla nuova Mercedes Classe A Sedan di essere definita come l’auto di serie più aerodinamica al mondo, grazie a un Cx di soli 0.22 abbinato a una superficie frontale di 2.19 m2

 

Anche la qualità costruttiva e l’attenzione ai dettagli possono contribuire in modo significativo a ridurre la resistenza aerodinamica: parliamo per esempio delle guarnizioni delle portiere, dei gap tra le pannellature, della profilatura delle parti mobili, del posizionamento dei tergicristalli e molto altro.

Si sfruttano sempre meno i profili alari, ingombranti e poco “digeribili” dalla matita dei designer, preferendo invece l’ottimizzazione dei flussi dell’aria nel sottoscocca e attorno alle aree più sensibili.

Nuovi importanti sviluppi sono resi possibili sulle auto con motorizzazione 100% elettrica, con le quali i progettisti hanno molta più libertà nello studio delle forme e dei passaggi dell’aria, non più vincolati dagli ingombri e dalle necessità di raffreddamento del motore endotermico.

Un dettaglio importante sono gli specchietti esterni, fonte macroscopica di generazione di turbolenza, perché posizionati fuori dalla sagoma della vettura, fattore che aumenta tra l’altro l’area frontale (termine che rientra nell’equazione del drag). Nonostante la tecnologia sia pronta e consolidata, l’utilizzo di telecamere al posto dei tradizionali specchi (mirror cam), soluzione che consentirebbe una riduzione drastica delle dimensioni del supporto, è ancora poco diffusa. Il motivo non è soltanto economico, ma anche legislativo: nonostante Europa e Giappone abbiano già dato il via libera alla commercializzazione di auto mirrorless, gli USA aspettano il benestare della NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration), che ha da poco aperto un’indagine per testarne la sicurezza, prima di consentirne la vendita. Nell’immagine, la BMW i8 Coupé mirrorless.

 

STRATO LIMITE E GENERATORI DI VORTICE

Lo strato limite è una regione, di piccolissimo spessore, in cui i gradienti di velocità dell’aria sono molto elevati e le azioni viscose non sono più trascurabili. Ne abbiamo parlato qui (https://www.autotecnica.org/aerodinamica-dei-veicoli-terrestri-prima-parte/)

Si nota come lo spessore dello strato limite aumenti man mano che ci si allontana dalla parte anteriore della vettura. A 100 km/h si passa da uno spessore di pochi millimetri all’anteriore fino ad arrivare a parecchi centimetri al posteriore.

Se l’incremento di spessore dello strato limite avviene in maniera troppo brusca, è possibile che si verifichi un distacco della vena fluida, cioè il flusso non rimane più adiacente alla superficie.

Il distacco della vena fluida viene ricercato dai progettisti, che volutamente rendono la parte posteriore dell’auto spigolosa, tramite un piccolo nolder, in modo da provocare in maniera repentina il distacco della vena fluida.

Si anticipa distacco per evitare che l’aria acquisti velocità sul bordo e di conseguenza subisca una forte depressione che causa una penalizzante resistenza all’avanzamento.

Questi accorgimenti sono presenti in molte auto, sul montante dietro ai finestrini posteriori oppure nella parte finale del bagagliaio. Si tratta di piccole appendici che terminano con spigoli vivi, spesso sapientemente integrate e nascoste dall’armonia del design dell’auto.

Lo strato limite può essere laminare o turbolento. Generalmente nella parte frontale del corpo vettura si verifica uno strato limite laminare, che poi gradualmente diventa turbolento. La regione nella quale si verifica questo cambiamento è detta regione di transizione. Lo strato limite turbolento, a causa delle componenti di velocità in continuo cambiamento, è ovviamente più spesso e produce maggiore resistenza all’avanzamento.

In alcune zone del veicolo si cerca invece 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, 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. Una zona dove comunemente si possono trovare i generatori di vortice è il sottoscocca, quando esso viene pannellato.

L’Audi e-Tron utilizza, nella pannellatura del sottoscocca, piccoli incassi che agiscono da generatori di vortice, con il fine di ritardare il distacco della vena fluida.

 

Il corretto dimensionamento dei generatori di vortice è fondamentale, per evitare che il vantaggio generato del ritardo di distacco della vena fluida venga vanificato dalla resistenza stessa dei generatori.

 


SOTTOSCOCCA E DIFFUSORE

Il sottoscocca è disturbato dalla presenza di molti elementi, come il sistema di scarico, le sospensioni, la trasmissione, il serbatoio, che causano 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.

La pannellatura del sottoscocca, totale o parziale, è un metodo molto efficace per ridurre drasticamente la resistenza aerodinamica nella zona inferiore della vettura, migliorando quindi consumi ed emissioni.

Oggi la pannellatura si utilizza sempre di più e non è più una prerogativa delle vetture sportive, ma si trova anche nei segmenti medi, dove è sempre più alta l’attenzione alla riduzione della resistenza aerodinamica.

Un’attenta pannellatura del sottoscocca, che copre tutti gli elementi solitamente esposti al flusso d’aria libero e che include anche elementi aerodinamici, come i generatori di vortice, spoiler e condotti di raffreddamento. (Audi e-tron 55 quattro)

 

La modellazione del fondo piatto permette inoltre di avere altri 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.

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 e 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.

La bassa pressione presente nella gola e nel diffusore tende però a richiamare aria dai lati e per ovviare a questo fenomeno si utilizzano paratie laterali, dette comunemente ‘minigonne’, in grado di limitare il trafilamento dell’aria, che disturba l’andamento di pressione del sottoscocca.

 


TURBOLENZA DELLE RUOTE

Oltre al sottoscocca e alla zona immediatamente dietro al corpo vettura (come detto interessata dalla doppia interazione tra spoiler e diffusore), esistono delle aree della vettura particolarmente sensibili al bilanciamento aerodinamico complessivo del veicolo.

Si tratta delle zone influenzate dalla rotazione degli pneumatici, che generano turbolenze molto elevate e che, oltre all’aumento di resistenza aerodinamica, creano un enorme disturbo dell’aria nelle zone adiacenti e retrostanti, come le due fiancate.

Il transfer tecnologico dal mondo delle competizioni, dove i concetti aerodinamici vengono estremizzati, verso le auto di serie, è oggi più che mai elevato.

Gli sviluppi effettuati in ambito motorsport (soprattutto nelle vetture formula) hanno dimostrato come uno studio approfondito di queste zone può portare a notevoli benefici in termini di efficienza aerodinamica.

D’altronde, lo si era già intuito nei primi anni ’80, quando alcuni designer azzardarono la copertura parziale dei vani delle ruote, ma tali tentativi furono ben presto abbandonati, perché ritenuti anti-estetici.

Oggi, si è ritornati a porre grande attenzione all’ottimizzazione di queste aree, ma in un modo meno invasivo per il design.

I più recenti paraurti anteriori, presentano infatti dei passaggi aria alle due estremità, che servono ad aumentare e migliorare il flusso che transita all’esterno delle ruote anteriori. In questo modo, si genera un migliore flusso, più pulito e più energizzato, attorno alle fiancate.

Il passaggio d’aria ricavato all’estremità del paraurti anteriore e le aperture attraverso l’archetto del passaruota permettono di migliorare il flusso che passa all’esterno della ruota, diminuendo la resistenza aerodinamica (Audi e-tron S Sportback)

 

E’ possibile inoltre convogliare questo flusso nella parte posteriore della vettura, verso le prese di alimentazione del motore o le prese di raffreddamento dei radiatori e dell’intercooler, nel caso in cui il propulsore sia montato dietro l’abitacolo.

Sempre per mitigare la forte turbolenza generata dal rotolamento delle ruote, si può deviare parte del flusso d’aria nella parte anteriore bassa, direttamente verso il battistrada degli pneumatici, creando una sorta di “cuscinetto” d’aria, il quale rende meno brusco l’impatto dell’aria che giunge frontalmente verso lo pneumatico.

Un altro importante accorgimento, è l’evacuazione dell’aria che si trova all’interno dei vani ruota: attraverso appropriati sfoghi, è possibile liberare l’aria dalla zona di “stagnazione”, che è causa di resistenza aerodinamica; un altro metodo, è quello di far arrivare l’aria dall’interno del vano, deviandola opportunamente dal sottoscocca, agevolando quindi la sua fuoriuscita.

 


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 può essere 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 comune 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 nella zona anteriore del veicolo, non passando attraverso al radiatore e al vano motore, e quindi diminuendo la resistenza aerodinamica.

 

Esempio di alette mobili in grado di chiudere il condotto di raffreddamento dei radiator anteriori, quando non rishiesto (Porsche 918 Spyder)

 

Altri sistemi invece possono gestire gli spoiler o il diffusore, variando le geometrie secondo algoritmi preimpostati, in base a velocità e a accelerazioni giroscopiche, coaudiuvando l’handling della vettura in ogni condizione dinamica.

La logica è quella di ridurre al minimo la resistenza aerodinamica in marcia costante e rettilinea, per poi aumentare il carico aerodinamico in frenata e in curva, esattamente come avviene con il DRS (Drag Reduction System) in Formula 1.

 


IL VANTAGGIO DELLE AUTO ELETTRICHE

Nell’ultimo decennio le auto elettriche si sono introdotte sul mercato con numeri importanti, scatenando numerose discussioni tecniche sui vantaggi e gli svantaggi che offrono rispetto a quelle con motore tradizionale endotermico.

Esiste però un concetto che è incontrovertibile e che raramente viene menzionato: si tratta della grande libertà che una motorizzazione elettrica fornisce ai designer nella modellazione della carrozzeria.

Il powertrain elettrico è infatti decisamente più compatto rispetto a quello tradizionale, non necessita di prese d’aria, non richiede la collocazione remota di scambiatori di calore e non prevede l’installazione di una linea di scarico.

Il risultato è che si possono realizzare forme più rastremate sulle fiancate, cofani anteriori più bassi, oppure sagomare la parte inferiore in modo più accentuato, soprattutto nella parte del diffusore, che solitamente deve condividere il proprio spazio con le ingombranti pance dei silenziatori di scarico.

I minori vincoli progettuali permettono quindi ai designer di raggiungere valori di Cx molto ridotti, vicini a 0,2, a vantaggio dell’estensione dell’autonomia garantita dalle batterie.

 

Con le auto elettriche (nella foto la Tesla Model S), i progettisti hanno molta più libertà nello studio delle forme, non più vincolati dagli ingombri e dalle necessità di raffreddamento del motore endotermico.