Vincere la resistenza aerodinamica. Risparmiare energia e proteggere l’ambiente, tramite la riduzione dei consumi e l’individuazione di nuove fonti energetiche, rappresentano oggi obiettivi prioritari per il settore automotive. Anche l’automobilista può svolgere un ruolo rilevante nel contenimento dei consumi: lo stile di guida in primis, il perfetto stato di manutenzione del motore e dei suoi sistemi di controllo, la buona condizione degli organi di trasmissione e lo stato dei pneumatici sono solo alcuni dei fattori principali. L’attuale crisi energetica ha spinto anche i costruttori a non tralasciare nessun dettaglio utile a diminuire i consumi di carburante e gli aspetti da tenere in considerazione, a riguardo, sono veramente numerosi, nonché spesso molto complessi. Tra questi, non per ultima, l’aerodinamica del veicolo: profilo frontale, altezza del veicolo e profilo posteriore sono fondamentali per raggiungere una bassa resistenza di penetrazione. Recenti studi hanno confermato che è possibile migliorare la resistenza anche ottimizzando i fenomeni di turbolenza che si generano in prossimità della coda. A questo proposito basti pensare che l’aerodinamica di una berlina è completamente differente da quella di una station che, a causa della sua forma più tozza e priva della conicità finale, da origine ad una più ampia zona di separazione del flusso in prossimità del posteriore, la dove l’aria sottostante alla vettura si ricongiunge con i flussi superiori, generando fenomeni di turbolenza di coda.
L’aerodinamica
Nello sviluppo delle caratteristiche aerodinamiche di un nuovo autoveicolo vi sono diversi obiettivi da non sottovalutare. In prima istanza bisogna rispettare le scelte fatte dal centro stile di riferimento al fine di ottenere la “linea” deliberata, secondo i criteri di design imposti dal marchio di appartenenza. Successivamente bisogna tener conto dei requisiti dimensionali in termini di ingombri esterni della vettura, dello spazio per i passeggeri e per i vani di carico, nonchè del bagagliaio.
Non sono da trascurare inoltre il vano motore ed i differenti sistemi meccanici, come sospensioni e trasmissione, scelti appositamente per ogni singolo veicolo, in base a i quali vengono disegnati i vari spoiler e ripari inferiori.
Definire un profilo aerodinamico ideale risulta pertanto un lavoro sempre molto complesso nell’impostazione di un’auto, ancor più al giorno d’oggi. Il design infatti sta assumendo più che mai un aspetto rilevante nella concezione di un nuovo prodotto: non basta che la vettura sia affidabile e solida ma deve anche assolutamente “apparire” ed “apparire bella”, un vero e proprio status symbol più che un sistema di trasporto. Da qui le continue sfide, in termini di design, tra le varie case automobilistiche spesso a discapito dell’aerodinamica ideale, tipica del settore aeronautico. Richiamando qualche nozione di base, la resistenza aerodinamica nell’avanzamento può essere espressa con la seguente formula:
D=r S V 2 CD
con: r = densità dell’aria
V = velocità di avanzamento
S = superficie frontale del veicolo
CD (opp. C x) = coefficiente di resistenza aerodinamica
Recentemente sono stati fatti numerosi passi avanti nell’analisi dei vari fattori che influenzano il CD grazie anche alle esperienze già maturate nell’ambiente aeronautico. Due elementi importanti sono il profilo frontale e il grado di conicità del suo retrotreno.
Naturalmente la forma del retrotreno influisce principalmente sulla dinamica dei flussi d’aria nella parte posteriore: una station wagon è per questo penalizzata rispetto a una berlina che, come già detto, consente di raccordare meglio i flussi di aria nella zona di coda, minimizzando le perdite dovute alla separazione e di conseguenza la resistenza aerodinamica. Il coefficiente aerodinamico di una passenger car è mediamente compreso tra 0.2 e 0.5, mentre un oggetto di forma cubica supera il valore unitario ed un proiettile ha un valore massimo di 0.1.
Un metodo molto diffuso per ridurre le resistenze aerodinamiche consiste nel realizzare tante piccole cavità superficiali, come per una pallina da golf, variando così il numero di Reynolds e di conseguenza il passaggio da flusso laminare a turbolento. Da qui nasce l’idea dei generatori di vortice, una applicazione interessante che consente di migliorare l’aerodinamica nel retrotreno.
Il numero di Reynolds (Re) dipende dalla velocità del flusso, dal diametro della sezione di passaggio e dalla viscosità del fluido in esame. Il valore di tale numero caratterizza il tipo di flusso: quando Re è inferiore a 2000 il flusso è laminare, cioè formato da lamine sottili che scambiano solo sforzi tangenziali l’una con l’altra, quando Re è compreso tra 2000 e 4000 il flusso è detto di transizione, cioè con delle iniziali ma ridotte perturbazioni, mentre quando Re è superiore a 4000 il flusso diventa turbolento.
Recenti studi hanno dimostrato che i generatori di vortice, posti in prossimità dello spigolo superiore del lunotto di una berlina, consentono un miglioramento della resistenza aerodinamica infatti, pur rappresentando di per se un ostacolo ulteriore al flusso d’aria, e quindi una resistenza aggiuntiva, permettono di ridurre lo strato di separazione del flusso in prossimità del retrotreno, con un effetto nel complesso positivo. Questo grazie al fatto che essi consentono di variare le condizioni di pressione dell’aria in prossimità del lunotto,diminuendo la generazione di vortici e turbolenze.
In pratica, in prossimità della coda della vettura, le velocità delle particelle d’aria a contatto con la superficie del veicolo diminuiscono gradualmente fino ad invertirsi, nello strato a contatto con il lunotto e nella sua parte bassa, fenomeno questo che da origine alla formazione di vortici e conseguentemente alla separazione del flusso dal lato superiore del bagagliaio.
La zona di separazione causa una maggiore resistenza aerodinamica, per questo è opportuno ridurre quanto più possibile il punto di generazione di tale fenomeno, rendendo il flusso più regolare ed uniforme e minimizzando le relative resistenze.
I generatori di vortice quindi pur essendo fonte di resistenza aggiuntiva, consentono di diminuire la profondità della fascia di separazione del flusso d’aria nella zona posteriore, con un effetto complessivo a favore della resistenza aerodinamica.
Naturalmente è molto importante stabilire con precisione sia la forma che le dimensioni di tali separatori per ottenere un giusto rapporto tra i due effetti suddetti: lo sviluppo di una ulteriore resistenza e l’abbassamento del punto di separazione del flusso. Test sperimentali effettuati in galleria del vento consentono di determinare i profili ottimali e le posizioni di applicazione migliori per sortire l’effetto voluto. Questi possono così essere appositamente disegnati per ogni singola applicazione, in funzione del particolare profilo posteriore della vettura di destinazione.
Prove sperimentali consentono inoltre di determinare la distanza ottimale dei generatori dallo spigolo superiore del profilo lunotto, nonché il relativo numero ideale da applicare sulla coda del veicolo.
Anche le simulazioni fluido dinamiche a calcolo confermano, tramite l’analisi delle pressioni e delle velocità delle particelle d’aria in funzione della distanza dalla superficie del veicolo e in funzione della distanza longitudinale dal baricentro dello stesso, che la presenza dei generatori di vortice migliora l’uniformità del flusso, abbassando il punto di separazione e riducendo la profondità dello strato in cui tale separazione si verifica. L’applicazione di generatori di vortice può dunque diminuire i coefficienti di resistenza aerodinamica e di portanza in relazione alla vettura di applicazione, grazie a un innalzamento della pressione nella zona posteriore.
