F1 | Aerodinamica – Simulazioni CFD e gallerie del vento in Formula 1

Continuiamo ora l’analisi dell’aerodinamica delle vetture di Formula 1: studio, simulazioni e validazione dati

Se vi siete persi il primo articolo, potete trovarlo qui.

Come ogni competizione che si rispetti, tutte le vetture, devono seguire un regolamento tecnico. L’aerodinamica delle vetture riguarda buona parte di quello FIA Formula 1. Tutte le zone dove si possono mettere i vari dispositivi e le forme che devono avere sono spiegate nel regolamento: prima di partire a disegnare bisogna studiare!

Analizzando il regolamento notiamo che l’ala anteriore può avere una larghezza massima di 2000mm. Inoltre deve essere caratterizzata da un monoplano nel tratto centrale fino a 250mm dalla mezzeria. Ricordatevi questo ultimo numero in quanto ritornerà in futuro.

Una volta analizzato il regolamento si inizia a disegnare al CAD (Computer Aided Design) le geometrie della vettura. Definita la prima versione si passa all’analisi CFD (Computational Fluid Dynamics). Il computer inizia quindi a fornici i primi dati da analizzare. Una volta analizzati si torna al modello CAD dove vengo effettuate delle variazioni per ottimizzare i flussi intorno alla vettura. Si ottiene così un nuovo modello 3D e si effettua una nuova simulazione CFD e si confrontano i dati. Ripetiamo questa procedura più e più volte fino a quando non si ottiene il risultato voluto.

Il CAD è un software ci permette di modellare al computer la nostra geometria, partiamo da un disegno 2D che trasformiamo poi in 3D. Qui il progettista può sfruttare tutta la sua creatività. L’analisi CFD è un’analisi fluidodinamica, ci da in uscita alcuni dati importanti della vettura in relazione al fluido. Questo software però è molto difficile da usare, bisogna infatti impostare correttamente le condizioni iniziali e le condizioni al contorno del fluido che voglio studiare. Inoltre riesco solo a verificare i dati quando la macchina procede in rettilineo. Questo è uno strumento molto potente ma anche molto difficile da impostare.

Componenti principali dell’ala anteriore

I componenti 6, 7 e 8 servono principalmente a curvare il fluido per evitare che impatti frontalmente con la ruota. I componenti 1, 2, 4 e 5 servono invece ad incanalare il flusso nel fondo della vettura. Come abbiamo detto in precedenza, l’ala anteriore deve essere costituita da un monoplano fino alla quota y=250mm, l’inserimento di strutture oltre a quel punto mi porta alla creazione di vortici. Vediamo ora alcune immagini di simulazioni.

Esempi di simulazioni CFD

La prima immagine è stata presa alla fine dell’alettone anteriore, la seconda a metà della ruota posteriore. Come si nota nel punto a y250 si forma un grosso vortice, questo viene combinato con il vortice formato dal turning vane sul muso e servono per schermare il fondo della vettura. Nell’immagine sotto notiamo infatti una nuvola di colore blu scuro, questa area è caratterizzata da una bassissima energia e non vogliamo che questo fluido entri nel fondo della vettura. Notiamo anche i vortici situati sopra all’alettone, questi servono a far curvare l’aria intorno alla ruota, o all’interno verso le prese d’aria anteriori o verso l’esterno.

Altre analisi CFD

Scia generata da una vettura

Queste immagini rappresentano i risultati delle simulazioni CFD effettuati sui modelli CAD.

Per funzionare correttamente vogliamo ottenere valori positivi del coefficiente nella parte superiore della vettura e negativi nella parte inferiore. Queste immagini sono riferite ad una monoposto 2017. Come notiamo sul fondo della vettura, il colore che notiamo è blu all’ingresso ma al centro diventa verde, il valore del coefficiente in esame si alza. Questa variazione è dovuta dall’aria che entra dall’esterno, infatti sotto la vettura abbiamo una depressione che attira il fluido all’esterno della vettura. Per ovviare a questo fenomeno erano state introdotte le minigonne. Questi ultimi dispositivi sono stati bannati dal regolamento, si cerca quindi di simularli attraverso opportuni vortici generati dall’ala anteriore.

Prime verifiche sul campo: galleria del vento

Schema galleria del vento a circuito chiuso

Lo step successivo consiste nella realizzazione di un modello della vettura in scala, questo modello verrà usato nelle gallerie del vento per verificare se i risultati numerici tornano, andiamo adesso a vedere alcuni esempi.

La galleria del vento è una struttura in cui si riesce a replicare l’effetto dell’aria sui corpi. Le forze che vengono scambiate tra la vettura e l’aria non dipendono da quale dei due mezzi è in movimento. I risultati saranno uguali sia che il fluido sia fermo e la macchina in movimento (macchina in pista) sia che se la macchina sia ferma e il fluido in movimento (galleria del vento).

Esempio di prova in galleria del vento

La galleria del vento consente di fare le prime simulazioni con i componenti reali, anche se in scala. Queste simulazioni servono a verificare che le simulazioni CFD corrispondano al comportamento reale dell’aria intorno alla vettura. Le gallerie del vento devono essere molto grandi, in questo modo l’area di test è sufficientemente grande da non far comparire fenomeni indesiderati. Come si nota dalle immagini la vettura deve essere ancorata, questi ancoraggi devono essere progettati per disturbare il meno possibile la nostra misura, vengono però usati come sostegno per i sensori per la raccolta dei dati.

Ultimo step di verifica: prove in pista

Sul campo di gara si effettuano le ultime verifiche: otteniamo un confronto tra i dati ottenuti al computer e la realtà. Usiamo dei rastrelli contenenti dei tubi di pitot e delle particolari vernici in grado di evidenziare i flussi aerodinamici per ottenere i valori simulati. Questa vernice è di solito di colore giallo fluorescente, la Mercedes ne usa una trasparente e vede poi le linee dei flussi con dei raggi UV. Queste linee si possono anche notare sulle vetture durante le gare con il bagnato, in quanto le gocce di pioggia seguiranno il percorso dell’aria intorno alla macchina.

Facciamo queste ultime prove a varie velocità e a varie condizioni: servono a validare il modello creato al computer, in questo modo lo sviluppo di un componente ‘aggiornato’ risulta più facile e veloce.

Limiti sull’utilizzo di questi strumenti

Ogni team non può usare per tutto il tempo che vuole questi strumenti, sono stati imposti un monte ore utilizzabile sia in galleria del vento che al computer per svolgere le simulazioni. Queste ore saranno adattate in base al posizionamento nella classifica costruttori al termine di ogni stagione. La tabella qui sotto fa riferimento alle ore concesse nel 2021 in base alla posizione ottenuta nel 2020. In questa ultima stagione le ore sono state le stesse per ogni team.

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F1 | Aerodinamica – Introduzione e primi sviluppi nella Formula 1

Federico Martello

Vehicle Engineer student, MoRe Modena Racing Formula Student Team member