F1 | Analisi tecnica: come funziona un’ala da competizione [CFD]

Un’ala anteriore da Formula 1 CFD Ala anteriore

Abbiamo visto nel corso degli appuntamenti precedenti come la presenza di un corpo solido in moto relativo modifichi il comportamento del flusso d’aria che lo investe: a titolo di esempio, per mettere un po’ di carne al fuoco, in questo articolo disegneremo un particolare aerodinamico piuttosto famoso e lo daremo in pasto al buon vecchio simulatore CFD per scoprire cosa avrà da dirci. Ho pensato che sarebbe stato interessante studiare il comportamento di un’ala anteriore simile a quelle che montano in questi anni le monoposto impegnate nel campionato di Formula 1: dall’anno prossimo, per la gioia degli uomini del settore compositi delle varie scuderie, le ali anteriori verranno notevolmente semplificate, ma le ali del biennio 2017-2018 sono state senza dubbio alcune tra le più sofisticate mai progettate nella storia della massima competizione automobilistica.

Naturalmente nessuna scuderia si sogna di fornire dati tecnici al primo sconosciuto curiosone (io), perciò l’ala con cui lavoreremo non avrà la pretesa di essere una fedelissima copia di quelle impiegate in pista. Consultando e modificando qualche progetto che ho trovato in rete, con un po’ di taglia e cuci, ispirandomi un po’ alla Red Bull RB13 e un po’ alla Force India VJM-10 ho il piacere di presentarvi l’ala che studieremo:

Si tratta di un’ala in configurazione “a freccia” con un angolo di freccia di 12 gradi e qualche spicciolo costituita da un main centrale che si estende come da regolamento per 250 millimetri in direzione longitudinale a partire dal piano di simmetria.

A seguire, troviamo un ponte costituito da 6 profili a volte chiamati upper flaps ognuno dei quali effettua una soffiatura sul ventre del successivo e il più alto dei quali si biforca a sua volta nella regione più esterna; sono presenti un paio di paratie verticali che spero riusciranno a deviare l’aria che altrimenti incontrerebbe la superficie delle ruote e inoltre gli endplates dell’ala sono curvi verso l’esterno più o meno per lo stesso motivo.

Entreremo maggiormente nel dettaglio più avanti, quando ci occuperemo di interpretare i risultati della simulazione. In seguito, rispettando il regolamento tecnico che si può trovare liberamente sul sito della Federazione Internazionale dell’Automobile, ho creato un assieme abbastanza semplice ma perfetto per il nostro scopo, costituito dall’ala di cui sopra e dagli pneumatici anteriori: in effetti, la zona di una qualsiasi vettura stradale che perturba in maggior modo il flusso d’aria in arrivo è costituita dalle ruote, basti pensare che il moto relativo che esse compiono rispetto all’aria è dato dalla composizione di un moto rettilineo (la velocità della macchina) e di un moto rotatorio dovuto alla rotazione degli pneumatici attorno al proprio asse.

A pensarci bene, le ruote delle automobili che guidiamo noi nella vita di tutti i giorni sono carenate, non incontrano mai aria libera; ogni campionato della serie Formula, invece, per regolamento deve accogliere monoposto tassativamente a ruote scoperte, e dunque uno dei compiti maggiori dell’ala anteriore sarà quello di far deviare il flusso d’aria quanto serve affinché esso non vada a sbattere (detto brutalmente) contro allo pneumatico. È per questo motivo che, vista da davanti, la nostra ala anteriore presenta un castello di profili più alto proprio nella regione davanti alle ruote, come si vede più chiaramente nella figura che segue:

Una volta disegnata l’ala, il passo successivo era darla impasto al software che risolve al posto nostro le equazioni di Navier-Stokes per un regime di flusso incomprimibile (ipotesi più che valida, dal momento che simuleremo come se la vettura di F1 stesse viaggiando a 180 km/h).

Senza entrare troppo nel dettaglio, vale la pena comunque di spiegare come faccia un computer a risolvere equazioni attorno ad un corpo solido; in pratica, una volta importata la geometria dell’ala e degli pneumatici, ho dovuto suddividere la loro superficie in tantissimi volumetti di forma tetraedrica dette celle creando quella che si chiama mesh, la griglia di calcolo.

Quando si fa una simulazione fluidodinamica, uno dei primi dati su cui bisogna stare attenti è il numero delle celle che abbiamo creato: nel nostro caso, ne useremo 10 milioni e 100 mila! Sono tante, ma;non tantissime, basti pensare che difficilmente in ambito lavorativo si scende sotto ai 60 milioni anche per pezzi di geometria molto più semplice rispetto a;quella che useremo noi.

Comunque il numero di celle che useremo è senza dubbio sufficiente per estrapolare dati significativi dal nostro lavoro e,;in ogni modo, lavorando con un PC da 16 gigabyte di RAM più di così non potevo fare, anche considerando che per effettuare una mesh come si deve il computer impiega tra le 3 e;le 4 ore in cui assorbe il 99% della CPU e non di rado mi è capitato che si bloccasse completamente, fino a far avanzare l’orologio di Windows indietro nel tempo (ma questa è un’altra storia…). Insomma, questa è un dettaglio della mesh che ho creato:

Nell’immagine si notano bene i vari tetraedri in cui è stata suddivisa la nostra geometria:;da qui in poi, il grosso del lavoro sta al PC, che risolverà per ognuna delle 10;milioni di celle l’equazione di bilancio di massa, le tre equazioni di bilancio della quantità di moto, l’equazione di bilancio dell’energia interna e;una ulteriore equazione sul modello di turbolenza (ne esistono tantissimi, userò il k-epsilon perché mi sta più simpatico di tanti altri).

Naturalmente mi sono impegnato ad infittire la mesh creando dei tetraedri più piccoli nelle regioni dove la geometria era più difficile come ad;esempio nei vari flap dell’ala, mentre ho potuto usare una mesh un;po’ meno complicata per la superficie dello pneumatico (che non è piatta, ma quantomeno mantiene una curvatura costante).

Insomma, alla fine della fiera, il software sarà in grado di fornirci valori di pressione, velocità e;molte altre grandezze fisiche per ognuna delle 10 milioni di celle che ho creato: da qui, poi, potremo risalire, integrando (ti pareva che non;ci fossero di mezzo gli integrali: per fortuna, anche quelli li fa il computer), alle linee di corrente delle particelle d’aria intorno alla nostra geometria.

Saremo dunque in grado di osservare le traiettorie, le variazioni di velocità e;le variazioni di pressione oltre che alla scia provocata dalla presenza di;un’ala e di un paio di pneumatici in moto relativo a 180 km/h rispetto all’aria. Mentre scrivo, il computer sta calcolando ormai da quasi 15;ore filate: non ci resta che aspettare che la simulazione vada a convergenza.

Una volta che la simulazione era giunta a termine, per prima cosa ho verificato il carico prodotto dall’ala, vale a dire la downforce, la;forza che spinge verso il basso per il solo effetto del moto relativo tra aria e corpo solido (la nostra ala), che risultava essere di 375;Newton alla velocità di 180 km/h: un valore accettabile? Non posso dirlo con certezza, ma sembra un numero abbastanza valido almeno come ordine di grandezza. C’è comunque da considerare, come detto all’inizio dell’articolo, che questa ala, per quanto in apparenza somigliante, è;solo una lontana parente di quelle che siamo abituati a vedere in televisione:;ci preoccuperemo più di studiare il flusso d’aria in maniera qualitativa rispetto che analizzare i numeri e i coefficienti che il software ci fornisce.

Creando una scena scalare in cui ho messo in evidenza qualche linea di corrente attorno all’ala, il risultato è stato questo:

Ogni linea evidenziata rappresenta il luogo dei punti tangenti al vettore velocità di ogni particella d’aria: in;legenda è riportata la scala di colori che ci indica come;la velocità di ogni particella d’aria varia a seconda della regione di spazio che attraversa. Da questa immagine possiamo notare diverse cose interessanti, che andremo ad analizzare meglio da qui in avanti.

VORTICE Y250

Nell’immagine che segue, ad esempio, ho messo in evidenza la presenza del “famoso” vortice Y250:

Il vortice Y250, che deve il;suo nome al fatto che inizia dopo 250 millimetri percorsi in direzione Y (in aeronautica e in automobilismo, l’asse Y corrisponde all’asse di beccheggio ed;è, idealmente, una retta parallela a quella che congiunge i centri degli pneumatici) e;infatti vediamo dalla figura che tale vortice è generato dalla zona di discontinuità che si trova tra il main “piatto” e l’inizio del ponte di profili: si vede, infatti, che;la regione turbolenta sembra staccarsi a partire dalla forchetta di quei 3 profili più piccoli.

Non è sempre detto che i vortici e le regioni di turbolenza siano dannose: come abbiamo visto, questo vortice viene generato di proposito e rappresenta sicuramente il più importante che si trovi su una monoposto di Formula 1; infatti, il vortice che si stacca da quella regione dell’ala anteriore ha l’effetto di creare una regione di turbolenza che;lambisce tutto il perimetro della carena della macchina che;c’è dietro: costeggia la regione delle pance ritardando il fenomeno del distacco dello strato limite e isolando il flusso “pulito” dalla scia prodotta dalle ruote.

Vi mostro ancora un’immagine sui vortici creati dalla nostra ala.

EFFETTO UPWASH

Un’altra cosa che vale la pena di notare è l’effetto non trascurabile di upwash prodotto dall’ala:

Guardate quanto i vari profili dell’ala riescano a “tirare;su” (upwash, letteralmente, si traduce come flusso verso l’alto, in aeronautica le;ali degli aeroplani hanno l’effetto contrario, quello di downwash) il flusso d’aria indisturbato. Si vede bene che l’aria che arriva da sotto l’ala viene spostata verso l’alto fino a raggiungere quasi l’altezza dello pneumatico: tale;aria sarà quella che andrà ad essere incanalata nei condotti nelle pance e raggiungerà i radiatori.

CARENATURA RUOTA ANTERIORE

Abbiamo detto all’inizio che uno dei compiti principali dell’ala anteriore, oltre a;fornire carico e a guidare il flusso attorno al resto della vettura, era quello di carenare le ruote anteriori, spostando il punto di ristagno (cioè,;detto brutalmente, il punto di impatto dell’aria con la superficie dello pneumatico, il più in alto possibile). Questo viene svolto dai vari flap più esterni e dagli endplate curvi che combinano insieme l’effetto di creare upwash davanti alle ruote e;di creare dei vortici particolari che permettono all’aria che arriverebbe dritta davanti alle gomme di;effettuare una piccola curvatura, quel tanto che basta per evitare l’impatto con la ruota.

Da questa prima immagine si è messo in risalto il primo effetto, quello di far alzare l’aria quel tanto che basta per;non farla sbattere contro allo pneumatico: si vede infatti che l’aria arriva quasi a;lambire la superficie superiore della ruota. Notiamo ancora una volta l’effetto del vortice Y250, che è veramente importante: anche visto da qui, guardate quanta aria riesce a spostare!

Da quest’altra immagine, invece, si riesce ad apprezzare la curvatura che;gli enplate e i vari flap più esterni riescono ad imprimere all’aria per farla svoltare quel tanto che basta per evitare lo pneumatico.

Spero che questo articolo, anche se un po’ lungo, sia stato affascinante quel tanto che basta: vedere come si comporta l’aria;è strano, quasi magico, forse perché non riesce a vedere ad occhio nudo. Però l’aria non costa niente, non va messa in carica e non arrugginisce: vale la pena di studiarla? Io dico di sì. A presto!

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