Appunti Aerodinamica e gestione termica del veicolo

AERODINAMICA E GESTIONE TERMICA DEL VEICOLO

STALIO 2

Aerodinamica dei Veicoli Stradali (13) (RVAD)

(Road Vehicle Aerodynamics)

Obiettivi dell'aerodinamica dei veicoli stradali :

• tenere bassa la resistenza
• avere basso rumore
• tenere pulita la vettura

Competizioni

• generazione deportanza
• bassa resistenza
• estrarre calore (radiatori)

Ipotesi :

• velocità costante
• strada spianata

servono per escludere scambi di energia cinetica, non riguardano la potenza media, ma la dinamica del veicolo

La zona di base è molto piccola

(separazione fissata)

...e quindi la scia è piccola → bassa resistenza

La zona di base piccola significa che dalla zona anteriore ho continuato a recuperare fino alla zona di base.

→ separando con un "alto" C_p la resistenza è minore.

Pressure coefficient distribution of a typical sports car

La galleria del vento è un vero e proprio strumento di misura e può capitare che a seguito di interventi di manutenzione le misure non siano più coerenti con i risultati ottenuti in precedenza. Quello che si fa allora è tenere un’auto sonda (ricoperta di prese di pressione) (Porsche 944 nella galleria di Stoccarda) da mettere dopo le manutenzioni per vedere se è tutto apposto nella galleria.

Borrowed shapes - Jamais contente

Figure: Electrically driven record vehicle, first to exceed 100 km/h. Designed and driven by Camille Jenatzy (1899)

Probabilmente in quegli anni avevano fatto delle prove aerodinamiche con dei proiettili, vedendo quale forma arrivava più lontano, per poi applicare i risultati sulle auto. Mancano un bel po’ di accortezze come le ruote scoperte e il pilota esposto.

Forebody pressure drag

Front edge radius

Per piccoli raggi di curvatura _(r/l) la separazione avviene negli spigoli frontali e ^c_d è un alto ^c_d. Gli esperimenti 4, 5 si discostano da tutti gli altri perché sono stati fatti con corpi che occupano l’intera larghezza della galleria del vento (corpi bidimensionali) ottenendo ^c_d che sono tipicamente il doppio dei corrispettivi corpi tridimensionali.

Per ottenere un’auto con poca resistenza dovuta allo parte frontale, è sufficiente non far separare il flusso. Dopodiché si procede per piccoli passi al miglioramento del ^c_d dovuto alla parte posteriore.

Closing the wake

A possible aim of the shape development is to design an elongated blunt body with an almost closed wake.

Figure: Wake almost closed on a record vehicle

Maserati Birdcage 75th (2005)

Figure: Maserati Birdcage 75th: rear end views

Boat tailing (tapering)

Figure: Boat tailing applied to the Opel Calibra Coupé and the Fiat uno.

Remark

Lowering the end of the roof can be effective until induced drag starts dominating, but it reduces the volume of the interiors.

Underbody optimization

Il fondo dell'auto ha una grande importanza aerodinamica perché ha una grande superficie bagnata. Si hanno delle differenze tra auto elettriche e con motore a combustione interna nella progettazione del fondo: per le auto elettriche è più facile realizzare un fondo piatto. In generale applicando un pannello sul fondo si guadagna molto: il fondo vettura non contribuisce in gran parte alla resistenza perché è una superficie parallela al flusso. In alcune pratiche si riesce ad avere un flusso molto uniforme anche a Cp massimo pari a 0.5; queste forme sono dei deflettori che rallentano molto l'aria e danno resistenza anch'essi, ma risparmiando in definitiva resistenza. Nella parte posteriore è apposito un diffusore. Si riesce, diminuendo la superficie della zona di base e così diminuendo la resistenza. Per andare sotto al Cd = 0.26 della Opel Calibra serve iniziare a curvare anche il fondo.

Cooling air drag

Anche i flussi interni sono importanti, per la forze che premono sull'auto. In questo caso, il flusso dà un contributo in deportanza e uno in resistenza. Le auto elettriche, dovendo trasportare fuori da motore e batterie meno calore rispetto alle auto con motori a combustione interna, hanno prese d'aria sull'anteriore molto più piccole e riducono in gran parte la resistenza data dai flussi interni.

Mercedes-Benz CLA C_D = 0.23

• Il fondo è coperto con pannelli piatti
• Davanti alle ruote sono messi dei deflettori
• Gli ingressi dell'aria dei radiatori sono controllate elettronicamente in modo de aprirsi solo se necessario in modo da evitare forze aerodinamiche aggiuntive
• Il posteriore è restringente (orizzontale e verticale)
• Il flusso separa tardi; ci viene mostrato reio frontogro che gira in orizzontale

Selection of the race configuration II

Different car configurations are ordered by weighting the sought aerodynamic parameters by (for example) time spent in each attitude within a race.

Selection of the race configuration III

Consider for simplicity to plan a race requiring a high downforce level. Two different car configurations will give place to two different aerodynamic maps. The locus of points corresponding to the car geometric parameters during the race will differ.

In this simple case the race configuration might be selected by weighting local downforce coefficient values by time spent in that attitude:

1. _Clj
2. _wj

The configuration to be selected is the one having larger .

Per scegliere la migliore configurazione iniziale dell'auto si usa attualmente l’1 (es. ma: complesse); altrimenti si può dare pesi diversi delle varie caratteristiche aerodinamiche al Cl.

Rear wing for an open-wheel race car, AR=1.5

For an aircraft flying close to the earth's surface, the ground plane affects the flow field around the wings, resulting in a reduction in induced drag and an increase in lift.

The effect of an inverted wing placed in close proximity to a wall was first observed in the 1920s. In a wind tunnel study, Zahm and Bear (1921) observed a great increase of lift that also for a ground plane “above” the aerofoil.

Also the efficiency of inverted wings is markedly increased by ground proximity. The mechanism is the same as for lift-generating wings.

The image method applied to experiments shows limitations:

• being dictated by the velocity of the dividing streamline, the velocity representing the speed of the ground relative to the vehicle will not be uniform;
• given the unsteady nature of (race car) aerodynamics, the streamline representing the ground will be unsteady and never horizontal.

What makes it work?The lift increase can be motivated by:

1. interference effects, the (lifting) wing “rides on a cushion of high pressure air”,
2. the ground decreases the amount of downwash generated by the wing, thus increasing the effective angle of attack.

Efficiency can easily double, for example Cl/Cd = 10 ∼ 20. More for the wing in ground effect can be understood from the image method.

For the ideal model functional solutionsThe idea is that in the hypothesis of potential flow, the ground is represented by a impermeable wall boundary condition that can correspond to symmetry for η and therefore υ , and also ρ.