Aerodinamica - 9 settimana

Aerodynamics of family cars

Topologia del flusso attorno alla vettura

Partiamo nel parlare della topologia del flusso attorno alla vettura:

• Quasi 2D separation
  • Self enclosed separation bubbles;
  • Separation at a truncated rear surface.
• Axial vortices
  • At the A-pillar (drag, wind noise, water flow);
  • Stronger vortices at the C-pillar (drag).

I vortici che si generano nei montanti generano molto rumore.

Zona di separazione

Vortici contro-rotanti

Tipologie di vetture in base all'angolo del lunotto posteriore

A seconda dell'angolo del lunotto posteriore la macchina avrà un suo nome, cioè se ho:

1. φ ≥ 30° ⇒ Square back
2. φ < 30° ⇒ Fastback / Hatchback

Nella vettura 1 si ha la separazione dove inizia il lunotto posteriore. Nella vettura 2 ho che il flusso è attaccato al lunotto posteriore dato dai due vortici controrotanti, per poi avere la regione di separazione nella parte finale.

Distribuzione c_p 911

P prese di pressione distribuite in mezzeria nella parte inferiore della vettura.

P prese di pressione distribuite in mezzeria nella parte superiore della vettura.

Sono tutti punti sperimentali, non abbiamo inserito nessun "tools" per rendere più "rotondo" il grafico. Non abbiamo C_p = 1 nel punto di ristagno, perché è difficile individuare il punto di ristagno con il sensore di pressione. Ho variazione dei C_p in modo molto spigoloso.

S111 e la galleria del vento di Stoccarda

La S111 viene utilizzata nella galleria del vento di Stoccarda come "corpo di taraggio", quindi si fanno lavori nella galleria e si va a prendere la calibrazione della galleria. Il punto S è caratterizzato dalla massima altezza della vettura, che è una regione di alta velocità e quindi bassa pressione. La parte posteriore ha una morbida discesa, ovviamente si ha un gradiente di pressione avverso, ma molto morbido e quindi evita la separazione fino alla regione dove si ha lo spoiler. Infatti poi si vede che nella regione di base la parte superiore e inferiore hanno la stessa C_p. Dobbiamo sempre ricordarci che la rappresentazione giusta del C_p è in 3D.

Velocità alta, P bassa

Zona di base con un Cp abbastanza uniforme (come ci aspettavamo).

Lista delle regioni della vettura da studiare

• Forebody (Parte anteriore)
• Wind shield (Parabrezza)
• A-pillars (Montanti ant.)
• Roof (Tettuccio)
• Slant (Inclinazione lunotto post.)
• Boat tailing (Rastrematura)
• Induced vorticity/ induced drag (Resistenza indotta)
• Rounding of back corners (Arrotondamenti angoli parte post)
• Back
• Rear spoilers
• Underbody
• Air intakes

Figura: veicolo da record elettrico

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

Profilo preso dalle esperienze balistiche (supersonico).

Profilo sbagliato.

Ruote scoperte. Conducente fuori.

Sagoma veicolo CP integrato solo nella parte anteriore.

Front Edge Radius

Ho parte anteriore come in figura e parte posteriore come profilo alare.

Arrotondamento del tetto

LIVELLO DI ARROTONDAMENTO CALCOLATO COME _x⁄_b (ASCISSA), GIÀ CON _x⁄_b = 0.1, HO UN GROSSO ABBASSAMENTO, MA POI HO LA SATURAZIONE DEL C_D (COPPI 4 E 5).

NELLO STESSO GRAFICO ABBIAMO DUE CURVE RELATIVE A CORPI 2D, UNA RELATIVA AD UNA SORTA DI PROFILO ALARE, MENTRE GLI ALTRI SONO PER CORPI 3D, SI PUÒ NOTARE CIÒ ANCHE TRAMITE I C_D DI PARTENZA. (C_D GRANDI SONO PER CORPI IN 2D)

Windshield

SI VEDE CHE AUMENTANDO L'ANGOLO, E QUINDI PORTANDO IL PARABREZZA SEMPRE PIÙ ORIZZONTALE, IL C_D CALA, PER POI ANDARE A SATURARSI. È ANCHE DIFFICILE SPINGERE TROPPO QUESTO PARAMETRO, PER PROBLEMATICHE COSTRUTTIVE (SI PUÒ GENERARE UN EFFETTO SERRA DENTRO LA MACCHINA, HEATING, REFRACTION, VIEWING ANGLE, COMFORT).

A and C-pillars

Non abbiamo una grossa modifica, infatti non si ha un grandissimo guadagno in termini di C_D. Anche in questo caso abbiamo la saturazione del ΔC_D. Al C_D dei montanti è associato anche la generazione del rumore, infatti ora nelle macchine si tende a inserire dei materiali isolanti.

Roof

1 - Forma di partenza (piatta)

Un'altra possibile modifica è quella di rendere più curvilineo il tettuccio. Δc_D ha un comportamento di minimo, questo perché inizialmente abbiamo un abbassamento della resistenza di forma, ma poi quando il tetto è troppo curvato si ha una generazione di portanza che è associata all'inclinazione verso il basso delle linee di corrente, questo vuol dire che avremo resistenza di tipo indotto.

Questo riguarda il c_D, ma è molto importante, soprattutto per i corpi tozzi, l'area frontale proiettata:

D = c_DA ρ_∞ (Equazione della forza di resistenza)¹= c_DA.¹/₂ ^ρu_∞2

Ci stabilisce la proporzionalità tra D e u_∞². Si vede che se si arrotonda il tetto si aumenta la superficie frontale proiettata, e quindi c_D.A aumenta, di conseguenza anche la resistenza aerodinamica aumenterà. Ecco l'importanza di graficare sia c_D che c_D.A.

Slant angle (Hucho)

Quello che succede è che per ϕ piccoli il flusso rimane attaccato sul lunotto posteriore per poi separare alla fine del lunotto posteriore. Fino 30° ho questo fenomeno, perché ho la generazione dei 2 vortici controrotanti, il motivo per cui a ϕ_​ 20. Questo tratto lo possiamo approssimare orizzontale, facendo le considerazioni sui C_D dopo φ=30°.

Come si vede dal grafico il C_F (attrito) non varia molto al variare di φ perché la maggior parte dell'attrito viene prodotto dalle superfici // al flusso, che quindi non sono perturbate dalle modifiche di φ. Anche il C_A (anteriore) non varia moltissimo rispetto a φ per le stesse ragioni di C_F. Mentre il C_B (base) diminuisce con l'aumento di φ perché se consideriamo che il flusso rimane attaccato, abbiamo che la V_S diminuisce siccome fa più strada e quindi si ha l'aumento della pressione sul lunotto posteriore, e di conseguenza anche nella regione di base. Questo ovviamente è favorevole.

Più nello specifico l'andamento di C_B è causato da 2 ragioni: (per φ < 30)

Aumentando φ ho che le linee di flusso tendono a divergere nella zona del lunotto e quindi ho abbassamento di V_S e aumento di P_S secondo Bernoulli e quindi avrò un C_PD che aumenta.