Simulazione CFD della resistenza aerodinamica: calcolo avanzato per migliorare l’aerodinamica
Introduzione....
L’impatto dei pennacchi termici all’esterno dell’edificio è difficile da prevedere a causa delle diverse variabili che i progettisti e gli architetti non possono controllare. Queste variabili includono la velocità del vento, la temperatura e l’umidità dell’aria, la direzione del vento e altre attività che circondano l’edificio. Tuttavia, questi fenomeni hanno un impatto sulle prestazioni delle apparecchiature esterne.
EOLIOS vi aiuta a studiare l’impatto di questi problemi per garantire un funzionamento ottimale in tutte le circostanze, anche le più estreme.
I nostri progetti di Data Centre :
Cos'è la resistenza aerodinamica
Definizioni
La resistenza aerodinamica è una forza che si oppone al movimento di un oggetto che si muove in un fluido, come l’aria o l’acqua.
È generata dall’interazione tra l’oggetto e il fluido e si manifesta sotto forma di attrito del fluido e forze di pressione.
La resistenza aerodinamica è generalmente espressa in Newton (N) e spesso viene quantificata con una quantità chiamata coefficiente di resistenza.
L’uso del coefficiente di resistenza aerodinamica risale a secoli fa, con le prime osservazioni e i primi sforzi per comprendere le forze di resistenza in un contesto aerodinamico.
Tuttavia, fu nel XIX secolo che scienziati come George Gabriel Stokes iniziarono a formalizzare il concetto e a sviluppare teorie matematiche per quantificare la resistenza aerodinamica. Da allora, la ricerca e i progressi nel campo della resistenza aerodinamica hanno giocato un ruolo fondamentale nello sviluppo di settori come l’aviazione, l’automobile, la progettazione di edifici e diverse attività sportive.
In breve, la resistenza aerodinamica è una forza di resistenza che si incontra quando un oggetto si muove attraverso un fluido.
Il coefficiente di resistenza aerodinamica quantifica questa resistenza.
Comprendere e controllare la resistenza aerodinamica è quindi essenziale per ottimizzare le prestazioni, l’efficienza e la sicurezza di determinati oggetti in movimento o inseriti in un flusso fluido.
Importanza del coefficiente di resistenza aerodinamica
Il coefficiente di resistenza è una misura che quantifica la resistenza dell’aria o di un fluido al movimento di un oggetto. Svolge un ruolo fondamentale in molti campi, come l’aviazione, leautomobili, gli sport da tavolo e persino l’architettura degli edifici. Capire e controllare questa forza di resistenza è fondamentale per ottimizzare le prestazioni e l’efficienza di molte applicazioni.
Nell’aviazione, ad esempio, la riduzione della resistenza aerodinamica è una delle principali preoccupazioni.
Riducendo al minimo questa resistenza, gli ingegneri possono aumentare la velocità e l’efficienza energetica degli aerei, ridurre il consumo di carburante e migliorarne l’autonomia.
Sono stati fatti progressi anche nelmiglioramento della portanza degliaerei, che descriveremo in dettaglio più avanti in questo articolo.
Questo ha portato a significativi progressi nella progettazione delle ali degli aerei, ad esempio.
Anche l’industria automobilistica sta cercando di ridurre al minimo questa resistenza per diminuire il consumo energetico delle auto e quindi migliorarne l’autonomia.
Questo problema è ancora piùattuale con l’avvento dei veicoli elettrici.
Gli sport motoristici (come la Formula 1) cercano di massimizzare l’aerodinamica per migliorare la maneggevolezza, la stabilità e le prestazioni delle auto da corsa.
Allo stesso modo, negli sport di scivolamento come lo sci alpino, lo snowboard o il ciclismo, la riduzione della resistenza aerodinamica consente diraggiungere velocità più elevate riducendo al minimo le forze di resistenza e ottimizzando la penetrazione dell’aria.
Questo sta portando a progressi nella progettazione dei caschi da ciclismo, ad esempio, e di altre attrezzature sportive, per ridurre al minimo la resistenza aerodinamica e massimizzare le prestazioni.
Anche l’architettura degli edifici è influenzata dai principi di resistenza aerodinamica.
Progettando strutture aerodinamiche, gli architetti possono ridurre le forze esercitate dai venti forti e quindi migliorare la sicurezza e la stabilità delle costruzioni (strutture come i ponti, ad esempio).
Il coefficiente di resistenza aerodinamica è quindi una misura cruciale in molti settori che prevedono l’interazione traun oggetto e un fluido. Capire e controllare queste forze di resistenza è essenziale per ottimizzare le prestazioni, l’efficienza e la sicurezza di molte applicazioni aerodinamiche.
Calcolo del coefficiente di resistenza aerodinamica
Definizione
La forza di trascinamento, D, è data dalla seguente formula: D = ½ρCxSv²
In cui :
- ρ è la densità del fluido,
- v è la velocità relativa tra l’oggetto in esame e il fluido,
- S è la superficie di riferimento dell’oggetto, ovvero la proiezione dell’oggetto su un piano perpendicolare alla direzione principale del flusso,
- Cx è il coefficiente di resistenza aerodinamica (talvolta indicato anche come C_D).
Questa forza dipende quindi dalle caratteristiche del fluido (densità), dall’oggetto ( forma e rugosità) e dalla velocità relativa tra l’oggetto e il fluido.
Il coefficiente di resistenza aerodinamica Cx è una variabile che fornisce una quantificazione precisa della resistenza aerodinamica di un oggetto in un fluido in movimento.
Si ottiene mettendo in relazione la forza di resistenza aerodinamica subita dall’oggetto con la pressione dinamica e la superficie di riferimento corrispondente: Cx = 2D/ρSv².
Va notato che il coefficiente di resistenza aerodinamica non è una quantità costante: dipende dalle proprietà del fluido che scorre, dalla forma dell’oggetto e dalla rugosità della superficie.
In dettaglio, mostriamo che il coefficiente C_D dipende dal numero di Reynolds.
Nota: il coefficiente di portanza (o disostegno in alcuni casi) è definito nello stesso modo: F_L = ½ ρ C_L S v²
In questa formula :
- ρ è la densità del fluido,
- v è la velocità relativa tra l’oggetto in esame e il fluido,
- S è la superficie di riferimento dell’oggetto, ovvero la proiezione dell’oggetto su un piano perpendicolare alla direzione principale del flusso,
- C_L è il coefficiente di portanza(L per Lift ).
> < In alcuni casi si parla di portanza(F_L 0 ) o di deportanza(F_L 0 ).
Coefficiente di trascinamento e numero di Reynolds
Il numero di Reynolds (Re) è una quantità adimensionale che caratterizza il regime di flusso di un fluido.
Si calcola dividendo il prodotto della velocità del fluido, della lunghezza caratteristica (come il diametro di un cilindro) e della densità del fluido per la sua viscosità cinematica:
Re = ρvL/μ
Dove:
- v è la velocità del fluido,
- L è la lunghezza caratteristica,
- ρ è la densità del fluido,
- μ è la viscosità cinematica del fluido.
Il numero di Reynolds viene utilizzato per determinare se il flusso è laminare(basso Re) o turbolento(alto Re).
Il flusso laminare corrisponde a un basso numero di Reynolds, il che significa che le particelle di fluido si muovono in strati regolari e ordinati intorno all’oggetto.
Al contrario, il flusso turbolento è caratterizzato da un numero di Reynolds elevato, in cui le particelle di fluido si muovono in modo caotico e irregolare.
Dimostriamo che il coefficiente di resistenza aerodinamica dipende dal numero di Reynolds.
Prendiamo l’esempio di un oggetto dalla geometria semplice.
Se prendiamo l’esempio di una sfera liscia (curva rossa nella figura sottostante), notiamo inizialmente che il coefficiente di resistenza aerodinamica(Cx) diminuisce all’aumentare del numero di Reynolds per poi stabilizzarsi intorno a un valore più o meno costante.
Esiste un intervallo più ristretto ad alti numeri di Reynolds in cui il Cx diminuisce e poi aumenta di nuovo per raggiungere un valore più o meno costante.
Questo fenomeno è noto come crisi di resistenza aerodinamica e segna la transizione dal flusso laminare alla turbolenza.
Più precisamente, è legato a un successivo decollo dello strato limite sulla superficie dell’oggetto.
Prendiamo l’esempio della pallina da golf: le fossette sulla superficie della pallina favoriscono il passaggio alla turbolenza e permettono allo strato limite di legarsi nuovamente.
Con un Reynolds compreso tra 10⁴ e 10⁵, la pallina da golf si trova nella regione della crisi di resistenza, come indicato dalla curva, e quindi può percorrere distanze maggiori.
Influenza della forma del corpo sulla resistenza aerodinamica
La forma di un corpo influisce notevolmente sulla forza di resistenza aerodinamica esercitata su di esso.
Gli oggetti che hanno una forma aerodinamica, come gli aerei o le auto da corsa, hanno generalmente coefficienti di resistenza aerodinamicapiù bassi.
Ciò è dovuto alla riduzione della superficie che interagisce con l’aria e alla creazione di un flusso d’aria più regolare e laminare sulla superficie dell’oggetto.
D’altra parte, gli oggetti con una forma più piatta o angolare, come la maggior parte dei camion o degli edifici, hanno generalmente coefficienti di resistenza aerodinamica più elevati.
Queste forme creano più turbolenza e vortici d’aria, aumentando la resistenza al flusso e la resistenza aerodinamica.
Aerodinamica del veicolo
Nozione di strato limite
Lo strato limite è una regione sottile vicino alla superficie di un oggetto in cui gli effetti della viscosità del fluido diventano significativi.
In altre parole, è un’area in cui la velocità del fluido vicino alla superficie dell’oggetto è rallentata a causa dell’attrito con la superficie.
Svolge un ruolo cruciale in molti fenomeni fluidi, in particolare nella transizione tra flusso laminare e turbolento e nella formazione di scie dietro a oggetti in movimento.
Il concetto di strato limite, sviluppato da Ludwig Prandtl nel 1905, deve essere adattato alle diverse situazioni pratiche, in particolare in presenza di unflusso turbolento a monte di un corpo o nello strato limite.
Queste condizioni determinano un cambiamento significativo nei profili di velocità del flusso, con la comparsa di uno strato limite turbolento.
Inoltre, quando i corpi solidi sono poco profilati, questo può portare alla separazione degli strati limite, generando una scia turbolenta a valle del corpo.
In questi scenari, ilflusso risultante non si comporta più come un fluido perfetto, con un conseguente aumento significativo della dissipazione di energia e della forza di resistenza sul corpo.
Ala dell'aereo - Controllo dello strato limite
La forza aerodinamica più importante per l’ala di un aereo è la forza di portanza.
Questa forza è generata dall’effetto Magnus grazie alla circolazione della velocità intorno all’ala.
Per mantenere l’aereo in volo, la forza di portanza(F_L o L per Lift ) deve compensare il suo peso.
Questa forza aumenta proporzionalmente al quadrato della velocità(v) e aumenta linearmente con l’angolo di incidenza(α) quando quest’ultimo è basso.
Si può notare che per l’ala di un aereo, la forza di portanza è dell’ordine di :
F_L ∼ ρ b l v² sinα
Dove:
- ρ è la densità del fluido,
- b è l’apertura alare,
- l è la corda alare,
- v è la velocità dell’ala nell’aria (e quindi la velocità dell’aereo),
- α è l’angolo di incidenza.
Nota che all’aumentare dell’angolo α aumenta anche la portanza.
Questo è l’effetto desiderato per un’ala.
Tuttavia, quando α aumenta troppo e raggiunge un valore critico α_c, si verifica il fenomeno dello stallo: la portanza diminuisce drasticamente e la formula precedente non è più valida.
Per questo motivo è bene evitarla, soprattutto nell’aviazione civile.
Due approcci comuni per migliorare le prestazioni delle ali sono l’aumento dell’angolo critico di incidenza mediante l’utilizzo di lamelle sul bordo d’attacco e l’aumento del coefficiente di portanza per un determinato angolo di incidenza mediante l’utilizzo di flap sul bordo d’uscita.
-
Le lamelle aumentano l’angolo critico di incidenza riattivando lo strato limitedella superficie superiore attraverso l’iniezione di aria tangenziale dallasuperficie inferiore, riducendo così l’effetto del gradiente di pressione inverso ad alta incidenza.
- I flap del bordo d’uscita aumentano la circolazione intorno al profilo alare, determinando un aumento della portanza in funzione di un determinato angolo di incidenza.
Negli aerei di grandi dimensioni, questi flap possono essere utilizzati in serie per aumentare la portanza in fase di decollo eatterraggio.
Riattivano lo strato limite sulla superficie superiore e inducono una forte deviazione verso il basso della velocità del flusso, aumentando la portanza e la circolazione.
Veicoli terrestri
Problemi
Nel contesto dei veicoli terrestri, ridurre al minimo la forza di resistenza aerodinamica è un obiettivo fondamentale per migliorare l’efficienza energetica dei veicoli.
Questa forza di resistenza aerodinamica è generata principalmente dalla differenza di pressione trala parte anteriore e quella posteriore del veicolo mentre questo si muove nell’aria.
A differenza degli aerei, dove l’attrito con l’aria è il principale responsabile della resistenza aerodinamica, nel caso dei veicoli terrestri come le automobili, la pressione gioca un ruolo predominante.
Simulazione CFD degli effetti termici e aeraulici di un'industria in un'area urbana
Una caratteristica importante delle auto è che la deportanza deve essere diretta verso il basso per mantenere una buona aderenza degli pneumatici sulla strada.
Questo contribuisce a migliorare la maneggevolezza, ma è anche fondamentale non avere un’eccessiva deportanza, in quanto può portare a un’usura prematura degli pneumatici e a un attrito eccessivo. Quindi trovare il giusto equilibrio tra la riduzione della resistenza aerodinamica e il mantenimento di una portanza sufficiente a garantire la sicurezza e la stabilità del veicolo è una sfida per gli ingegneri automobilistici.
Riduzione della resistenza aerodinamica
Gli sforzi per ridurre la resistenza aerodinamica si concentrano in particolare sulla progettazione di forme di carrozzeria più aerodinamiche.
Nel corso degli anni, le case automobilistiche sono riuscite a ridurre il coefficiente di resistenza aerodinamica(C_x o C_D) da oltre 0,5 per le auto più vecchie a meno di 0,3 per i veicoli moderni.
Questa riduzione del C_D contribuisce a migliorare l’efficienza dei consumi dei veicoli riducendo la resistenza dell’aria, che si traduce in un minor consumo di carburante.
Tuttavia, la riduzione della resistenza aerodinamica deve essere bilanciata con altri requisiti di progettazione, come l’abitabilità del veicolo.
Ad esempio, alcune forme di carrozzeria che potrebbero ridurre ulteriormente la resistenza aerodinamica potrebbero compromettere lospazio interno o la visibilità per i conducenti, richiedendo compromessi progettuali.
Gran parte della resistenza aerodinamica viene generata nella parteposteriore del veicolo, dove fenomeni complessi come il sollevamento dello strato limite e la formazione di vortici influenzano la resistenza dell’aria.
Gli ingegneri utilizzano modelli standard come il corpo di Ahmed per modellare questi fenomeni e studiare l’impatto di diversi parametri di progettazione, come l’angolo del lunotto, sulla resistenza aerodinamica.
Gli studi sull’aerodinamica dei veicoli dimostrano che la resistenza aerodinamica varia in modo non monotono con l’angolo di inclinazione.
Ad esempio, a basse angolazioni, il contributo del ricircolo trasversale può essere ridotto, mentre l’effetto dei vortici assiali viene amplificato.
Ciò evidenzia la complessità dell’aerodinamica dei veicoli e la necessità di considerare una moltitudine di fattori nella progettazione per ottimizzare le prestazioni complessive.
Infine, è fondamentale mantenere una portanza negativa sufficiente per garantire una buona tenuta di strada, soprattutto alle alte velocità.
Questo garantisce una pressione sufficiente degli pneumatici sulla strada per un’aderenza ottimale.
Di conseguenza, le case automobilistiche devono trovare un delicato equilibrio tra la riduzione della resistenza aerodinamica e il mantenimento della stabilità e della sicurezza del veicolo a diverse velocità e condizioni di guida.
Per i veicoli da corsa come le auto di Formula 1, che viaggiano a velocità di circa 250 km/h, vengono utilizzati sistemi come gli alettoni per migliorare ladeportanza aerodinamica.
Va notato, tuttavia, che questi sistemi aumentano la resistenza aerodinamica.
Controllo attivo o passivo della resistenza o della portanza
I miglioramenti aerodinamici, come l’aggiunta di deflettori sul tetto dei camion o la modifica della forma degli specchietti retrovisori, possono ridurre la resistenza aerodinamica in modo passivo, senza aggiungere energia.
Nel controllo attivo, l’azione viene regolata in tempo reale in base alle condizioni del flusso, manualmente dal pilota in anello aperto o automaticamente da un computer in anello chiuso.
Ad esempio, per evitare la separazione degli strati limite, l’aria può essere aspirata o iniettata vicino alla parete per mantenere un flusso stabile, anche se questo richiede una potenza aggiuntiva ed è raramente utilizzato nella pratica.
Il controllo reattivo ad anello chiuso, ancora in fase di ricerca, coinvolge dispositivi come i generatori di vortici motorizzati per ridurre la resistenza aerodinamica, dimostrando potenziali applicazioni in diversi campi, in particolare quello aeronautico.
Calcolo del coefficiente di resistenza aerodinamica mediante simulazioni CFD
Vantaggi della simulazione CFD
L’uso della fluidodinamica computazionale (CFD) offre una serie di vantaggi rispetto ai tradizionali test in galleria del vento.
In primo luogo, la CFD consente di effettuare simulazioni virtuali, evitando i costi e i ritardi associati alla costruzione e al funzionamento di gallerie del vento fisiche.
I test in galleria del vento richiedono strutture specializzate, con modelli costosi e apparecchiature di misurazione precise.
La CFD, invece, viene eseguita al computer, riducendo notevolmente i costi e i tempi.
In secondo luogo, la CFD consente una maggiore flessibilità nella progettazione e nei parametri di studio.
È più facile modificare la geometria dell’oggetto, le condizioni di flusso o le proprietà del fluido in una simulazione CFD che in una galleria del vento reale.
Questo permette di realizzare un maggior numero di scenari e di esplorare diverse configurazioni, consentendo diottimizzare il progetto in modo più efficace.
Inoltre, la CFD offre una migliore visualizzazione e un’analisi più dettagliata dei risultati.
La simulazione numerica permette divisualizzare le linee di flusso, le aree di turbolenza, i gradienti di pressione e così via, fornendo informazioni dettagliate sul flusso all’interno e intorno all’oggetto di studio.
In questo modo è possibile comprendere meglio i fenomeni aerodinamici eidentificare potenziali aree di miglioramento.
Infine, la CFD permette diesplorare una gamma più ampia di condizioni di flusso.
Mentre i test in galleria del vento sono limitati dalle capacità delle apparecchiature e dalle condizioni dell’aria ambiente, la CFD può simulare condizioni estreme, alte velocità, temperature diverse, ecc. Questo offre una maggiore flessibilità per testare e convalidare le prestazioni dell’oggetto in condizioni reali, cosa che Eolios è in grado di fare.
Questo offre una maggiore flessibilità per testare e convalidare le prestazioni dell’oggetto in condizioni reali, cosa che Eolios è in grado di fare.
Determinazione dei coefficienti aerodinamici
Per determinare il coefficiente di resistenza aerodinamica (e il coefficiente di portanza), sia con la simulazione CFD che con i metodi sperimentali, è necessario comprendere la distribuzione della pressione sulla superficie del corpo.
Anche le forze di taglio viscoso devono essere prese in considerazionesull’intera superficie dell’oggetto studiato.
Questo aiuta a ottimizzare le prestazioni in termini di portanza osostegno, resistenza e stabilità.
Integrando la distribuzione della pressione sulla superficie dell’oggetto, possiamo calcolare la forza di resistenza e il coefficiente di resistenza.
Grazie all’uso del software CFD, il valore dei coefficienti aerodinamici può essere previsto direttamente dopo la simulazione.
La determinazione dei coefficienti aerodinamici è un passo fondamentale nella progettazione e nell’ottimizzazione di qualsiasi oggetto soggetto a forze aerodinamiche.
Queste informazioni possono essere utilizzate permigliorare le prestazioni in termini di resistenza, portanza e stabilità e sono essenziali in molti campi come l’aeronautica, l’industria automobilistica e lo sport.
Simulazione CFD di un'auto di Formula 1
contesto
L’aerodinamica gioca un ruolo cruciale nelle prestazioni delle auto di Formula 1, dove ogni millisecondo conta nella competizione.
Un’auto ben progettata dal punto di vista aerodinamico può generare alti livelli di deportanza, migliorando l’aderenza degli pneumatici e consentendo velocità di percorrenza in curva più elevate.
Inoltre, la riduzione della resistenza aerodinamica consente all’auto di raggiungere velocità massime più elevate sui rettilinei, migliorando le prestazioni complessive.
In questo contesto, la simulazione CFD è diventata uno strumento indispensabile per le scuderie di Formula 1.
La CFD consente agli ingegneri di modellare numericamente il comportamento del flusso d’aria intorno all’auto, tenendo conto di parametri quali velocità, pressione e turbolenza.
Questa modellazione accurata e dettagliata fornisce informazioni cruciali su come le diverse configurazioni aerodinamiche influiscono sulle prestazioni dell’auto.
In particolare, la simulazione fornisce valori precisi per i coefficienti aerodinamici e le forze che agiscono sull’auto.
In questo contesto, Eolios ha effettuato delle simulazioni su una vettura di Formula 1 per determinare i valori di questi coefficienti aerodinamici ed evidenziare i fenomeni responsabili delle varie forze applicate alla vettura.
Campo di velocità
Nelle figure precedenti, l’osservazione principale è che la presenza dell’auto disturba in modo significativo il campo di velocità circostante.
Questo disturbo è particolarmente evidente nella parteposteriore dell’auto, dove il campo di velocità viene descritto come“altamente disturbato e disordinato“, caratteristiche tipiche del flusso turbolento.
Ilflusso turbolento è caratterizzato da irregolarità e complessità, che derivano dalla formazione di vortici, fluttuazioni di pressione e movimenti caotici delle particelle di fluido.
Nel contesto dei veicoli in movimento, il flusso turbolento può essere generato dalla separazione dello strato limite intorno alla carrozzeria, dalle onde di flusso dovute ai contorni del veicolo e dalle interazioni con l’aria circostante.
Queste caratteristiche del flusso turbolento possono avere diverse implicazioni, tra cui un aumento della resistenza aerodinamica, una riduzione dell’efficienza del carburante e una maggiore instabilità del veicolo alle alte velocità.
La comprensione e la modellazione dei flussi turbolenti è quindi essenziale per ottimizzare la progettazione dei veicoli e migliorare le prestazioni in termini di aerodinamica, efficienza dei consumi e stabilità.
Forza di trascinamento
Nelle figure che seguono, visualizziamo i piani di pressione per mostrare l’effetto che ha sull’auto, in altre parole per evidenziare la forza di resistenza all’avanzamento dell’auto di Formula 1.
Dietro l’auto c’è un’area di bassa pressione, che è in gran parte responsabile della resistenza aerodinamica.
Dietro la formula, ilflusso di vortici è dannoso per l’aerodinamica ed è dovuto al fatto che l’aria ha difficoltà ad aggirare l’oggetto.
Questa difficoltà crea una sovrapressione prima dell’auto e una pressione negativa dopo la piastra.
Nelle gare di F1, i piloti sfruttano la bassa pressione nella parte posteriore dell’auto che li precede per sorpassare sui rettilinei: l’auto che sorpassa non deve più “spaccare ” l’aria come l’auto che precede e la differenza di pressione tra la parte anteriore e quella posteriore, e quindi la resistenza, si riduce.
Si dice che l’auto sfrutta il “risucchio ” per sorpassare.
Il software di simulazione CFD viene utilizzato per determinare i valori delle forze applicate all’auto e i valori dei coefficienti aerodinamici.
Nelle simulazioni che abbiamo effettuato, il coefficiente di resistenza aerodinamica è valutato a circa 0,92, che è il valore standard per un’auto di Formula 1. Il valore della forza di resistenza è: F = 1900N.
Il valore della forza di resistenza aerodinamica è: F = 1900N.
Eseguendo il calcolo teorico con la seguente formula:
F = ½ ρ Cx S v²
Considerando una superficie S = 1,5 m², troviamo Fd = 2070 N, che si avvicina al valore calcolato dal software durante la simulazione, tenendo presente che la superficie S utilizzata per calcolare questo ordine di grandezza teorico non è esatta ma approssimativa.
Vorticità
La vorticità misura la rotazione di un fluido attorno a un asse locale.
Quando un oggetto, come un’automobile, passa attraverso un fluido come l’aria o l’acqua, ne perturba il flusso.
Questo crea dei vortici, in cui la velocità e la direzione del fluido cambiano.
Questi vortici generano vorticità, che indica l’intensità e la posizione delle rotazioni.
Nel contesto dei piani illustrati, che mostrano la vorticità, possiamo osservare visivamente come la presenza dell’auto influenzi il flusso del fluido intorno ad essa.
Le aree ad alta vorticità corrispondono generalmente ai punti in cui i vortici sono più intensi, spesso a valle e ai lati dell ‘auto.
L’analisi visiva che abbiamo effettuato utilizzando queste simulazioni ci permette di comprendere meglio l’interazione tra l’auto in movimento e il fluido circostante, un aspetto cruciale in molte aree come l’aerodinamica della Formula 1.
L'effetto "risucchio": simulazione di un'auto di Formula 1 in modalità di sorpasso
Un’altra simulazione mira a stimare la forza di resistenza di un’auto da corsa quando viene risucchiata dal veicolo che la precede, poco prima di sorpassarlo.
La configurazione esaminata è mostrata nell’immagine seguente.
Quando un’auto di Formula 1 sorpassa un’altra, le forze aerodinamiche che agiscono su ciascuna vettura sono notevolmente influenzate dalla loro posizione relativa.
L’auto in fase di sorpasso beneficia di una significativa riduzione della resistenza dell’aria, in quanto beneficia dell’effetto di aspirazione generato dall’auto che sta cercando di sorpassare.
Questa riduzione della resistenza, spesso misurata da una riduzione del coefficiente di resistenza aerodinamica, permette all’auto di guadagnare velocità e dirichiedere meno potenza per mantenere l’accelerazione.
Inoltre, l’auto che viene sorpassata subisce un aumento del coefficiente di resistenza aerodinamica a causa dell’interruzione del flusso d’aria dovuta alla vicinanza dell’auto dietro di lei.
Questi fenomeni dimostrano quanto le dinamiche di gara siano strettamente legate alle interazioni aerodinamiche tra i veicoli e sottolineano l’importanza cruciale del posizionamento e della gestione della resistenza aerodinamica nell’ambito della strategia di sorpasso della Formula 1.
Bilancio
Le forze aerodinamiche, in particolare la resistenza, giocano un ruolo cruciale in molti settori, dall’aeronautica alleautomobili, dallo sport agli edifici.
Comprendere e minimizzare queste forze può migliorare l’efficienza, la sicurezza e la durata di veicoli e strutture.
La simulazione della fluidodinamica computazionale (CFD) si sta affermando come uno strumento essenziale, che offre un approccio molto più accessibile ed economico rispetto ai test in galleria del vento.
Permette un’analisi dettagliata dei fenomeni aerodinamici, aprendo la strada a progetti migliori e a innovazioni più rapide in una serie di settori.
