TEORIA STRATO LIMITE APPLICATA APPLICATA ALLA FERITOIA FERRARI – ANALISI CFD

Lo scorrimento di un fluido viscoso su un corpo, determina uno strato limite il cui andamento (es. su una lastra piana) è rappresentato in fig. 1

Fig. 1 Andamento dello strato limite su una lastra piana

Se il deflusso delle particelle fosse sempre ordinato, rappresentato da linee di corrente parallele tra loro, lo strato limite si definirebbe laminare, per distinguerlo dal turbolento caratterizzato da un andamento disordinato o vorticoso.
L’esperienza però dimostra che lo strato limite laminare non si estende mai su tutto il corpo lambito dalla corrente, ma quando il numero di Reynolds locale supera un valore critico si passa allo strato limite turbolento. Ciò è dovuto alla progressiva perdita di energia cinetica delle particelle fluide con conseguente aumento del gradiente avverso di pressione nella direzione moto. Quindi, nella prima parte il deflusso è laminare, poi aumentando il rallentamento del fluido (per effetto delle azioni tangenziali di attrito fluido-corpo), si passa alla zona di transizione interessata da uno spessore maggiore, che si esalta sempre più in quella turbolenta a causa del notevole aumento del disordine del moto.

La fig. 2 mostra l’andamento della resistenza di attrito in funzione del numero di Reynolds locale:

Fig. 2 Andamento della resistenza di attrito all’interno dello strato limite.

dalla quale è evidente il maggiore valore della resistenza di attrito per strato limite turbolento rispetto al regime laminare. Si noti come l’inizio del moto disordinato (transizione) ed il suo progredire con la turbolenza, comporti un notevole aumento della resistenza; da ciò tutti gli sforzi per conservare il regime laminare su gran parte del corpo, come avviene nel caso dei profili laminari ed ancor più in quelli supercritici.

• aspirazione dello strato limite;
• soffiamento dello strato limite

Aspirazione dello strato limite 

Questa tecnica consiste nell’aspirazione dello strato limite, lungo la direzione di avanzamento del flusso, in modo da sottrarre al flusso lo strato meno energico.
Per permettere che questo metodo funzioni in modo corretto bisogna evitare qualsiasi tipo di imperfezione sul profilo, per evitare che quest’ultimo perturbi lo strato limite laminare “trasformandolo” in turbolento.

Esempio di uso di questa tecnica nell’aviazione
Il caccia-cacciabombardiere Lockheed PF-80 “Shooting Star”. La freccia nera con indicato il numero 1 indica il condotto di spillamento dello strato limite che dopo aver lambito il muso muso, arriva in questa zona (ingresso presa d’aria del motore). In questo aereo, lo strato limite entra all’interno della fessura (nel disegno non si vede ma c’è una piccola fessura) e viene poi espulso all’esterno attraverso la griglia indicata con freccia gialle e numero 2.

Soffiamento dello strato limite.
Un modo alternativo per ritardare la separazione dello strato limite è quello di iniettare nel flusso, tangenzialmente alla superficie del profilo, una corrente di aria ad alta velocità. Questo aumento di quantità di moto accelera nuovamente le particelle più lente dello strato limite che erano state rallentate dagli effetti viscosi di parete.

Esempio di uso di questa tecnica nell’aviazione
Nell’immagine in basso è rappresentata in sezione l’ala di un F-104. Questo aereo era dotato di un sistema chiamato ipersostentatori “soffiati.

 Con A sono indicati gli ugelli da cui esce il flusso di aria compressa (in rosso nel disegno) spillata dal compressore del motore General Electric J79 e convogliata nell’ala dal condotto C.

Questo sistema ha lo scopo di energizzare lo strato limite (velocizzare) in modo che il flusso d’aria sia sempre “pulito”. Ciò consente di energizzare (cioè velocizzare) lo strato limite, così da garantire un flusso d’aria sempre “pulito”. Questo sistema è molto funzionale perché l’aria compressa viene prelevata direttamente dal compressore del motore a getto.

Ai fini delle prestazioni aerodinamiche, è bene mantenere lo strato limite molto energico. In questo caso, avremo uno strato limite molto sottile e veloce.

Al contrario, quando lo strato limite si presenta spesso e lento (magari dopo aver lambito una parete di ampie dimensioni), viene definito a “profilo sgonfio”, o “stanco”.

La qualità dello strato limite, pertanto, influenza le prestazioni aerodinamiche di una monoposto, specie per quanto concerne la ricerca dell’effetto suolo. In particolare, risulterà basilare un adeguato controllo dello strato limite affinché il fondo vettura ed i profili estrattori lavorino al massimo delle proprie capacità

Nel test al CFD realizzato da Andreas Mouzouris non si trovato un gradiente di pressione negativo anche se, probabilmente dovuto, all’esclusione nell’analisi di una paratia sotto il muso che si trova sotto la K di Kasperky. In questa zona sotto il muso c’è una variazione di inclinazione che, molto probabilmente, crea un Punto di gradiente negativo. Quando c’è un punto di gradiente negativo lo spessore dello strato limite aumenta (moto turbolento). In particolare nella zona di moto laminare risulta essere proporzionale a sqrt(x) (quindi cresce piu lentamente della legge lineare) mentre nella zona di moto turbolento invece lo spessore sarà proporzionale a x^0,8 …pertanto crescerà piu velocemente di sqrt(x). 

Queste considerazione fatte riguardano lo spessore dello strato limite idrodinamico nel moto forzato senza scambio termico. Se consideriamo anche lo scambio termico allora ci sarà anche uno strato limite termico il cui spessore sarà dato dallo spessore dello strato limite idrodinamico diviso il numero di Prandl alla 1/3. Il numero di Prandl dipende dal tipo di fluido in cui la vettura viaggia (fluido=aria numero di Prandl quasi uguale a 1) e quindi lo spessore dello strato limite idrodinamico e spessore strato limite termico coincidono.

Infatti in questa zona per “pulire” lo strato limite gli aerodinamici della Ferrari hanno usato una fessura abbastanza grande come dimensione.