Analisi al CFD dell’assetto picchiato – Rake

Il termine “Rake” negli ultimi anni è stato usato per
definire la posizione del corpo vettura rispetto al suolo di alcune vetture di
F1, specificatamente RedBull e Mercedes.

Ma come funziona realmente questa particolare configurazione
di queste due vetture?

Innanzitutto va detto che per definizione, ogni vettura di
Formula 1, e in generale ogni vettura da competizione che voglia sfruttare al
meglio l’aerodinamica, ha bisogno di avere una certa angolazione rispetto al
suolo, questo per aumentare l’incidenza di tutte le superfici alari e per
riuscire ad ottenere un effetto maggiore di accelerazione del flusso nella
parte inferiore dell’auto.

Bisogna inoltre premettere qualche considerazione su come
funziona un fondo di una vettura di Formula 1.

Come prima cosa c’è da abolire il concetto di “effetto
venturi”, almeno così come è stato definito da Venturi, che viene sempre
richiamato per spiegare il funzionamento del fondo di una monoposto. Nel senso
che il concetto a grandi linee rimane valido, ma non è sempre da prendere “alla
lettera” per spiegare tutti i fenomeni che avvengono sul fondo, come spesso
viene fatto.

si vede intanto che una parete del “famoso condotto venturi”
(il fondo della vettura) è mobile mentre l’altra (il suolo) è fissa rispetto
all’aria e già questa cosa comporta un diverso comportamento del flusso che
lambisce queste due superfici.

La seconda differenza importante, che apparentemente è una
contraddizione, è che moltissima deportanza del fondo viene generata dal
diffusore, cioè la zona triangolare evidenziata nel disegno posta nella parte
finale della vettura. Secondo il principio di “Venturi” infatti, se il condotto
si allarga, come succede nel diffusore, il flusso dovrebbe rallentare e perciò
aumentare la sua pressione, invece all’interno del diffusore accade esattamente
il contrario, cioè vi è un forte aumento di velocità  che causa una forte riduzione di pressione e
la conseguente spinta verso il basso.

La spiegazione di questo fatto risiede nel fatto che il
flusso d’aria quando lambisce un corpo, tende a seguirne il suo andamento e la
sua forma se ci riesce, cioè se non si “separa” come usano dire gli
aerodinamici. Per seguire la forma del corpo, se questo presenta delle
superfici curve, il flusso accelera o frena a seconda se la forma del corpo è
concava o convessa ma dipende anche dalla velocità che il corpo possiede
rispetto al fluido in generale valgono le seguenti considerazioni: 

·        
corpo concavo => velocità del corpo minore
della velocità del suono => il flusso rallenta.

           
Esempio:parabrezza anteriore di un auto stradale, all’altezza dei
tergicristalli

·        
corpo convesso => velocità del corpo minore
della velocità del suono => il flusso accelera.

           
Esempio:parabrezza posteriore di un auto stradale, all’altezza del
montante posteriore

All’imbocco del diffusore di una formula 1 la situazione è
quella di una superficie convessa con flusso subsonico, per cui il flusso
aumenta la sua velocità a causa della curvatura favorevole della superficie.

In generale poi più la curvatura della superficie è elevata
(quindi raggio di curvatura piccolo) maggiore e più violento sarà l’incremento
di velocità, cosa apparentemente positiva ma fino ad un certo punto, poiché
minore è raggio di curvatura, maggiore è il rischio del fenomeno del “distacco
della vena fluida” o separazione del flusso dalla superficie del corpo, che
porta la formazione di vortici nocivi e la perdita quasi totale delle forze aerodinamiche
agenti fino a quel momento sul corpo.

Il fondo di una vettura do formula 1 perciò funziona in
questo modo:

il flusso d’aria viene accelerato nella parte inferiore
all’imbocco della pancia, a causa della forma curva di questa e viene mantenuto
ad alta velocità, il più possibile costante, lungo tutto il fondo della
vettura.

In seguito il flusso d’aria incontra il diffusore, in
particolare la forte curvatura di quest’ultimo nella parte iniziale provoca un
forte incremento di velocità e cioè una forte riduzione di pressione.

La forma successiva del diffusore è quella adatta a
mantenere il flusso attaccato il più possibile alla superficie del diffusore
stesso fino alla fine della sua lunghezza, dove si trova una zona ulteriormente
incurvata verso l’alto e dove si trova (superiormente) anche un nolder,
sostituito negli ultimi anni da un vero e proprio mini profilo alare, che
presenta una piccola soffiatura col fondo stesso capace sia di aumentare
ulteriormente la velocità del flusso, sia di aiutare il flusso a mantenersi ben
aderente alla superficie.

Il “rake” viene quindi utilizzato per consentire una forma
più estrema dell’ingresso del fondo: in particolare quello che succede è che
l’inclinazione del fondo rispetto al suolo provoca una maggiore curvatura delle
traiettorie che percorrono le particelle d’aria e quindi una maggiore velocità
delle stesse.

L’incremento di velocità (decisivo) si ha quindi
all’ingresso della pancia e all’ingresso dello splitter (o T-tray) punto in cui
vi è quindi il maggiore incremento di velocità. Questo incremento di velocità
si ripercuote poi, come detto, sull’intero fondo della vettura provocando una
maggiore deportanza.

Durante il percorso che il flusso percorre lungo la pancia
(a causa dell’assenza di una forza “propulsiva” come una zona di forte
pressione a monte) inevitabilmente il flusso perde velocità a causa delle forze
di attrito che intercorrono tra la superficie e il fluido stesso, questo
rallentamento del flusso è tanto maggiore e violento tanto più il fondo è inclinato
rispetto al suolo.

La conseguenza è che tanto più il fondo è inclinato tanto
più il flusso d’aria risulterà rallentato all’ingresso del diffusore e quindi
quest’ultimo tanto meno efficiente sarà.

Il problema negli anni scorsi veniva risolto grazie agli
scarichi che soffiavano nelle zone vicino alle ruote posteriori con lo scopo di
isolare il diffusore dalle zone critiche delle ruote posteriori, e andavano in
più a “rinfoltire” il flusso d’aria diretto al diffusore stesso.

Ho provato a fare qualche prova CFD, provando una
inclinazione della vettura a partire da un angolo di 0°, 0.3°, 0.6°, 0.9°,
1.2°, 1.5°,  2°. L’asse di rotazione si
trova appena davanti al bordo anteriore dello splitter anteriore.

La geometria usata per la prova è stata sempre la medesima,
molto semplice, così come la “Mesh” per la simulazione si è cercato di farla
con le stesse dimensioni e comunque abbastanza rada.

La geometria della vettura prevede una prova con monoposto
“tipo 2013” con appendici aerodinamiche molto semplici, e una forma non
ricercata ne studiata in maniera particolare, questo semplicemente per valutare
solo l’effetto di una vettura più o meno inclinata.

Ovviamente la vettura NON è stata studiata apposta per
essere inclinata in maniera differente oppure per usare posizioni del corpo
vettura particolarmente esasperati, questo per avere meno variabili possibili
in gioco durante le simulazioni.

La logica seguita è stata quella, durante queste prove
comparative, di modificare meno parametri tra una simulazione e l’altra per
poter avere la massima uniformità di risultati.

Si ribadisce ancora una volta quanto detto riguardo alle
altre simulazioni proposte in precedenza…questa piccola indagine non ha
nessuna pretesa di “verità assoluta” ma solo di curiosità per vedere cosa
succede facendo una certa cosa, a livello puramente qualitativo, per trarne
solo qualche riflessione.

In tutte le simulazioni l’incremento di deportanza tra una
configurazione e l’altra si aveva poiché la parte centrale (imbocco delle pance
e splitter anteriore) producevano una maggiore curvatura delle traiettorie
delle particelle, da qui una maggiore velocità e una riduzione di pressione.

Innanzitutto dal seguente
grafico (in ordinata la deportanza e la resistenza in Newton della vettura,
mentre in ascissa c’è l’angolo di inclinazione del corpo vettura rispetto al
suolo) risulta un andamento della deportanza abbastanza inusuale: prima vi è un
forte calo di deportanza dall’angolo nullo, fino al minimo di deportanza che si
ottiene per l’angolo 0.6°

La deportanza, come si vede, torna a crescere piano piano
fino ad un angolo di 1.6° per poi risalire molto più sensibilmente per un
angolo di circa 2°.

La resistenza (si vede dal grafico in basso) ha un andamento
a crescere dall’angolo nullo fino agli angoli maggiori.

L’efficienza aerodinamica (rapporto tra carico aerodinamico
e resistenza aerodinamica) è illustrato nella seguente figura:

come si vede, ha un andamento praticamente identico a quello
della deportanza.

Ecco illustrati questi grafici, possiamo fare qualche
considerazione interessante. Innanzi tutto perchè scegliere un assetto molto
inclinato?

La risposta potrebbe essere meno scontata del previsto,
infatti si potrebbe pensare di inclinare molto la vettura per avere più
deportanza a bassa velocità; c’è poi da considerare che all’aumentare della
velocità aumenta anche il carico aerodinamico e la vettura tende ad abbassarsi
sia anteriormente sia posteriormente; le sospensioni posteriori però
tradizionalmente sono più morbide rispetto a quelle anteriori per cui di fatto
si ha, ad alta velocità, un abbassamento del posteriore maggiore che
all’anteriore, cioè in definitiva una riduzione dell’angolo che la vettura
forma col suolo. Si torna quindi nella zona di grafico in cui la resistenza
aerodinamica è più bassa, e anche il carico aerodinamico cala. L’effetto del
carico che cala va considerato nell’ottica anche che il carico verticale genera
una resistenza meccanica aggiuntiva dovuta all’attrito meccanico degli
pneumatici.

Questa riduzione di resistenza complessiva non è enorme,
appare abbastanza modesta, come si vede dai grafici, ma è comunque
apprezzabile, soprattutto se l’angolo varia parecchio e si porta fino a valori
tra 0.3° e 0.7°, per cui si ha la maggiore efficienza aerodinamica e la minima
resistenza.

E’ chiaro comunque, che il grafico ricavato sopra, come già
messo in luce, non è stato ottenuto con una vettura disegnata e ottimizzata per
viaggiare con un assetto molto inclinato, per cui quei grafici possono essere
diversi nella realtà, al punto da essere molto più estremi e tali da
giustificare in maniera netta l’uso di questa particolare scelta di assetto del
corpo vettura.

Il motivo per cui invece sarebbe utile viaggiare a bassa
inclinazione, cioè con tutto il corpo più vicino al suole, è proprio il fatto
che viaggiando bassi le traiettorie delle particelle di aria sono “costrette”
in spazi più ridotti e quindi sono costrette ad aumentare la loro velocità.

Lo svantaggio però è che si è costretti a viaggiare con
assetti meccanici più rigidi, con una maggiore difficoltà in trazione, a causa
della necessità di mantenere una inclinazione più costante del corpo vettura
per via della sua vicinanza al suolo.

Nelle seguenti immagini si vede l’andamento delle pressioni
sul fondo della vettura per le diverse inclinazioni; le zone tendenti al
blu-verde sono quella a più bassa pressione, quelle all’arancio-rosso quelle a
più alta pressione:

0°

0.3°

0.6°

0.9°

1.5°

Quello che si nota da questi disegni, come detto in
precedenza, è che la porzione di fondo a bassa pressione all’imbocco della
pancia e dello splitter anteriore, aumenta di dimensione all’aumentare
dell’angolo che la vettura forma col suolo, mentre parallelamente, la zona del
diffusore perde efficienza.

In pratica vi è un un trasferimento di carico dalla zona del
diffusore a quella centrale della vettura.

Il “trade off” consiste quindi nel trovare l’ottimale angolo
rispetto al suolo (considerando anche gli effetti dinamici di beccheggio
durante la marcia) che consenta di non perdere troppo carico al retrotreno e di
aumentare il carico all’avantreno.

Il tutto all’epoca degli scarichi soffiati andava ad
aggiungersi all’effetto di forte depressione creata dagli scarichi che
soffiavano nelle zone adiacenti al diffusore, facendo recuperare al diffusore
parte di quel carico che si perdeva innalzandolo.

Federico Basile.