Uno dei più importanti sistemi di generazione di downforce, che ha fatto molto discutere anni addietro, e che in pianta stabile è ormai presente anche su vetture stradali, è il diffusore. Storicamente infatti, sebbene si ricordi la sua presenza nel 2009 ad opera di Brawn sulla omonima vettura, come fonte di proteste e diatribe tra i team, è facile intuire come versioni differenti dello stesso fossero già presenti su veicoli anche di diverse categorie, negli anni precedenti. Il motivo del suo largo utilizzo è principalmente da attribuire alla capacità di generare con relativa semplicità una grande quantità di deportanza (ovvero di spinta verticale verso il basso), garantendo al contempo una resistenza aerodinamica molto inferiore rispetto ad altri elementi aerodinamici come gli alettoni posteriori. Tale effetto è da attribuire ad un legame velocità/pressione all’interno di un condotto, che verrà di seguito rapidamente spiegato, noto anche come effetto Venturi, in riferimento all’omonimo fisico italiano. Il diffusore, altrimenti detto anche come estrattore, è costituito da un lungo canale, assimilabile ad una rampa o ad un piano inclinato, che vede dunque aumentare le dimensioni del volume contenuto (non solo variando l’altezza da terra verticalmente, ma tramite allargamenti laterali), lungo l’asse longitudinale.Nella sua parte terminale, dove la quasi totalità dell’effetto viene generato, esso possiede una curvatura (tipicamente verso l’alto per le auto stradali), o più curvature, con canali di espansione per le vetture di Formula1. La fisica dell’effetto è molto semplice, se paragonata ai complessi sistemi ad oggi utilizzati sulle auto di Formula 1, e consiste nell’apportare un’accelerazione al flusso d’aria passante nella parte inferiore della vettura, generando una differenza di pressione con quello passante al di sopra della stessa. Ovviamente, essendo il moto del veicolo fortemente subsonico, la decelerazione del flusso avviene per espansione (per aumento del volume secondo quanto espresso precedentemente), ovvero, essendo pressione e velocità connesse fisicamente, ad una accelerazione del flusso, corrisponde la diminuzione di pressione richiesta.
“Il ruolo chiave del diffusore su una moderna auto da corsa è quello di creare un’area di bassa pressione a valle del flusso accelerato sotto la vettura, aumentando così il carico aerodinamico.”
Perché il “doppio diffusore” è più efficiente? Semplicemente perchè permette l’espansione di un volume maggiore d’aria rispetto ai “classici” diffusori; attirano più aria dal sottoscocca aumentando cosi i livelli di deportanza generata. Ciò che agli ingegneri interessa in questo caso è riuscire a creare una differenza di pressione negativa sull’asse verticale, che si traduce quindi in forza diretta verso il basso, applicata su una superficie. Non bisogna dimenticare però, che essendo il flusso a valle dell’estrattore circa a pressione ambiente, dunque maggiore rispetto a quella ottenuta nella fase di estrazione, al termine dello stesso il cosiddetto “delta di pressione” agente sul flusso è negativo sull’asse longitudinale, ovvero in senso opposto al moto della vettura. Se questo salto fosse troppo elevato, e quindi l’espansione richiesta troppo “brusca”, si otterrebbe un effetto terribile che occorre evitare il più possibile: il distacco del flusso. Poiché questo elemento è in grado di sfruttare quanto appena descritto, risulta evidente come i team cerchino di ottenere il massimo vantaggio da tale componente, in funzione di una generazione di carico da trasferire agli pneumatici in modo da ottenere la corretta aderenza portando in finestra gli stessi, così da aumentare la velocità di percorrenza in curva. Tutto questo, senza pregiudicare la velocità di punta, che verrebbe ridotta a fronte di un peggioramento dell’effetto di penetrazione della vettura, il quale però è molto più sensibile ai cambiamenti apportati sull’appendice aerodinamica (o alettone) posteriore. Si presti comunque particolare attenzione al fatto che le curvature sopracitate, in grado di accentuare l’effetto descritto, devono essere accuratamente studiate e progettate. È infatti fondamentale per il principio di generazione di carico e di riduzione della resistenza aerodinamica generata evitare il più possibile distaccamento della vena fluida, la quale produrrebbe altrimenti un incremento di turbolenza, corresponsabile ad un elevato incremento del drag, ed al contempo ad una forte riduzione di spinta verticale. Non solo. La presenza di distaccamento, tipicamente dovuto ad una curvatura troppo accentuata, e quindi ad una richiesta di salto di pressione (o espansione) troppo elevato (pressione di estrazione meno pressione ambiente in modulo elevato e in verso negativo), come sopra citato, ha l’effetto di ridurre la sezione di passaggio della massa d’aria, provocando irrimediabilmente una minor espansione, dunque una ridotta differenza di pressione, e conseguentemente una riduzione del carico di downforce generato. È facile dunque intuire anche la motivazione per cui a causa della grande massa d’aria estratta, in espansione, e in funzione della ricerca della massima efficienza (rapporto dwf/drag elevato), le vetture di Formula1 posseggano canali di convoglio d’aria e di aiuto all’espansione: in questo modo si va a limitare il più possibile il distaccamento longitudinale, laterale, e viene garantito l’apporto di flusso in modo più uniformemente energizzato nella parte terminale.
Figura 1
Come si evince da figura 1, con il flusso che passa dalla parte anteriore a quella posteriore, l’espansione produce un abbassamento di pressione, provocando di conseguenza un salto negativo (freccia blu) di pressione, che può, assieme ad un troppo elevato “E” generare il distacco della vena fluida, generando ricircolazione, e turbolenza, oltre ovviamente ad una riduzione della sezione di espansione del flusso. Tipicamente, “E”, stabilito con rapporti di variazione di altezze e lunghezze del condotto in espansione, ha dei range di valori di ottimo, ampiamente studiati dai vari Team al CFD e in galleria del vento. Ma si faccia attenzione che dunque il rake, l’altezza da terra, il passo e le curvature nella parte terminale possono vedere progressive variazioni dello stesso, qui rappresentato solo in senso verticale (mantenendo quindi le pareti laterali parallele), ma che nella realtà può sviluppare forme a tronco di piramide o tronco di cono, con rischi per la separazione anche laterale. Passando ad analizzare i diffusori Spec 2019 dei vari Team, se qualche stagione fa si potevano notare differenze anche importanti soprattutto nelle parti esterne, basti vedere Ferrari con la sua SF70H, già dalla scorsa stagione ein questo 2019 gli ingegneri hanno tutti pian piano virato verso la soluzione introdottada Red Bull nel 2017 sulla sua RB13. Una sezione esterna, ora molto pulita aerodinamicamente (basta confrontare i diffusori sopra mostrati con quello della Ferrari SF70H), che ha il compito di non fare interagire il flusso in uscita dal diffusore con la scia dello pneumatico posteriore. E’ bene ricordare che un flusso d’aria in uscita da una regione ad alta turbolenza tende ad avvicinarsi ad una regione a bassa turbolenza insomma la scia dello pneumatico tende ad “entrare nel diffusore” riducendo il rapporto di espansione che risulta essere sicuramente un qualcosa di deleterio per quanto riguarda il rapporto di espansione di un diffusore. Introdurre infatti turbolenze in un flusso utile a generare carico aerodinamico significherebbe inserire delle perdite e quindi avere una minor efficienza di generazione. E’ fondamentale sia nella parte fondo piatto che in quella del diffusore mantenere il flusso il più possibile non turbolento minimizzando così le perdita di pressione e la turbolenza ed è per questo che sul diffusore vengono inseriti dei profili verticali (il gradiente di pressione avverso può causare fenomeni turbolenti). Come fanno quindi i Team ad espandere lateralmente il diffusore senza farlo interagire con la scia turbolenta degli pneumatici posteriori? Vanno a staccare dei vortici dalle parti esterne del diffusore per “spingere” il più lontano possibile dal diffusore la scia della ruota. Questo permette sicuramente di aumentare il rapporto di espansione del diffusore senza provocare la separazione del flusso che causerebbe una duplice conseguenza: deleteria perdita di carico aerodinamico e conseguente aumento di resistenza all’avanzamento sul posteriore della vettura. In generale tra i Top Team è Ferrari ad avere il diffusore più ricercato aerodinamicamente, seguita da Red Bull e poi Mercedes, aiutata anche da un progetto a Low Rake che minimizza quindi i problemi descritti ad inizio articolo. Nei Team di seconda fascia, stupisce la (fin troppa) semplicità del diffusore Renault, una delle vetture con più angolo di rake in assoluto che ha puntato molto, con scarsi risultati, sul design degli endplate per (anche) allontanare la scia degli pneumatici posteriori dal diffusore. La RS19 è una vettura molto instabile aerodinamicamente parlando. E’ per questo che un nuovo step di sviluppo è ora in galleria del vento e molto probabilmente, dopo l’ancora necessaria approvazione, verrà portato in pista nella parte finale di stagione. Nel pacchetto c’è anche un posteriore rivisitato. Con l’obiettivo di un grande passo in avanti, lato aerodinamico e telaistico, per la stagione 2020. Con Alonso molto interessato a questi possibili progressi dei “gialloneri” nei prossimi mesi. Autori: PG Tech (@smilextech) – Federico Ghioldi Immagini: LuisFeF1@LuisFeF1– Alessandro Arcari –@Berrageiz
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L'intero articolo mi lascia parecchio perplesso. Nella divergenza di un condotto Venturi (come è un sistema fondo piatto - diffusore) non si ha affatto una diminuzione di pressione, ma una diminuzione di velocità con conseguente aumento di pressione (per la conservazione dell'energia). Del resto la tesi stessa "aumento di sezione = diminuzione di pressione" cozza con il resto dell'articolo, che spiega che un delta eccessivo di pressione tra la fine del diffusore e l'ambiente causerebbe un distacco di vena e un aumento spropositato del drag (vero): ma allora quale ingegnere, una volta raggiunta la pressione minima (in corrispondenza della sezione di gola, ovvero subito prima dell'inizio del diffusore), cercherebbe di ridurre ulteriormente la pressione lungo il diffusore, andando incontro a un muro di alta pressione al di fuori di esso? Tutto questo non avrebbe il minimo senso, è una contraddizione unica.
Tanta confusione in un articolo tecnico proprio non ci vorrebbe.
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L'intero articolo mi lascia parecchio perplesso. Nella divergenza di un condotto Venturi (come è un sistema fondo piatto - diffusore) non si ha affatto una diminuzione di pressione, ma una diminuzione di velocità con conseguente aumento di pressione (per la conservazione dell'energia). Del resto la tesi stessa "aumento di sezione = diminuzione di pressione" cozza con il resto dell'articolo, che spiega che un delta eccessivo di pressione tra la fine del diffusore e l'ambiente causerebbe un distacco di vena e un aumento spropositato del drag (vero): ma allora quale ingegnere, una volta raggiunta la pressione minima (in corrispondenza della sezione di gola, ovvero subito prima dell'inizio del diffusore), cercherebbe di ridurre ulteriormente la pressione lungo il diffusore, andando incontro a un muro di alta pressione al di fuori di esso? Tutto questo non avrebbe il minimo senso, è una contraddizione unica.
Tanta confusione in un articolo tecnico proprio non ci vorrebbe.