Simulazione al CFD del tedioso effetto porpoising
La stagione di F1 appena conclusa è stata caratterizzata, dal punto di vista tecnico, dal ritorno di un effetto indesiderato: il porpoising. Sin dai test invernali il pompaggio aerodinamico ha colto di sorpresa quasi tutti i progettisti. L’evidente oscillazione verticale apprezzata in pista non era infatti prevedibile, in quanto non modellizzata nei sofisticati software di simulazione.
La maggiore comprensione della dinamica di innesco del “saltellamento” ha consentito la progressiva mitigazione della problematica, anche grazie alla introduzione, dopo il Gran Premio del Belgio, della direttiva tecnica TD039.
Nonostante lo sforzo profuso dalle squadre unitamente al pacchetto di interventi messi in atto dalla federazione internazionale, diversi elementi indicano che il fenomeno del porpoising potrebbe continuare ad essere uno sgradito compagno di viaggio anche nella prossima stagione.
Le scuderie che realizzeranno progetti tecnici estremi “sedotti” da un valore di carico elevato, elemento chiave per le wing car di nuova generazione, potrebbero soffrire in misura maggiore dell’oscillazione verticale anche nella prossimo mondiale.
Nonostante la comprensione della problematica difficilmente il pompaggio sarà totalmente sconfitto, questo in base alle leggi stesse della fisica. Maggiore è la velocità della monoposto più carico aerodinamico viene generato dai potenti tunnel Venturi presenti sul pavimento delle vetture.
La downforce spinge le F1 verso il basso. Aumentando la differenza di pressione tra la superficie inferiore e quella superiore il fondo si abbassa e produce stalli localizzati nella parte laterale del floor vicino alle ruote posteriori. A questo punto gran parte del carico viene bruscamente a mancare e la parte anteriore della monoposto si solleva improvvisamente. Tale fattore consente di riportare la vettura nelle condizioni iniziali e di conseguenza, l’effetto suolo torna a funzionare.
Tale dinamica si ripete ciclicamente sino al momento in cui il pilota frena per prepararsi all’ingresso della curva. In relazione ai diversi concept aerodinamici, è stata osservata un’oscillazione verticale di frequenza diversa. Ad esempio, quella relativa al pompaggio della Mercedes W13 “B”, era nettamente superiore rispetto a quella riscontrata sulla Ferrari, rendendo la freccia d’argento praticamente inguidabile nella prima parte della stagione.
L’innalzamento di 15 millimetri del bordo del fondo sulle vetture della prossima stagione, in teoria, dovrebbe andare a ridurre il rischio di porpoising, senza eliminarlo definitivamente, a scapito del carico aerodinamico.
Secondo il direttore tecnico della divisione monoposto della FIA, Nicholas Tombazis, le modifiche introdotte nel regolamento tecnico 2023 comporteranno la perdita di circa mezzo secondo al giro. Una stima approssimativa che sarà con ogni probabilità minimizzata attraverso gli aggiornamenti aerodinamici che i team apporteranno sulle rispettive monoposto.
Ipotesi condivisa dal direttore tecnico degli ingegneri a bordo pista del team Mercedes Andrew Shovlin. Nonostante le misure adottate dalla federazione internazionale, la maggior parte delle squadre teme comunque che lo spettro del pompaggio aerodinamico possa essere ancora in agguato.
In galleria del vento si può simulare un limitato livello di rimbalzo. Tuttavia dobbiamo considerare che il modello utilizzato non ha sospensioni e non scarica il peso sulle ruote, perciò la rigidezza verticale è completamente diversa, dal momento che il modellino è ancorato ad un’asta appesa al soffitto. Tale scenario è diverso da quello reale, con inerzie e frequenze di beccheggio completamente differenti.
Ovviamente un anno di esperienza ha consentito agli ingegneri di acquisire il know how necessario per studiare il comportamento in galleria del vento e attraverso i sistemi di fluidodinamica computazionale tra le specifiche base e quelle aggiornate. Tale comparazione ha certamente fornito delle importanti linee guida a cui attenersi, utilizzate nella progettazione delle vetture 2023.
In ogni caso gli aerodinamici, alla ricerca di maggiore carico aerodinamico e di un vantaggio competitivo nel contesto virtuale, attenderanno come non mai il riscontro in pista dei propri progetti tecnici durante i primi test collettivi previsti il prossimo febbraio.
Inoltre, il contingentamento delle ore in galleria del vento e delle simulazioni CFD, risulta una grande limitazione per il comparto aerodinamico delle scuderie. Una costrizione del genere, quindi, non consente di simulare in modo realistico il complesso fenomeno del pompaggio e, allo stesso tempo, di riprodurre le condizioni a contorno che contribuiscono all’innesco del fenomeno.
Autore e infografiche: Roberto Cecere – @robertofunoat
simulazione CFD: @ENGSYS-Group