L'aerodinamica dell' ala posteriore di F1

Analisi CFD spiegata nel Motorsport

In questo articolo analizzeremo tramite CFD (Computational Fluid Dynamics) l'ala posteriore della Red Bull 2017. Il modello CAD è stato scaricato da GrabCad, con la geometria che è stata di conseguenza sistemata per la generazione della griglia di calcolo (mesh).

I componenti dell'ala posteriore di una F1.

L'ala posteriore di una F1 ha lo scopo di generare deportanza per controbilanciare quella prodotta dall'ala anteriore. Infatti, la distribuzione delle forze lungo il veicolo determina l'equilibrio complessivo di una vettura. L'ala posteriore di una F1 genera circa ~10% in meno di deportanza dell'ala anteriore. Infatti, l'ala posteriore funziona in modo diverso da quella anteriore:

  • L'ala posteriore non funziona sfruttando l'effetto suolo
  • L'ala posteriore funziona con flusso disturbato a causa dell'interazione con l'anteriore e le ruote anteriori con il flusso.

aerodinamica dell'ala posteriore di una F1

Quali sono i componenti principali di un'ala posteriore di F1?

Come riportato dall'immagine qui sopra, possiamo evidenziare:

  1. Un main plane (profilo principale): il profilo più spesso del gruppo dell'ala posteriore. Questa parte rimane fissa quando il DRS è aperto.
  2. Il Flap: il profilo più piccolo che funge da lembo scanalato aumentando la deportanza e impedendo il distacco del flusso. Questa parte viene movimentata e aperta dal sistema DRS (controllare come funziona il DRS qui). Il piano principale e il flap sono collegati per mezzo di lische di pesce. Come si può notare, in prossimità di una lisca di pesce è presente un bordino sull'aletta perché, altrimenti, il flusso tende a separarsi facilmente.
  3. Nella parte superiore del piastre terminali (le piastre laterali), abbiamo delle feritoie/grillini. Queste aperture possono avere forme diverse (aperture orizzontali o anche curve).
  4. Trim intermedio:Questa parte dell'endplate, a volte è rifilato per guidare meglio il flusso proveniente dalle ruote e dalla carrozzeria.
  5. Trim inferiore/scorciatoie: Queste feritoie, situate nella parte inferiore delle piastre terminali, sono progettate per lavorare in modo efficiente con il diffusore posteriore e i gas di scarico.

ala posteriore f1 aeroala posteriore f1 cfdAla posteriore geometria f1

Preparazione CFD per l'analisi dell'aerodinamica dell'ala posteriore di F1.

I risultati della simulazione sono solo a scopo esplicativo. Infatti, sono state introdotte alcune approssimazioni come:

  • Per ispezionare l' aerodinamica di una vettura di F1, è necessario implementare un modello completo del veicolo. L'aerodinamica è fondamentalmente non lineare, quindi un componente a sé stante ha prestazioni diverse se integrato in un modello completo.
  • L' tunnel della galleria del vento non è grande come dovrebbe essere (per le risorse di calcolo). Infatti, l'ingresso della galleria del vento dovrebbe essere almeno 15 volte la lunghezza caratteristica dell'oggetto (cioè la corda dell'ala) mentre l'uscita almeno 25 volte la corda lontana dal modello.

Quali sono le fasi di preparazione di un modello CFD per l'aerodinamica dell'ala posteriore di una F1?

Le fasi di preparazione di una simulazione CFD sono, in generale, le seguenti:

  1. Preparazione del modello CAD: correzione e pulizia della geometria per evitare che la mesh entri nel modello.
  2. Meshing di superficie: Generazione di mesh di superficie con diversi livelli di raffinatezza in base all'obiettivo di dettaglio e alle risorse computazionali
  3. Mesh (griglia) di calcolo di volume: la maglia della superficie viene estrusa per riempire il volume.
  4. Impostazione delle condizioni al contorno: sono impostate per ogni parte del modello. Di solito, per le simulazioni CFD allo stato stazionario freddo si impostano le condizioni di ingresso, uscita e il tipo di parete (a scorrimento o non a scorrimento).
  5. Selezione del tipo di simulazione e del modello di turbolenza: Si sceglie il tipo di simulazione (stazionaria o transitoria) e si imposta il modello di turbolenza (ad esempio k-e).

Di seguito sono riportate le caratteristiche della mesh e le condizioni al contorno per la simulazione dell'aerodinamica di un'ala posteriore di F1 (Red Bull 2017).

Modello CFD: Caratteristiche della mesh.

  • Numero totale di elementi di volume ~ 10'500'000
  • Il tipo di griglia (mesh) è misto: prismi (penta) per lo strato limite e tetra per la mesh del volume con piramidi di transizione.
  • La lunghezza minima della superficie è di 2 mm con un fattore di riduzione di 0,5 (quindi la lunghezza minima può scendere a 1 mm).
  • Il numero totale di layer è 6, con un fattore di crescita pari a 1,3. L'altezza del primo strato è di 0,44 mm.

La stima della prima altezza dello strato boudary è stata effettuata con l'approssimazione della lastra piana in modo da ottenere una y+ ~ 30-40. Per una visione più completa dello strato limite e y+ coon spiegazione, vedere questo articolo.

Modello CFD: Valori di riferimento e condizioni al contorno.

  • Velocità di ingresso: 50 m/s
  • Area di riferimento: 0.23275 m^2
  • Lunghezza di riferimento: 0,4 m
  • Modello di turbolenza: k-e realizable All y+ treatment
  • Condizione limite sui lati della Galleria del Vento: tipo di scorrimento
  • Dimensioni della galleria del vento (m): 3 x 3 x 6

Analisi CFD dell'ala posteriore di una F1.

Come previsto, la parte superiore del gruppo alare è soggetta a un elevato coefficiente di pressione (area di lettura). Alta pressione significa che il gruppo viene spinto verso il basso. L'area blu indica una zona a bassa pressione, l'ala viene letteralmente "risucchiata" verso la regione blu. Naturalmente, la deportanza prodotta è legata all'angolo di attacco dell'ala principale e del flap posteriore (la configurazione attuale è di media/alta deportanza).

aerodinamica dell'ala posteriore di un'ala da f1

Coefficiente di portanza e resistenza di un'ala posteriore di F1.

Per il modello attuale (ala posteriore F1 indipendente) sono stati calcolati i seguenti coefficienti aerodinamici. Per saperne di più sul coefficiente aerodinamico, leggete questo post (Il coefficiente di portanza e di resistenza aerodinamica spiegato).

Cd (coefficiente di resistenza aerodinamica)=1,33

Cl (coefficiente di portanza)=-5,67

E (Efficienza) = Cl/Cd = 4,3

La scia prodotta dall'ala posteriore di una vettura di F1.

Nella parte posteriore del veicolo si genera un'area di bassa pressione. L'obiettivo dell'ingegnere è quello di ridurre il più possibile questa depressione per diminuire la resistenza del veicolo. Quando un veicolo segue un altro, sente questa zona di depressione (se abbastanza vicino). Quest'area di depressione è una zona a bassa energia, che viene anche chiamata "zona di pressione" o" regione della scia“.

La definizione di "scia (wake)".

È di buon senso definire "scia" la regione chiusa in cui la pressione totale è uguale a zero. Ciò significa che il flusso ha perso sia la pressione statica sia la pressione dinamica a causa delle perturbazioni incontrate (ad esempio, la perturbazione è la carrozzeria). Per ulteriori informazioni sull'influenza della scia, consultare l'articolo su Perché è difficile sorpassare un camion piuttosto che un'auto?

Visualizzazione delle linee di flusso di un'ala posteriore di F1.

L'immagine seguente traccia le linee di flusso dal piano inferiore/centrale del gruppo posteriore. Questa visualizzazione può dare un'idea della "dell'upwash" introdotto dall'ala posteriore di una F1. Ricordiamo che per l'analisi stazionaria le streamline (linee tangenti al vettore velocità) coincidono con le pathline. Inoltre, si può notare che nella parte inferiore del mainplane, le linee di flusso il flusso viene accelerato (quindi la pressione scende localmente - si veda anche l'area blu sul grafico Cp). Un percorso simile delle particelle può essere ripreso dalle telecamere quando le auto corrono sul bagnato. posteriore-avvoltoio-f1-toro rosso

Spiegazione del design dell'ala posteriore di F1: lamelle superiori e inferiori.

L'aerodinamica delle feritoie inferiori.
Alette posteriori winf f1 aerodinamiche

Sezione Z del campo di velocità delle lamelle inferiori di un'ala posteriore di F1

Le lamelle inferiori di un L'ala posteriore di F1 ha molteplici funzioni:

  • Migliorare l'interazione con il campo di pressione del diffusore.
  • Ridurre la resistenza aerodinamica prodotta dal vortice delle piastre terminali.

Come si può vedere dall'immagine sopra, le lamelle (che in alcuni casi sono veri e propri profili aerodinamici) costituiscono una sorta di canale per attenuare la differenza di pressione tra il lato interno e quello esterno delle piastre terminali. Questa caratteristica, infatti, contribuisce a ridurre l'intensità dei vortici di estremità. Infatti, quanto più è intenso un vortice di estremità, maggiore è la resistenza aerodinamica prodotta. Inoltre, un forte vortice d'estremità altera l'angolo di attacco effettivo del flusso, diminuendo la deportanza prodotta.Se volete una spiegazione più approfondita dell'intensità-drag del vortice, leggete il nostro articolo (Come si generano la portanza e la resistenza aerodinamica nelle auto da corsa).

L'aerodinamica delle lamelle superiori.
aerodinamica dell'ala con feritoie superiori

Sezione Z del campo di velocità delle lamelle superiori di un'ala posteriore di F1

Come le lamelle inferiori, quelle superiori hanno la funzione di ridurre l'intensità del vortice. In alcuni casi, la vorticità è ulteriormente ridotta da un complesso interazione di vortici contro-rotanti (uno in senso orario e l'altro in senso antiorario). La riduzione della turbolenza è importante anche in condizioni di imbardata: quando si sviluppa un flusso troppo turbolento, anche la stabilità della vettura tende a risentirne. La stabilità all'imbardata è migliorata da un bordo d'attacco arrotondato dell'endplate (si può vedere nell'area rossa dell'immagine qui sopra).

Effetto upwash in un'ala posteriore di F1.

In quest'ultima sezione riportiamo le linee di flusso nella sezione centrale dell'ala posteriore. Questo tipo di analisi mostra i forti benefici della simulazione CFD (fluidodinamica computazionale) che è uno strumento che riduce notevolmente i costi di sviluppo.

analisi aerodinamica dell'ala posterioreL' dell'upwash , la deviazione del flusso è molto evidente. La generazione di deportanza può essere facilmente spiegata dal principio della reazione d'azione (La terza legge di Newton). Il flusso è spinto verso l'alto dall'ala posteriore, mentre l'ala è spinta verso il basso. Come si può notare dal colore delle linee di flusso, il flusso accelera nella parte inferiore del profilo alare mentre decelera nella parte superiore. Come regola generale, quando la dissipazione è trascurabile (cioè quando il flusso è attaccato) si può applicare il principio di Bernoulli (per maggiori informazioni leggere questo post: Perché le palline da golf hanno le fossette?

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