Come si generano la portanza e la resistenza aerodinamica nelle auto da corsa

Definizione e spiegazione matematica della forza di trascinamento e della forza di sollevamento

Forza di trascinamento e forza di sollevamento.

In questa lezione (per quella precedente sui coefficienti aerodinamici controlla qui) il concetto di aerodinamica ascensore e forza di trascinamento saranno introdotti. Trattandosi di nozioni di base, il lettore che è già pratico di questi concetti può saltare questa lezione. Parliamo di due dei risultati più importanti di un'analisi fluidodinamica!Lift and Drag force

Come si genera la forza di resistenza e di portanza: la spiegazione della pressione.

In generale, il interazione del fluido (ad esempio l'aria) con il corpo (ad esempio il profilo alare) produce una forza risultante su di esso. Per il principio di azione-reazione, la stessa forza di segno opposto viene esercitata dal fluido in movimento. La componente di questa risultante allineata al flusso è chiamata FORZA DI TRASCINAMENTO, mentre quella perpendicolare alla direzione del flusso è denominata FORZA DI SOLLEVAMENTO. Fisicamente la risultante totale che può essere proiettata secondo il sistema di riferimento preferito, è costituita dalla somma delle forze di pressione e sollecitazioni di taglio che agiscono sulla superficie del corpo. Come si vede dall'immagine, l'integrale di queste azioni ci dà le forze (e il momento) che agiscono sul corpo specifico.

Fluid mechanics equation Navier Stokes

Come si generano le forze di resistenza e di portanza: la seconda legge della dinamica.

Non siamo qui per dedicare molto tempo alle formule, ma possiamo notare che sul lato sinistro abbiamo le forze d'inerzia, mentre sul lato sinistro abbiamo le forze di pressione e le forze viscose. La seconda equazione riportata è la trascrizione della formula seconda legge della dinamica dei fluidi. L'equazione è stata semplificata (dovrebbe comparire anche un termine con la divergenza della velocità) assumendo incomprimibile fluido. Infatti, la prima equazione dichiara la condizione di incomprimibilità del fluido, ottenuta scrivendo l'equazione di bilancio di massa. La densità è indicata con rho, v identifica la velocità, p la pressione mentre mu è la viscosità dinamica del fluido.

Drag force

Come si generano le forze di resistenza e di portanza: equilibrio della quantità di moto.

Una semplice visione della forza scambiata tra il corpo e il fluido è illustrata nella figura seguente. La quantità di moto del fluido (una grandezza vettoriale) è cambiata se confrontiamo la quantità di moto in ingresso e quella in uscita. La la variazione di quantità di moto è uguale alla forza che agisce sul fluido. Per i nostri lettori, forniamo anche un spiegazione energetica di resistenza. Il nostro oggetto, muovendosi all'interno del fluido, perturba il campo. Indaghiamo l'energia nel piano sul moto -x: il suo valore non è nullo poiché la vorticità del fluido introduce una certa quantità di energia nel campo fluido. L'energia introdotta nel sistema equivale al lavoro compiuto dalle forze esterne, in questo caso l'oggetto si muove principalmente in direzione x, quindi la maggior parte del lavoro è determinata dalla resistenza aerodinamica moltiplicata per la distanza percorsa x. Abbiamo quindi l'importante indizio che la La forza di resistenza aerodinamica è strettamente correlata alla vorticità introdotta nel campo. Quanto più concentrato è il vorticità, più aumenta il resistenza abbiamo.

drag force generationLe componenti della forza di resistenza aerodinamica.

I due termini principali di cui si compone la resistenza aerodinamica sono: resistenza viscosa (Df) e resistenza alla pressione (Dp). Il termine viscoso è dominante per le forme aerodinamiche, mentre i termini di pressione hanno un grande impatto sulla resistenza aerodinamica totale nei corpi di bluff. È importante sottolineare che un il corpo aerodinamico può comportarsi come un corpo di bluff ad alto angolo di attacco (quando lo strato limite si stacca).

drag force skin and pressure dragL'origine della forza di portanza (deportanza).

Parlando di sollevamento, dobbiamo parlare della sua origine. In particolare, qui di seguito, il interpretazione della vorticità è riportato. La vorticità è essenziale per la portanza. Come si evince dal Kutta-Joukowsky theorem, no vorticity means no lift. Vorticity is produced by the shear friction at the wall. When a body is put inside a flow, vorticity is impulsively produced at the wall and released at the trailing edge. Wait! You’re saying the vorticity field is irrotational (they told you at the school), right!?! It is zero but on the whole domain. In fact, near the body (airfoil) and opposite vortex is produced and it is the cause of lift. The term tau in the Kutta well-known expression (2D bodies) identifices the vorticity.

Aerodynamic lift force

Vorticity is the key for lift force generation.

So, in this lesson we’ve learned the physics beneath the drag and lift forces. Ehi, are you still asking yourself why the vorticity cannot be zero around the airfoil (within the boundary layer)? Think a bit about the definition of vorticity:

lift force generationVorticity is produced at the wall due to no-slip condition. Remember that a different velocity between lower and upper sides determines a non-zero vorticity! In next lesson, we’ll introduce the notion of laminare e turbolento flows and their impact on aerodynamic coefficients.

Drag and Downforce in racing

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