TEORIA STRATO LIMITE APPLICATA APPLICATA ALLA FERITOIA FERRARI - ANALISI CFD - FUNOANALISITECNICA F1ANALISITECNICA
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TEORIA STRATO LIMITE APPLICATA APPLICATA ALLA FERITOIA FERRARI - ANALISI CFD

Cosa si intende per "pulire" lo strato limite?
Lo scorrimento di un fluido viscoso su un corpo, determina uno strato limite il cui andamento (es. su una lastra piana) è rappresentato in fig. 1
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Fig. 1 Andamento dello strato limite su una lastra piana
Se il deflusso delle particelle fosse sempre ordinato, rappresentato da linee di corrente parallele tra loro, lo strato limite si definirebbe laminare, per distinguerlo dal turbolento caratterizzato da un andamento disordinato o vorticoso.
L’esperienza però dimostra che lo strato limite laminare non si estende mai su tutto il corpo lambito dalla corrente, ma quando il numero di Reynolds locale supera un valore critico si passa allo strato limite turbolento. Ciò è dovuto alla progressiva perdita di energia cinetica delle particelle fluide con conseguente aumento del gradiente avverso di pressione nella direzione moto. Quindi, nella prima parte il deflusso è laminare, poi aumentando il rallentamento del fluido (per effetto delle azioni tangenziali di attrito fluido-corpo), si passa alla zona di transizione interessata da uno spessore maggiore, che si esalta sempre più in quella turbolenta a causa del notevole aumento del disordine del moto.

La fig. 2 mostra l’andamento della resistenza di attrito in funzione del numero di Reynolds locale:
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Fig. 2 Andamento della resistenza di attrito all'interno dello strato limite.
dalla quale è evidente il maggiore valore della resistenza di attrito per strato limite turbolento rispetto al regime laminare. Si noti come l’inizio del moto disordinato (transizione) ed il suo progredire con la turbolenza, comporti un notevole aumento della resistenza; da ciò tutti gli sforzi per conservare il regime laminare su gran parte del corpo, come avviene nel caso dei profili laminari ed ancor più in quelli supercritici.

Per evitare che lo strato limite passi da laminare a turbolento esistono due modi:
  • aspirazione dello strato limite;
  • soffiamento dello strato limite
Aspirazione dello strato limite 

Questa tecnica consiste nell'aspirazione dello strato limite, lungo la direzione di avanzamento del flusso, in modo da sottrarre al flusso lo strato meno energico.
Per permettere che questo metodo funzioni in modo corretto bisogna evitare qualsiasi tipo di imperfezione sul profilo, per evitare che quest'ultimo perturbi lo strato limite laminare "trasformandolo" in turbolento.

Esempio di uso di questa tecnica nell'aviazione
Il caccia-cacciabombardiere Lockheed P\F-80 “Shooting Star”. La freccia nera con indicato il numero 1 indica il condotto di spillamento dello strato limite che dopo aver lambito il muso muso, arriva in questa zona (ingresso presa d'aria del motore). In questo aereo, lo strato limite entra all'interno della fessura (nel disegno non si vede ma c'è una piccola fessura) e viene poi espulso all'esterno attraverso la griglia indicata con freccia gialle e numero 2.



Soffiamento dello strato limite.
Un modo alternativo per ritardare la separazione dello strato limite è quello di iniettare nel flusso, tangenzialmente alla superficie del profilo, una corrente di aria ad alta velocità. Questo aumento di quantità di moto accelera nuovamente le particelle più lente dello strato limite che erano state rallentate dagli effetti viscosi di parete.

Esempio di uso di questa tecnica nell'aviazione
Nell'immagine in basso è rappresentata in sezione l'ala di un F-104. Questo aereo era dotato di un sistema chiamato ipersostentatori “soffiati.
 Con A sono indicati gli ugelli da cui esce il flusso di aria compressa (in rosso nel disegno) spillata dal compressore del motore General Electric J79 e convogliata nell'ala dal condotto C.

Questo sistema ha lo scopo di energizzare lo strato limite (velocizzare) in modo che il flusso d'aria sia sempre "pulito". Ciò consente di energizzare (cioè velocizzare) lo strato limite, così da garantire un flusso d’aria sempre “pulito”. Questo sistema è molto funzionale perché l’aria compressa viene prelevata direttamente dal compressore del motore a getto.
Ai fini delle prestazioni aerodinamiche, è bene mantenere lo strato limite molto energico. In questo caso, avremo uno strato limite molto sottile e veloce.
Al contrario, quando lo strato limite si presenta spesso e lento (magari dopo aver lambito una parete di ampie dimensioni), viene definito a “profilo sgonfio”, o “stanco”.
La qualità dello strato limite, pertanto, influenza le prestazioni aerodinamiche di una monoposto, specie per quanto concerne la ricerca dell’effetto suolo. In particolare, risulterà basilare un adeguato controllo dello strato limite affinché il fondo vettura ed i profili estrattori lavorino al massimo delle proprie capacità

Buco della Ferrari sotto il muso

Nel test al CFD realizzato da Andreas Mouzouris non si trovato un gradiente di pressione negativo anche se, probabilmente dovuto, all'esclusione nell'analisi di una paratia sotto il muso che si trova sotto la K di Kasperky. In questa zona sotto il muso c'è una variazione di inclinazione che, molto probabilmente, crea un Punto di gradiente negativo. Quando c'è un punto di gradiente negativo lo spessore dello strato limite aumenta (moto turbolento). In particolare nella zona di moto laminare risulta essere proporzionale a sqrt(x) (quindi cresce piu lentamente della legge lineare) mentre nella zona di moto turbolento invece lo spessore sarà proporzionale a x^0,8 ...pertanto crescerà piu velocemente di sqrt(x). 
Queste considerazione fatte riguardano lo spessore dello strato limite idrodinamico nel moto forzato senza scambio termico. Se consideriamo anche lo scambio termico allora ci sarà anche uno strato limite termico il cui spessore sarà dato dallo spessore dello strato limite idrodinamico diviso il numero di Prandl alla 1/3. Il numero di Prandl dipende dal tipo di fluido in cui la vettura viaggia (fluido=aria numero di Prandl quasi uguale a 1) e quindi lo spessore dello strato limite idrodinamico e spessore strato limite termico coincidono.
Quindi lo spessore dello strato limite idrodinamico nella zona di moto turbolento è sempre maggiore dello spessore dello strato limite idrodinamico nella zona di moto laminare.

Dopo questa promesse, è possibile notare dalle immagini in basso tratte da uno studio CFD che il foro della Ferrari è collocato esattamente dove c'è una diminuzione della pressione.

Infatti in questa zona per "pulire" lo strato limite gli aerodinamici della Ferrari hanno usato una fessura abbastanza grande come dimensione.




Cristiano Sponton

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15 commenti

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kroky78
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14 febbraio 2013 22:25 delete

Questa simulazione dovrebbe escludere che la famigerata feritoia possa essere utilizzata per alimentare un eventuale sistema DRD o qualche altro sistema aerodinamico, in quanto lo strato limite captato in quel punto è stanco e vecchio, quindi non idoneo ad andare a stallare un profilo alare. Aria di scarto quindi. Per un sistema DRD le prese dovrebbero essere perpendicolari al moto e posizionate in una zona con flusso non perturbato, ad esempio le orecchie ai lati dell' airscope. Dico bene?

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14 febbraio 2013 22:31 delete

esatto. Infatti, io non ho mai creduto potesse alimentare un eventuale DRD

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kroky78
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14 febbraio 2013 22:53 delete

Peccato! Comunque devo dire che questa F318 è studiata veramente in maniera maniacale. Una cura dei dettagli distante anni luce rispetto alla F2012. A proposito di DRD, cosa ne pensi delle pance della Red Bull? C' è un terzo canale secondo te? Chissà com' è lo strato limite captato in quel punto...

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14 febbraio 2013 22:55 delete

ho guardato le foto che mi hai detto ma on vedo il terzo canale. Se vuoi segnameli sulla foto che ci do un occhiata. la mia mail è sponton.cristiano@gmail.com

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Anonimo
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15 febbraio 2013 10:47 delete

Articolo interessante ma ci sono delle inesattezze per quanto riguarda la rienergizzazione dello strato limite per aspirazione/soffiamento. L'aspirazione dello strato limite è qualcosa di molto complesso e al di là da venire in un cacciabombardiere progettato nei primi anni cinquanta qual'è lo Shooting Star. Le feritoie che vengono evidenziate in giallo sul bordo d'attacco della presa d'aria del motore, a giudicare dalla loro posizione, servono quasi sicuramente ad espellere aria calda utilizzata per raffreddare la rudimentale (per l'epoca) avionica di bordo. I primi studi in materia cominciarono a metà degli anni sessanta con prototipi sperimentali ai quali non seguì però un'applicazione in serie. Buoni risultati vennero raggiunti nella prima metà degli anni novanta quando la tecnologia ormai matura, permise di creare superfici micro-porose (nell'ordine di micron) generalmente piazzate sul dorso dell'ala capaci di risucchiare letteralmente il flusso aerodinamico per ritardare il distacco della vena fluida attraverso l'utilizzo di pompe piazzate all'interno dell'ala stessa. Tra l'altro Ferrari ha introdotto un concetto simile sulla 599XX Evoluzione creando un fondo piatto poroso e piazzando una coppia di ventole (in quello che originariamente sarebbe il bagagliaio) in grado di risucchiare lo strato limite prima che questo raggiunga il diffusore ed espellendo il flusso risucchiato dai fori creati negli alloggiamenti dei fari posteriori.
Per quanto riguarda la soffiatura, senza andare a scomodare il jet flap utilizzato solo sull'F-104 e su pochi altri prototipi a causa dell'alta complessità costruttiva e soprattutto degli alti costi di manutenzione, ti conveniva forse analizzare i classici slotted-flap o l'aletta Fowler, molto più diffusi ed utilizzati nella stragrande maggioranza degli aeromobili commerciali e di aviazione generale.
Non prenderla come una critica o come pignoleria, era solo un piccolo intervento di complemento al già pur ottimo pezzo. Complimenti per il blog, è uno dei pochissimi di lingua italiana che seguo con piacere.

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Anonimo
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15 febbraio 2013 10:59 delete

Sono sempre l'anonimo di cui sopra!

Comunque tornando alla presa sul muso della F138 secondo me non serve solo a pulire lo strato limite o a raffreddare organi meccanici o elettrici. E' troppo grossa per avere solo questa funzione e se ci fate caso, la parte inferiore della scocca è molto più voluminosa delle misure minime di riferimento e di tutte le altre monoposto presentate e non è un caso che la parte inferiore sia stata pitturata "furbamente" di nero. Snellisce il profilo e l'occhio casca in altri punti della monoposto. Provate con photoshop a pitturare il muso e la scocca completamente di rosso e capirete cosa intendo, certo sarebbe interessante sapere dove venga espulso questo flusso d'aria...

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15 febbraio 2013 11:20 delete

CIAO Anonimo. Critiche? sono contentissimo delle vostre osservazioni che mi stanno facendo capire tantissime cose. Io ho una formazione ingegneristica ma a livello informatico e quindi in campo aerodinamico/fluidodinamica sono un autodidatta. Attraverso i vostri commenti sto crescendo e sto imparando a comprendere meglio questa bellissima ma difficile materia. Grazie a te a tutti quelli che pubblicano osservazioni interessanti e utili.

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15 febbraio 2013 11:21 delete

Anonimo, sulla presa Ferrari tu che idee hai? A cosa servirebbe?

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Anonimo
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15 febbraio 2013 12:10 delete

Eh eh, classica domanda da un milione di dollari! Io penso che il flusso d'aria "catturato" dalla presa serva a raffreddare il pacco-batterie del Kers che nel caso della Ferrari (a differenza della Red Bull dove le batterie sono posizionate in punti diversi rispetto al Kers stesso) è solidale al motore elettrico e si trova sotto al serbatoio dell'olio posto davanti al motore quindi a grandi linee dietro all'abitacolo nella parte posteriore della scocca il più in basso possibile (a valle del tea-trail, nella prima parte del fondo scalinato, per intenderci), però faccio fatica a credere che si fermi in quel punto, sarebbe uno spreco...secondo me prosegue all'interno delle pance venendo espulso da qualche parte nel posteriore dell'auto ma è solo una mia opinione e probabilmente mi sbaglio. Non dimentichiamoci però del fatto che tutti hanno fatto notare la voluminosità della parte anteriore anteriore delle pance della F138 rispetto a tutte le altre monoposto (Sauber in primis visto che monta anche lo stesso motore). Qualcosa ci dovrà pur essere in quelle pance e non credo che siano di quelle dimensioni solo per il fatto che la Ferrari monta ancora i radiatori orizzontali, senza dimenticare i problemi di raffreddamento che hanno afflitto la Scuderia sin dal primo giorno...

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Ros
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15 febbraio 2013 12:50 delete

Io penso che siamo completamente fuori strada. Volutamente fuori strada (la Ferrari sta cercando di ingannare tutti facendo credere che quel foro sia una presa d'aria).
io penso che, piuttosto, sia un condotto che si raccorderà con un analogo condotto presente nel musetto (probabilmente lo vedremo a Barcellona o adirittura alla prima gara) con una funzione opposta. Un getto d'aria sarà soffiato al di sotto dei profili alari anteriori per favorire il distacco della vena fluida a determinate velocità. (ricordate la Mercedes dello scorso anno, In ferrari si obiettò che il telaio doveva essere realizzato appositamente per permettere tali canalizzazioni, eccole quà)
Vedremo presto chi avra ragione.
Per ora grazie per questo spazio che ci permettte questi confronti.

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15 febbraio 2013 14:38 delete

@kroky78
invece a me la F138 sembra una chiara evoluzione della F2012. Proprio in base all'esperienza maturata l'anno scorso hanno tentato di migliorare alcune idee, vedi muso e attacco delle sospensioni ancora più alto.
@Ros
la tua idea non è male e non del tutto "futuristica", ma...la Renault del 2011 aveva gli scarichi che soffiano "davanti" alla vettura e non dietro, questo concetto ha permesso discreti risultati. La tua idea mi fa pensare ad una cosa simile, se non fosse che il regolamento vieta una posizione simile agli scarichi. Insomma non capisco come sarebbe possibile senza infrangere il regolamento

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15 febbraio 2013 15:18 delete

Quindi,secondo voi, potrebbe essere usata per stellare l'ala anteriore? Non era meglio sviluppare un sistema di stallo di quella posteriore? Quali vantaggi potrebbe dare un sistema del genere?

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Ros
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15 febbraio 2013 16:11 delete

@Emanuele Bianconi guarda che non penso che saranno usati i gas di scarico per far stallare l'ala anteriore. Io penso che saranno utilizzati flussi d'aria catturata nelle pance dietro i radiatori (funzione di raffreddamento consentita dal regolamento) servirà "ufficialmente a raffreddare i cinematismi della sospensione ed i serbatui dei liquidi dell'impianto frenante" e saranno espulsi "riscaldati quindi energizzati" sotto i profili dell'ala anteriore.
Dov'è il divieto del regolamento?
@Cristiano Sponton ovviamente questa soluzione non esclude anzi (per bilanciamento è necessaria) un'analoga soluzione per ridurre il drag dell'alettone posteriore (vedi presa secondaria sul cofano motore

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kroky78
AUTHOR
15 febbraio 2013 16:24 delete

@Emanuele Bianconi
Stiamo dicendo la stessa cosa, la F138 è chiaramente un' evoluzione della F2012, ma con un attenzione ai dettagli che sulla precedente monoposto non c' era. Per esempio il seniasse posteriore carenato insieme ai bracci della sospensione, la coca cola incredibilmente scavata e questa presa anteriore che elimina il bloccaggio aerodinamico ecc. Col senno di poi la F2012 era una progenitrice piuttosto spartana, mentre questa è rifinita con attenzione

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Anonimo
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18 marzo 2013 17:09 delete

Salve a tutti..insomma per farla breve chi ha una idea ben precisa su cosa serve il famoso "bocca di squalo" sotto la F138? io ho notato che nelle libere i meccanici coprivano una parte del cofano motore con una figura a dir poco esagonale gialla se nn sbaglio! insomma come se non volessero far vedere niente a nessuno....e forse xk ce qualcosa di geniale che permetterà di far funzionare il famoso buco?

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