Analisi al CFD dei mozzi "soffianti" - FUNOANALISITECNICA F1ANALISITECNICA
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Analisi al CFD dei mozzi "soffianti"


La storia dei mozzi “soffianti” inizia nel 2012; una trovata del “Genio”, Adrian Newey.
In pratica Adrian aveva realizzato dei mozzi ruota anteriori forati, con una serie di fori assiali che riuscivano ad espellere l'aria parallelamente all'asse ruota anteriore.
In occasione del Gran Premio dei Canada 2012, venivano dichiarati illegali in quanto questi fori giravano insieme al mozzo, al dado e alla ruota. Il dispositivo veniva dichiarato illegale in quanto considerata appendice aerodinamica mobile, e pertanto bandita dal regolamento che appunto impedisce il movimento di qualsiasi appendice aerodinamica (escluso il flap per il DRS) dal 1969.
In seguito si era pensato che un simile dispositivo non sarebbe potuto più esistere, essendoci stato questo precedente.
All'inizio del 2013 invece la disastrosa Williams stupì tutti con il posizionamento di un condotto che portava direttamente un flusso d'aria dalla zona tra ruota e scocca attraverso il mozzo ruota.
La soluzione venne ritenuta legale poiché il condotto era solidale alla vettura e non in rotazione, non fu quindi giudicato un dispositivo aerodinamico mobile.
La soluzione fu adottata sulla Red Bull e sperimentata brevemente in occasione del gran premio del Barhain sempre nel 2013 ma fu abbandonata e non più usata in gara, uno strano caso per la Red Bull, che ha sempre fatto debuttare in pista soluzioni funzionanti ed efficaci, se non al primo colpo ma almeno corrette e rivedute nei gran premi successivi.
Il dispositivo non venne più usato da nessuno e nemmeno sperimentato, anche la Williams sul finale di stagione abbandonò la soluzione, per tornare ad avere un mozzo pieno, tradizionale.
Nel 2014 invece a sorpresa la Ferrari ha reintrodotto il dispositivo, riveduto e corretto nel senso che a differenza della williams il condotto ha una forma diversa e sembra puntare verso il basso. Inoltre la Ferrari lo ha usato solamente in un Gran Premio, e provato solo brevemente in qualche test.
Ma come funziona il dispositivo? Che effetto ha sull'aerodinamica della vettura? Perchè nessuno lo ha mai usato con convinzione?

Beh a queste domande abbiamo cercato di dare una risposta razionale, basata su una serie di simulazioni alla CFD grazie all'uso del software Star ccm+.
In particolare si premette che lo scopo delle prove fatte è stato solo quello di cercare di capire che effetto ha un getto d'aria situato nel centro della ruota, cioè un'indagine qualitativa e non quantitative. Infatti è sempre molto difficile riuscire ad effettuare un'analisi quantitativa su un modello di vettura di formula 1; questo a causa della miriade di dispositivi aerodinamici che una vettura possiede che richiede una grande potenza di calcolo di cui ovviamente siamo sprovvisti. Serve inoltre un modello esatto e perfetto di vettura (in particolare in questo caso di una F14 T) cosa impossibile da ottenere chiaramente.
L'indagine quindi si propone solo di capire eventualmente di capire all'incirca come funziona il dispositivo e dove va, il flusso che esce da quella zona.
Il modello di vettura usato è un modellino semplicissimo, dotato di sole due ruote quelle di sinistra (infatti spesso nelle simulazioni CFD si usa un modello di vettura dimezzato per ridurre la complessità dei calcoli e mantenere una buona accuratezza, almeno nelle simulazioni in assetto simmetrico, cioè non in curva) ali anteriori e posteriori semplicissime e forme molto semplici del corpo vettura e fondo. Si è anche fatto a meno delle sospensioni e dei condotti dei freni tra scocca e ruota, così anche per i cerchi usando quindi una vettura con ruote piene e ferme, cioè non in rotazione. A causa di questi pesanti limiti (dovuti alla necessità di un calcolo breve e affrontabile da un normale computer casalingo) l'indagine è come detto solo qualitativa, cioè capace solo di far capire l'effetto del dispositivo senza nessuna pretesa.
Le simulazioni effettuate sono state 3: la prima senza effetto soffiaggio, la seconda con soffiaggio del mozzo (di 8 cm di diametro) a 20 m/s (cioè 72 Km/h) e la terza è stata effettuata con un soffiaggio a 50 m/s, per enfatizzare l'effetto. Il flusso che investe la vettura è stato mantenuto a bassa velocità, cioè 50 m/s, cioè 180 Km/h.
Dalle seguenti foto, tratte dalla simulazione, si vede che il flusso d'aria uscente dal mozzo appena dopo l'uscita, come era prevedibile, viene deviato verso il posteriore e si va ad “arrotolare” in un vortice che si crea dietro la ruota anteriore, una zona fortemente turbolenta e piena di vortici.
In seguito il flusso procede verso il posteriore andando ad impattare nella zona bassa della ruota posteriore. Si nota che questo flusso va a colpire la ruota nella metà esterna della ruota, il che comporta che la maggior parte del flusso viene deviato esternamente alla vettura, e solo una piccola parte di flusso investe poi il corpo vettura e la delicatissima zona ruota-diffusore.

Il piano che si vede nelle foto, è un piano posizionato esattamente all'altezza dell'asse ruota, allo scopo di evidenziare il percorso del flusso uscente dal mozzo e ciò che succede al cerchio. I colori che si vedono nelle foto rappresentano la velocità delle particelle d'aria, in particolare come si vede dalla legenda in basso, i colori che tendono al blu rappresentano un flusso molto lento, quasi fermo; al contrario le zone che tendono al rosso rappresentano zone ad alta velocità.
E' interessante notare quello che succede sul piano appena descritto: si vede molto bene che nella zona appena a valle della ruota anteriore il flusso d'aria è molto lento, in particolare vicino ai due bordi si creano due zone di fluido quasi fermo che perciò segue la vettura lungo il suo movimento; una interna verso la scocca e una esterna.
All'aumentare della velocità del getto dal mozzo, la zona blu “esterna” alla ruota, si ingrandisce e tende a spostarsi verso l'esterno, risucchiato dal flusso uscente dal mozzo.
Questo ha due effetti abbastanza visibili nelle foto: il primo è quello di aiutare il flusso tra ruota e scocca a deviare verso l'esterno, e in più si vede che il cerchio tende ad avere sempre meno “blu” sulla sua superficie, cioè il getto d'aria risucchia aria dal cerchio e questo nella realtà aumenta quindi l'effetto di estrazione dei gas caldi e sporchi di polvere di carbonio, proveniente dai dischi anteriori.
Questo è a mio parere il maggiore vantaggio di una soluzione del genere: questa analisi non ha evidenziato (anche perchè come detto non si era nelle condizioni a verificare tale effetto) differenze sostanziali in termini di carico aerodinamico oppure di resistenza aerodinamica, per cui l'effetto maggiore è proprio la sollecitudine del getto ad estrarre gas dal cerchio e dall'impianto frenante.
A causa di questa migliore estrazione dei gas caldi proveniente dai freni il raffreddamento dovrebbe migliorare, e quindi si potrebbero adottare prese di raffreddamento di dimensioni leggermente ridotte e quindi migliorare la penetrazione aerodinamica della vettura.
L' obiezione che mi ha fatto Cristiano Sponton, è stata che, in maniera apparentemente contraria a ciò da me appena esposto, in Cina la Ferrari ha usato una presa di raffreddamento dei freni nuova e apparentemente molto più grande di quella precedente.
Si può anche pensare che la presa più grande non sempre vuol dire maggiore resistenza aerodinamica. Questo perchè quando il flusso d'aria attraversa tutto il sistema di raffreddamento dei freni, percorre una strada molto “tortuosa” e perde perciò tanta energia sotto forma di pressione, oppure se vogliamo serve tanta pressione all'imbocco del condotto per far si che il flusso attraversi tutto il condotto fino ad uscire, questo crea perciò tanta resistenza.
Al contrario, il percorso che il flusso d'aria fa per fuoriuscire dal mozzo, potrebbe essere molto più lineare e meno contorto, con conseguente minore richiesta di energia o pressione, e perciò meno resistenza aerodinamica.
Quindi se la presa di “raffreddamento” ha poi una biforcazione tra “flusso freni” e “flusso mozzo” si potrebbe ingrandire la porzione di “flusso mozzo” con poco effetto sulla resistenza aerodinamica e ridurre un po' la porzione di “flusso freni” che ha invece un impatto maggiore.
In definitiva la questione è sempre molto complessa come al solito e forse l'effetto o il motivo che ha spinto a sperimentare questa soluzione non è banale.
Mi preme evidenziare però, che a mio parere, i gas uscenti dal mozzo e anche quelli uscenti dal cerchio caldi e sporchi di polvere di carbonio, sono indirizzati lontano dalla vettura per evitare che i vortici creati da questi flussi impattino o vadano a disturbare le zone delicate del fondo e diffusore.

di Federico Basile - Presentazione

Immagini simulazione


















Cristiano Sponton

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17 commenti

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17 giugno 2014 15:02 delete

Molto interessante, però ho alcune domande.
La prima è una stupidaggine,dalle immagini 5 e 6 mi sembra che il bordo di attacco dell’ala posteriore abbia la velocità massima mentre io mi aspetterei una zona di ristagno, è un problema di visualizzazione?
Passando a cose più serie, per quanto il conto sia qualitativo, dire che le ruote sono ferme è un po’ forte, tanto più che poi vai a vedere cosa fa il flusso proprio nella zona di scia che sicuramente è influenzata dalla rotazione della ruota (sicuramente cambia il punto di separazione). Quindi io proverei a fare un conto con la ruota in movimento (dovrebbe essere solo una condizione al contorno da cambiare), magari per fare il conto più veloce si può fare incomprimibile, tanto vedo che la velocità massima è 105 m/s quindi più o meno nel magico limite di 1/3 della velocità del suono.
Inoltre poiché si parla di scie sarebbe interessante sapere che modello di turbolenza hai usato e la mesh usata nella zona dello strato limite. So che sono cose un po’ tecniche che magari interessano solo a me,ma sono importanti per capire se la soluzione trovata può avere un senso (in realtà servirebbe anche un’analisi di convergenza della mesh o almeno la storia dei residui ) .

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17 giugno 2014 17:44 delete

Ciao:
Allora si sembra che il BA dell'ala posteriore sia a massima velocità ma in realtà se ci fai caso è una vista frontale e appena sopra a quella fascia si vede una fascia blu...che è quella appunto di ristagno. Frontalmente quello che si vede rosso è già il dorso dell'ala. Si vede inoltre sopra quella fascia blu una ulteriore fascia gialla-arancio...quello è il BU del profilo principale in corrispondenza dello slot del flap, quindi all'inizio del condotto convergente tra ala e flap.
Si il fatto che le ruote siano ferme è una ipotesi forte, per questo motivo ho sempre detto che l'indagine era qualitativa e senza nessuna pretesa di risultati...ma solo per far capire (anhe a me veramente) cosa creasse quel getto.
In ogni caso la rotazione delle ruote credo che non sia facilissima da modellizzare, non credo che basti porre qualche condizione al contorno, anche perchè nelle zone di contatto la mesh andrebbe molto molto ridotta in termini di dimensioni credo. Onestamente non saprei farlo al momento...anche se da un pò sto pensando come farlo. Certo ovviamente cambierà tutto in termini di zone di separazione risultati ecc, però a me interessava capire l'andamento di quel getto lontano dalle ruote e cioè che effetti avesse lontano dalle ruote, per capire ad esempio quali zone sono investite da quel flusso. Ovviamente con le ruote in movimento cambierebbe tutto, anche se non credo vi sia una enorme differenza a grande distanza dalle ruote.
La fisica usata è comunque un flusso incomprimibile, modello di turbolenza K-epsilon. La mesh è una mesh poliedrica e il meshatore è quello implementato direttamente nel software star ccm+. Non è stata effettuato alcun prism layer per lo studio dello strato limite.
L'analisi di sensibilità della mesh non l'ho fatta, perchè non avendo risultati numerici da verificare non ho ritenuto necessaria farla, mentre i residui andavano a convergenza tutti, così come i dati numerici che si possono ricavare. Il residuo più grande è di circa 5*10^-3, ed erano praticamente delle rette orizzontali, mentre le iterazioni fatte sono state 500. Considera che la simulazione l'ho fatta su un pò portatile di casa, e non potevo usare una mesh super-raffinata....il tutto era sempre a livello molto...amatoriale o indicativo, anche perchè il modello stesso di vettura non è la riproduzione di qualche vettura esistente, era solo per capire a grandi linee l'andamento di un getto posizionato in quella zona.
In ogni caso il fatto che nessuno la adotti veramente in F1, sta a significare che probabilmente non ha quasi nessun vantaggio, o peggio ancora il suo uso crea qualche problema. Per me è una soluzione che si trova al bordo tra utile e non utile...per cui nessuno ci vede veramente dei vantaggi, ragion per cui ho ritenuto utile fare una simulazione molto a grandi linee, senza ricavarci dei dati reali o realistici.

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17 giugno 2014 21:36 delete

Grazie per la risposta! Le mie domande erano più che altro per capire se chi ha fatto la simulazione sapeva cosa stava facendo, e a quanto pare è cosi! Per la rotazione delle ruote non so come si faccia con star ccm+ comunque dovrebbe bastare imporre la velocità sul boundary della ruota, prova a vedere qui http://www.cd-adapco.com/blog/dr-mesh/ask-dr-mesh-how-can-i-model-rotating-wheel-external-aerodynamics-analysis-vehicle .
Comunque, tornando ai mozzi, è chiaro che i vantaggi, se ci sono, sono minimi, altrimenti li utilizzerebbero tutti. È per questo che secondo me per capire come funzionano è necessario un buon livello di approssimazione.
E se l’idea fosse quella di ‘energizzare’ il flusso per farlo riattaccare?

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18 giugno 2014 00:31 delete

Si per me i vantaggi sono quasi nulli a sto punto....se una squadra molto affidabile come la Red Bull li ha provati e scartati...direi che evidentemente non funzionano...(almeno per loro).
Si è vero serve sicuramente una simulazione più precisa...ma come detto ero solo interessato a capire dove andavano all'incirca quei gas...ti faccio un esempio...se avessi trovato una deportanza aumentata del 10-15 % è evidente che andava ad incidere in zone importanti a questo punto...ma visto che numericamente ho visto...svantaggi, direi che probabilmente se ha un vantaggio è davvero marginale e a quel punto per trovarlo, bisognerebbe sicuramente fare un'indagine più precisa. Come visualizzazioni però penso che anche la mia simulazione possa essere indicativa almeno, cioè evidenzia che i gas vengono espulsi verso l'esterno, e che probabilmente quel getto serve per mandare i gas lontani dalle zone pregiate di fondo e diffusore. Tra l'altro l'immagine del mozzo ferrari suggerisce addirittura che il getto sia indirizzato quasi in avanti, forse a scopo di allontanare ancora di più il getto dalla mezzeria della vettura.
Tu"rompiballe" suggerivi un riattacco....ma dove? su quale superficie? Da quello che si vede in quelle simulazioni (che vanno prese con le molle) i gasi si allontanano dal corpovettura, e quindi non si riattaccherebbero su nessuna superficie....

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Phil
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18 giugno 2014 16:17 delete

quanti elementi hai utilizzato e che modello di turbolenza?

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18 giugno 2014 17:58 delete

Gli elementi sono circa 500000, mentre il modello di turbolenza è il K-epsilon. So che gli elementi sono molto pochi, ma l'indagine come detto era molto approssimativa e qualitativa.

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18 giugno 2014 23:35 delete Questo commento è stato eliminato dall'autore.
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18 giugno 2014 23:35 delete

Federico, complementi per la disamina. Aggiungo che, sulla base dei ricordi di aerodinamica delle carrozzerie, il fatto di buttare in scia aria calda estratta dai freni comporti una diminuzione del Cx della vettura. Credo che questo sia stato uno dei fattori per cui sfruttare i mozzi soffiati sia stato abbandonato. Cosa ne pensi?

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Giovanni
AUTHOR
19 giugno 2014 21:45 delete

Ma l'aria soffiata non dovrebbe superare la velocità del flusso che investe la vettura? Visto che viene pure scaldata dai freni? Oppure quei 20m/s si sommano ai 50m/s del flusso che investe la vettura e quindi sono 70?

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Anonimo
AUTHOR
20 giugno 2014 11:16 delete

500000 elementi sono pochini, ma che dimensioni ha il dominio rispetto all'auto? ti viene un y+ compatibile con il k-epsilon? che condizioni al contorno hai usato a valle?

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20 giugno 2014 19:31 delete

Quell'aria in teoria non viene surriscaldata,e non dovrebbe essere a velocità superiore a quella di avanzamento del veicolo.

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20 giugno 2014 19:42 delete

Si 500000 elementi sono pochi, lo so. Rifarò l'indagine con più celle.
Il dominio di calcolo è largo circa 4.45 volte la larghezza del veicolo, alto 2.63 volte l'altezza del veicolo, e la profondità del dominio di calcolo è di circa 3.4 volte la lunghezza del veicolo.
Le condisioni al contorno che sono state messe sono di slip sulle pareti ground, la faccia superiore e quella laterale. E' stato provato mezzo veicolo, per diminuire il dominio di calcolo, e il piando di simmetria è stato posto come condizione al contorno il piano di simmetria.
A valle (cioè 15 metri dopo il veicolo è stata usata una condizione di pressione di uscita pari a 0 Pa.
Cosa intendi y+ compatibile con il modello k-epsilon?

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Anonimo
AUTHOR
20 giugno 2014 22:50 delete

Cosa intendi pressione di uscita 0 Pa? Hai messo 1 bar in ingesso 0 in uscita? Oppure 0 sia in ingresso che in uscita? Forse ho capito male….
Il y+ serve per sapere se si possono usare le wall function correttamente(http://www.cfd-online.com/Wiki/Dimensionless_wall_distance_(y_plus)), penso che le usi anche star ccm+, ma non conoscendo il programma può essere che usi tutt'altro. In ogni caso riformulo la domanda, la dimensione degli elementi a contatto con le pareti come l’hai scelta?
Ps: troppa pubblicità!! Non si riesce nemmeno a scrivere i commenti!!

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21 giugno 2014 00:07 delete

All'ingresso ho messo un a condizione di velocity inlet, di 50 m/s, all'uscita del dominio di calcolo ho messo 0 pa, condizione usuale in star ccm+, per indicare che quella parete esce normalmente il flusso.
Le dimensioni degli elementi le ho messe manualmente, come faccio sempre nelle simulazioni che faccio...cioè circa a logica, la vettura ha elementi di 8 mm come dimensione minima e 10 cm come elementi "target"....mentre le superfici piano di simmetria e ground sono tra 1 cm e 40 cm come dimensioni minima e target. Considera che la macchina è la metà...per cui 500000 celle sono fatte per metà veicolo. Ora sto facendo una simulazione con 1150000 elementi...ma cambia pochissimo, anzi nulla.

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Anonimo
AUTHOR
21 giugno 2014 11:14 delete

Scusami se insisto, ma non riesco a capire la logica di mettere 0 Pa all'uscita. Cioè tutto il campo è a pressione nulla? E all'ingresso non hai nessuna condizione sulla pressione? Io avrei messo una condizione sulla derivata della pressione in ingresso e poi fissato la pressione in uscita e per la velocità il contrario. Oppure una condizione sulla pressione totale, ma dire che all'uscita ho 0 Pa mi sembra non coerente con la fisica del problema. Per capire un po' meglio come funziona potrebbe essere utile vedere l'andamento della pressione (e velocità) lungo una linea che va dall'inlet all'outlet (anche passando in mezzo alla macchina), in modo da capire anche se il dominio ha le dimensioni corrette.
Ho cercato, e anche star ccm+ usa il y+, devi verificare che a parete sia circa tra 30 e 300 per poter usare il k-epsilon.

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21 giugno 2014 12:22 delete

scusami ma tra 30 e 300 cosa? hai una mail che parliamo in privato che quà non è la sede di discutere queste cose?

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21 giugno 2014 22:40 delete

In ogni caso...quà troverai un filmato (che proviene da un tutorial di star ccm) dove fa vedere che sia il volume di calcolo sia le condizioni fissate nella simulazione sono esattamente come le ho messe io.

https://www.youtube.com/watch?v=TNF2zjbBG1Y

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