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Analisi al CFD del sistema DRS - Drag Reduction System



Il DRS è come tutti sappiamo, un dispositivo introdotto dalla federazione internazionale nel 2011, per sopperire alla mancanza di sorpassi in Formula 1.
La parola DRS è acronimo di “Drag Reduction System” cioè sistema di riduzione della resistenza.
Il regolamento dal lontano 1969 proibisce dispositivi aerodinamici mobili (che sarebbero un incredibile impulso alle prestazioni di una F1), ma appunto c'è un'eccezione dal 2011 che è il DRS.
La FIA ha stabilito che il DRS debba applicarsi solo all'aletta aggiunta all'ala posteriore (il flap) che può ruotare con un asse di rotazione in prossimità del bordo di uscita, la rotazione inoltre è limitata in modo che ad ala “aperta” la sistanza tra i due profili alari non sia maggiore di 70mm.
La rotazione del flap dell'ala è consentita da un attuatore (elettrico o idraulico) che è comandato dal pilota o tramite un pulsante o tramite un pedale, e si disattiva automaticamente quando si preme il freno.
Il dispositivo in origine era di uso libero il venerdì e il sabato, poi contingentato in gara solo un uno o due punto della pista ed azionabile solo quando il distacco dal concorrente precedente (rilevato in un apposito punto del circuito), in seguito ne è stato ristretto l'uso anche al venerdì e al sabato alle sole zone consentite in gara.
Nel corso degli anni poi, come tutti sappiamo, si sono inventati sistemi più o meno complicati per aumentare l'effetto di questo dispositivo, che sfruttavano le sovrappressioni o le depressioni create dalla movimentazione dei profili alari per far stallare altri dispositivi aerodinamici, come i profili inferiori degli stessi alettoni posteriori oppure i profili degli alettoni anteriori.
Si sono poi studiate anche forme particolari di ali posteriori che consentivano di far perdere più o meno carico, facendo "stallare" o meno il profilo principale dell'ala, fino a quando la federazione ha consentito l'uso del dispositivo liberamente al sabato. In pratica si potevano studiare ali che andassero completamente in "stallo" durante l'apertura del profilo, che quindi facevano perdere molto carico e altrettanta resistenza, diventando inusabili in curva o in situazioni in cui era richiesto un minimo carico aerodinamico, oppure ali che stallavano di meno, consentendo solo una parziale diminuzione di resistenza ed un uso del DRS anche in zone.
Per capire meglio il funzionamento del DRS, è interessante effettuare una simulazione CFD del suo movimento.
L'ala che si è usata è conforme al regolamento 2013, come si vede, avendo anche il profilo inferiore e ha una “luce” per i profili superiori di 220 mm, invece dei 200 consentiti per il 2014.
La movimentazione del profili avviene in 0.1 secondi sia in chiusura sia in apertura; la simulazione è stata fatta secondo questo schema: si è mantenuto il profilo chiuso per 0.1 secondi, poi da t=0.1s a t=0.2s si è aperto il profilo, e poi da t=0.2s a t=0.3s si è mantenuto il profilo aperto, per poi richiuderlo da t=0.3s a t=0.4s e dopo il t=0.4s si è mantenuto il profilo chiuso fino alla fine della simulazione avvenuta al tempo t=0.5s.

Il primo grafico sottostante riporta l'andamento del carico verticale al passare del tempo:

Nel grafico precedente, si deve escludere il tempo tra 0 e 0.05, in quanto la simulazione necessita sempre di un primo periodo di stabilizzazione, successivamente al tempo t=0.05 si vede che il carico risulta praticamente costante.
Il secondo grafico evidenzia invece l'andamento nel tempo della resistenza aerodinamica durante tutto il processo:
La cosa interessante di questi grafici risiede nel constatare che la deportanza si riduce ma non come ci si potrebbe aspettare; mentre vi è una riduzione di resistenza notevole, come si vede che causa quindi un aumento di velocità.
La risposta a questa apparente contraddizione sta nel fatto che in un'ala con flap generalmente, la maggior parte della deportanza viene creata dal profilo principale dell'ala e non dal flap, come ci si potrebbe aspettare. Il flap, con la sua fessura (chiamata slot)  ha l'unico scopo di riaccelerare la vena fluida che arriva stanca al bordi di uscita del profilo alare principale, consentendo quindi una depressione maggiore sul corpo alare principale.
Al contrario il flap chiuso, quindi in posizione di normale utilizzo, peggiora notevolmente le caratteristiche di resistenza dell'intero corpo alare, e da qui una peggiore efficienza dell'ala stessa.
Al termine dell'apertura del profilo la configurazione aerodinamica esprime una maggiore efficienza, proprio a causa del fatto che la diminuzione di resistenza è molto maggiore della riduzione di carico.
La modesta riduzione di carico indica che il profilo principale non è stallato completamente, ma solo nella parte finale, da qui la bassa riduzione di deportanza.
Un'altra cosa molto interessante da notare è l'andamento del grafico della deportanza: in pratica si vede che dall'istante T=0.1 fino a circa t=0.12-0.13 si ha un aumento di deportanza considerevole, e inoltre si vede che il grafico in questione mediamente tra t=0.1 e t=0.2 è sempre al di sopra del grafico tra gli istanti t=0.3 e t=0.4, nonostante le velocità di azionamento dell'ala mobile sia la stessa e che quindi ad istanti di tempo analoghi gli angoli di incidenza del flap sono uguali.
In altre parole, per esempio l'incidenza del flap a t=0.13 (cioè dopo 3 centesimi di secondo dall'inizio dell'apertura del flap) è la stessa al tempo t=0.37 (cioè 3 centesimi di secondo prima che il flap ritorni in posizione chiusa) , e così tutti gli istanti tra t=0.1 e t=0.2 il flap ha una posizione analoga ad una tra gli istanti t=0.3 e t=0.4. A rigor di logica dovrebbe succedere che le deportanze registrate in punti “analoghi” dovrebbero essere le stesse e invece, come si capisce dal primo grafico non è così: mediamente il grafico tra t=0.1 e t=0.2 si trova al di sopra del grafico t=0.3 e t=0.4.
Il motivo di questo fatto sta nel considerare che durante la fase di apertura del flap, questo si muove verso l'alto, sente perciò un flusso d'aria a velocità W che proviene dall'alto che composto col flusso d'aria frontale, genera un aumento di incidenza Δα, come si vede nei disegni schematici seguenti:



Questo fenomeno come detto avviene per tutto il tempo tra t=0.1 e t=0.2; il contrario avviene tra t=0.3 e t=0.4 dove la velocità W è rivolta verso l'alto e perciò si ha qui una diminuzione di incidenza e quindi di carico.
Ovviamente questo non è un fenomeno dall'effetto dirompente, però esiste, ed era interessante notarlo.
I dati che appaiono sul grafico appaiono abbastanza realistici; la riduzione di resistenza è nell'ordine  di circa 280N, che considerando una velocità di 80 m/s e circa 800 cavalli di potenza massima, corrispondono ad un incremento di velocità di circa 11 km/h con DRS aperto.

video


di Federico Basile

Cristiano Sponton

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8 commenti

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1 luglio 2014 13:14 delete

articolo interessantissimo!!

in merito al fatto che le monoposto non hanno un drastico calo di carico verticale con DRS aperto vorrei ricordare a tutti quanto avvenne durante il gran premio del Bahrein 2013 dove ad Alonso rimase bloccato in posizione aperta il DRS.
Fu rallentato ma non ebbe un crollo di prestazione, ad avvalorare ulteriormente la tesi sostenuta nell'articolo.

per curiosità, si sa a quanto approssimativamente corrisponde la riduzione di drag e di carico verticale nei sistemi che facevano stallare l'ala?

Grazie

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1 luglio 2014 16:26 delete

Grazie a tutti...@Renzo: tu intendi quei sistemi che facevano stallare le ali tipo il DDRS, e l'Fduct?
Se si...beh...quella è una domanda da 1 milione di dollari: dipendono molto dalle forme e dai modi di stallare di quelle ali...una cosa troppo specifica, servirebbe avere le forme esatte dei profili, e ovviamente andrebbe provata l'intera vettura....(ovviamente con tutte le misure esatte...impossibile!)

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1 luglio 2014 16:27 delete

La mia è solo una stima grossolana dell'effetto del DRS....giusto per capire i principi fondamentali che si avvertono...

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1 luglio 2014 21:26 delete

Federico...al solito, complimenti per la bella analisi! Interessante la dinamica di variazione del downforce durante la chiusura: richiede sicuramente assuefazione da parte dei piloti nel gestire la frenata.

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2 luglio 2014 13:25 delete

la mia curiosità veniva solo dal fatto che sarebbe stato interessante capire di quale entità approssimativamente (in termini di riduzione di drag) i team come Mercedes o Lotus avevano cercato di esplorare con l'utilizzo di tali sistemi (DDRS per l'appunto). Come hai sottolineato, non è una valutazione ottenibile con i dati a disposizione.
Ripensando al 2012, la Lotus in particolare impiegò tantissimo tempo per sviluppare il DDRS con esiti piuttosto negativi, magari avevano visto del potenziale in tale soluzione, chissà!
grazie comunque per la risposta!

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2 luglio 2014 16:24 delete

Sarebbe la curiosità di tutti saperlo...nel senso che sarebbe bellissimo saperlo, beh comunque, sicuramente maggiore di quella visualizzata quà....ma sull'entità...è molto difficile stimarla...forse per la Lotus, nemmeno loro lo sapevano...visto quanto tempo ci hanno messo per capire e far funzionare il sistema...

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2 luglio 2014 16:28 delete

diciamo che non sono m ai riusciti a farlo funzionare visto che lo hanno usato in gara solo a Silverstone con risultati mediocri. Mercedes invece l'ha provato solo brevemente durante le libere. Molto probabile che non riuscissero a tararlo nel migliore dei modi

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