Analisi al CFD dell'assetto picchiato - Rake - FUNOANALISITECNICA F1ANALISITECNICA
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Analisi al CFD dell'assetto picchiato - Rake

Il termine “Rake” negli ultimi anni è stato usato per definire la posizione del corpo vettura rispetto al suolo di alcune vetture di F1, specificatamente RedBull e Mercedes.
Ma come funziona realmente questa particolare configurazione di queste due vetture?
Innanzitutto va detto che per definizione, ogni vettura di Formula 1, e in generale ogni vettura da competizione che voglia sfruttare al meglio l'aerodinamica, ha bisogno di avere una certa angolazione rispetto al suolo, questo per aumentare l'incidenza di tutte le superfici alari e per riuscire ad ottenere un effetto maggiore di accelerazione del flusso nella parte inferiore dell'auto.
Bisogna inoltre premettere qualche considerazione su come funziona un fondo di una vettura di Formula 1.
Come prima cosa c'è da abolire il concetto di “effetto venturi”, almeno così come è stato definito da Venturi, che viene sempre richiamato per spiegare il funzionamento del fondo di una monoposto. Nel senso che il concetto a grandi linee rimane valido, ma non è sempre da prendere “alla lettera” per spiegare tutti i fenomeni che avvengono sul fondo, come spesso viene fatto.
Guardando lateralmente una vettura di F1, e immaginando il suo movimento
si vede intanto che una parete del “famoso condotto venturi” (il fondo della vettura) è mobile mentre l'altra (il suolo) è fissa rispetto all'aria e già questa cosa comporta un diverso comportamento del flusso che lambisce queste due superfici.
La seconda differenza importante, che apparentemente è una contraddizione, è che moltissima deportanza del fondo viene generata dal diffusore, cioè la zona triangolare evidenziata nel disegno posta nella parte finale della vettura. Secondo il principio di “Venturi” infatti, se il condotto si allarga, come succede nel diffusore, il flusso dovrebbe rallentare e perciò aumentare la sua pressione, invece all'interno del diffusore accade esattamente il contrario, cioè vi è un forte aumento di velocità  che causa una forte riduzione di pressione e la conseguente spinta verso il basso.
La spiegazione di questo fatto risiede nel fatto che il flusso d'aria quando lambisce un corpo, tende a seguirne il suo andamento e la sua forma se ci riesce, cioè se non si “separa” come usano dire gli aerodinamici. Per seguire la forma del corpo, se questo presenta delle superfici curve, il flusso accelera o frena a seconda se la forma del corpo è concava o convessa ma dipende anche dalla velocità che il corpo possiede rispetto al fluido in generale valgono le seguenti considerazioni: 

·         corpo concavo => velocità del corpo minore della velocità del suono => il flusso rallenta.

            Esempio:parabrezza anteriore di un auto stradale, all'altezza dei tergicristalli

·         corpo convesso => velocità del corpo minore della velocità del suono => il flusso accelera.

            Esempio:parabrezza posteriore di un auto stradale, all'altezza del montante posteriore

All'imbocco del diffusore di una formula 1 la situazione è quella di una superficie convessa con flusso subsonico, per cui il flusso aumenta la sua velocità a causa della curvatura favorevole della superficie.
In generale poi più la curvatura della superficie è elevata (quindi raggio di curvatura piccolo) maggiore e più violento sarà l'incremento di velocità, cosa apparentemente positiva ma fino ad un certo punto, poiché minore è raggio di curvatura, maggiore è il rischio del fenomeno del “distacco della vena fluida” o separazione del flusso dalla superficie del corpo, che porta la formazione di vortici nocivi e la perdita quasi totale delle forze aerodinamiche agenti fino a quel momento sul corpo.
Il fondo di una vettura do formula 1 perciò funziona in questo modo:
il flusso d'aria viene accelerato nella parte inferiore all'imbocco della pancia, a causa della forma curva di questa e viene mantenuto ad alta velocità, il più possibile costante, lungo tutto il fondo della vettura.
In seguito il flusso d'aria incontra il diffusore, in particolare la forte curvatura di quest'ultimo nella parte iniziale provoca un forte incremento di velocità e cioè una forte riduzione di pressione.
La forma successiva del diffusore è quella adatta a mantenere il flusso attaccato il più possibile alla superficie del diffusore stesso fino alla fine della sua lunghezza, dove si trova una zona ulteriormente incurvata verso l'alto e dove si trova (superiormente) anche un nolder, sostituito negli ultimi anni da un vero e proprio mini profilo alare, che presenta una piccola soffiatura col fondo stesso capace sia di aumentare ulteriormente la velocità del flusso, sia di aiutare il flusso a mantenersi ben aderente alla superficie.
Il “rake” viene quindi utilizzato per consentire una forma più estrema dell'ingresso del fondo: in particolare quello che succede è che l'inclinazione del fondo rispetto al suolo provoca una maggiore curvatura delle traiettorie che percorrono le particelle d'aria e quindi una maggiore velocità delle stesse.
L'incremento di velocità (decisivo) si ha quindi all'ingresso della pancia e all'ingresso dello splitter (o T-tray) punto in cui vi è quindi il maggiore incremento di velocità. Questo incremento di velocità si ripercuote poi, come detto, sull'intero fondo della vettura provocando una maggiore deportanza.
Durante il percorso che il flusso percorre lungo la pancia (a causa dell'assenza di una forza “propulsiva” come una zona di forte pressione a monte) inevitabilmente il flusso perde velocità a causa delle forze di attrito che intercorrono tra la superficie e il fluido stesso, questo rallentamento del flusso è tanto maggiore e violento tanto più il fondo è inclinato rispetto al suolo.
La conseguenza è che tanto più il fondo è inclinato tanto più il flusso d'aria risulterà rallentato all'ingresso del diffusore e quindi quest'ultimo tanto meno efficiente sarà.
Il problema negli anni scorsi veniva risolto grazie agli scarichi che soffiavano nelle zone vicino alle ruote posteriori con lo scopo di isolare il diffusore dalle zone critiche delle ruote posteriori, e andavano in più a “rinfoltire” il flusso d'aria diretto al diffusore stesso.
Ho provato a fare qualche prova CFD, provando una inclinazione della vettura a partire da un angolo di 0°, 0.3°, 0.6°, 0.9°, 1.2°, 1.5°,  2°. L'asse di rotazione si trova appena davanti al bordo anteriore dello splitter anteriore.
La geometria usata per la prova è stata sempre la medesima, molto semplice, così come la “Mesh” per la simulazione si è cercato di farla con le stesse dimensioni e comunque abbastanza rada.
La geometria della vettura prevede una prova con monoposto “tipo 2013” con appendici aerodinamiche molto semplici, e una forma non ricercata ne studiata in maniera particolare, questo semplicemente per valutare solo l'effetto di una vettura più o meno inclinata.
Ovviamente la vettura NON è stata studiata apposta per essere inclinata in maniera differente oppure per usare posizioni del corpo vettura particolarmente esasperati, questo per avere meno variabili possibili in gioco durante le simulazioni.
La logica seguita è stata quella, durante queste prove comparative, di modificare meno parametri tra una simulazione e l'altra per poter avere la massima uniformità di risultati.
Si ribadisce ancora una volta quanto detto riguardo alle altre simulazioni proposte in precedenza...questa piccola indagine non ha nessuna pretesa di “verità assoluta” ma solo di curiosità per vedere cosa succede facendo una certa cosa, a livello puramente qualitativo, per trarne solo qualche riflessione.
In tutte le simulazioni l'incremento di deportanza tra una configurazione e l'altra si aveva poiché la parte centrale (imbocco delle pance e splitter anteriore) producevano una maggiore curvatura delle traiettorie delle particelle, da qui una maggiore velocità e una riduzione di pressione.
Innanzitutto dal seguente grafico (in ordinata la deportanza e la resistenza in Newton della vettura, mentre in ascissa c'è l'angolo di inclinazione del corpo vettura rispetto al suolo) risulta un andamento della deportanza abbastanza inusuale: prima vi è un forte calo di deportanza dall'angolo nullo, fino al minimo di deportanza che si ottiene per l'angolo 0.6°
La deportanza, come si vede, torna a crescere piano piano fino ad un angolo di 1.6° per poi risalire molto più sensibilmente per un angolo di circa 2°.
La resistenza (si vede dal grafico in basso) ha un andamento a crescere dall'angolo nullo fino agli angoli maggiori.

L'efficienza aerodinamica (rapporto tra carico aerodinamico e resistenza aerodinamica) è illustrato nella seguente figura:
come si vede, ha un andamento praticamente identico a quello della deportanza.
Ecco illustrati questi grafici, possiamo fare qualche considerazione interessante. Innanzi tutto perchè scegliere un assetto molto inclinato?
La risposta potrebbe essere meno scontata del previsto, infatti si potrebbe pensare di inclinare molto la vettura per avere più deportanza a bassa velocità; c'è poi da considerare che all'aumentare della velocità aumenta anche il carico aerodinamico e la vettura tende ad abbassarsi sia anteriormente sia posteriormente; le sospensioni posteriori però tradizionalmente sono più morbide rispetto a quelle anteriori per cui di fatto si ha, ad alta velocità, un abbassamento del posteriore maggiore che all'anteriore, cioè in definitiva una riduzione dell'angolo che la vettura forma col suolo. Si torna quindi nella zona di grafico in cui la resistenza aerodinamica è più bassa, e anche il carico aerodinamico cala. L'effetto del carico che cala va considerato nell'ottica anche che il carico verticale genera una resistenza meccanica aggiuntiva dovuta all'attrito meccanico degli pneumatici.
Questa riduzione di resistenza complessiva non è enorme, appare abbastanza modesta, come si vede dai grafici, ma è comunque apprezzabile, soprattutto se l'angolo varia parecchio e si porta fino a valori tra 0.3° e 0.7°, per cui si ha la maggiore efficienza aerodinamica e la minima resistenza.
E' chiaro comunque, che il grafico ricavato sopra, come già messo in luce, non è stato ottenuto con una vettura disegnata e ottimizzata per viaggiare con un assetto molto inclinato, per cui quei grafici possono essere diversi nella realtà, al punto da essere molto più estremi e tali da giustificare in maniera netta l'uso di questa particolare scelta di assetto del corpo vettura.
Il motivo per cui invece sarebbe utile viaggiare a bassa inclinazione, cioè con tutto il corpo più vicino al suole, è proprio il fatto che viaggiando bassi le traiettorie delle particelle di aria sono “costrette” in spazi più ridotti e quindi sono costrette ad aumentare la loro velocità.
Lo svantaggio però è che si è costretti a viaggiare con assetti meccanici più rigidi, con una maggiore difficoltà in trazione, a causa della necessità di mantenere una inclinazione più costante del corpo vettura per via della sua vicinanza al suolo.
Nelle seguenti immagini si vede l'andamento delle pressioni sul fondo della vettura per le diverse inclinazioni; le zone tendenti al blu-verde sono quella a più bassa pressione, quelle all'arancio-rosso quelle a più alta pressione:


0.3°
0.6°
0.9°
1.2°
1.5°
2.0°

Quello che si nota da questi disegni, come detto in precedenza, è che la porzione di fondo a bassa pressione all'imbocco della pancia e dello splitter anteriore, aumenta di dimensione all'aumentare dell'angolo che la vettura forma col suolo, mentre parallelamente, la zona del diffusore perde efficienza.
In pratica vi è un un trasferimento di carico dalla zona del diffusore a quella centrale della vettura.
Il “trade off” consiste quindi nel trovare l'ottimale angolo rispetto al suolo (considerando anche gli effetti dinamici di beccheggio durante la marcia) che consenta di non perdere troppo carico al retrotreno e di aumentare il carico all'avantreno.
Il tutto all'epoca degli scarichi soffiati andava ad aggiungersi all'effetto di forte depressione creata dagli scarichi che soffiavano nelle zone adiacenti al diffusore, facendo recuperare al diffusore parte di quel carico che si perdeva innalzandolo.


Federico Basile.




Cristiano Sponton

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