Base bleed, analisi del procediento

Base bleed, analisi del procediento

La realizzazione del base bleed in questo lavoro, prescinde dalla particolare soluzione tecnica utilizzata per il soffiaggio. Il lavoro ` e focalizzato sull’aspetto aerodinamico del fenomeno, non si vuole fornire una valutazione della sua realizzabilit` a in campo automobilistico, per la quale, non si pu` o prescindere da considerazioni energetiche e quindi dalla tecnologia utilizzata.

Viene simulato un modello di autoveicolo provvisto di alcuni getti posizionati in maniera differente sull’area di base. Si ` e interessati agli effetti del soffiaggio sulla struttura della scia in prossimit` a della base e come questi si ripercuotono sul resto del modello. Verranno a questo proposito analizzate diverse geometrie delle aree di soffiaggio e, nei successivi paragrafi, si definiscono i coefficienti, le grandezze e la metodologia di analisi usata.

3.1 Strategia di lavoro

Si vuole seguire una campagna di prove, capace di mettere in evidenza quali siano le azioni del flusso di base bleed sulla struttura vorticosa nel near wake. A questo proposito si sperimentano due strategie di azione:

• Il flusso in uscita dalla base della macchina agisce sulla zona esterna del near

wake, formando uno shear layer tra flusso indisturbato e zona di ricircolo nella

scia. Si dovrebbe riuscire a diminuire l’intensit` a dei vortici presenti nel near wake;

• Il flusso di base bleed “spinge” pi`u a valle la zona di ricircolo, diminuendo le velocit` a tangenziali sulla base e quindi aumentando il recupero di pressione sulla superficie. Questo effetto pu` o essere ottenuto soffiando centralmente dalla base, in modo che il flusso di ritorno del near wake riesce a spalmare il flusso di base bleed sulla superficie di base, creando un “cuscinetto” aerodinamico adiacente al modello.

Mantenendo separate queste due tipologie di studio per ciascuna di esse deve essere definita una metodologia da seguire nelle prove per gestire adeguatamente l’elevato numero di parametri in gioco.

La prima tecnica suggerisce di posizionare le aree di sbocco in modo che vadano ad agire direttamente sulla curvatura delle linee di corrente nella zona di distacco.

Quindi si distribuisce l’area di sbocco lungo il perimetro esterno della base. Con la seconda tecnica invece si pu` o agire sia soffiando sulla zona di tangenza tra vortice e base, sia soffiando direttamente nella zona di flusso invertito nel cuore del near wake.

3.2 Parametri importanti

Gi` a nel capitolo introduttivo erano stati messi in evidenza i parametri “interni”

su cui il progettista pu` o influire per gestire il fenomeno del base bleed. Tra quelli, avendo fissato la geometria del modello, rimangono:

• Modulo e direzione della velocit`a di espulsione del fluido dalla base;

• Area di espulsione;

• Forma e posizione della zona di espulsione;

• Tipologia della zona di espulsione (presenza o meno di porosit`a);

Sicuramente importante ` e l’effetto sinergico presente tra i differenti parametri e la dipendenza dalla tipologia di flusso su cui vanno a operare.

In questo studio non si prende volutamente in considerazione il profilo di velocit` a sul- l’area di sbocco che, come gi` a detto precedentemente, viene posto uniforme. Inoltre il flusso soffiato viene imposto con direzione perpendicolare alla superficie di sbocco.

I dati ottenuti sono riportati in grafici in funzione della velocit` a adimensionale u = _U ^U

e del rapporto tra area di sbocco ed area di base A R . Altri autori hanno preferito parametrizzare in funzione del coefficiente di base bleed in quanto permette di includere informazioni sulla portata di soffiaggio.

Questo punto di vista tiene conto della difficolt` a tecnica reale nel soffiare elevate portate d’aria alla velocit` a di sbocco. Se l’aria ` e prelevata dall’esterno e rallentata si incrementa la resistenza, mentre la quantit` a di fluido disponibile per il soffiaggio gi` a rallentato per altri motivi ` e limitata.

Nel caso in questione invece si vuole mettere in evidenza l’effetto aerodinamico del soffiaggio separandosi da qualsiasi vincolo tecnico legato alla realizzazione. Separare il coefficiente C q nei sui due fattori u ed A R mette in evidenza il contributo singolo di ciascuno agli effetti del soffiaggio.

I precedenti parametri sono ricavabili dalle seguenti relazioni:

C _q = _U ^U

^S

∞

S

u = _U ^U

 

 ⇒ C _q = u S

S b = u A _R

Sia il C D che il C L mostrano una dipendenza diretta dalla velocita adimensionale di soffiaggio e da A _R per qualsiasi posizione dello sbocco.

3.3 Problematiche legate alla simulazione

Sulla superficie di sbocco ` e stata scelta una condizione al contorno velocity inlet che

ha permesso di definire direzione e modulo del vettore velocit` a. Nelle simulazioni ` e

stato adottato un profilo di velocit` a costante in direzione parallela all’asse x.

Questa scelta, dettata dalla necessit` a di limitare il numero di parametri in gioco, comporta una distribuzione della pressione totale sulla superficie di sbocco difficil- mente realizzabile in pratica.

Il contributo dovuto alla variazione della quantit` a di moto del flusso soffiato, nel caso fisico reale modifica il C _D globale del veicolo, nella simulazione effettuata non viene colto. Infatti la forza dovuta al movimento della massa di fluido espulsa vie- ne esplicata come azione integrale complessiva sulle pareti interne del condotto di espulsione. Nella simulazione numerica il condotto non esiste e la pressione presente sulla superficie di sbocco, non essendo applicata su una superficie solida, non tra- smette una forza al modello.

Di conseguenza il valore numerico del C D delle configurazioni con base bleed non tiene conto delle azioni di pressione sulle superfici soffianti.

La variazione di resistenza tra la configurazione di riferimento ed una soffiante ` e dovuta sia all’effetto del base bleed sulla struttura del near wake che alla riduzione di superficie di integrazione sulla base.

Per valutare il peso del 2 ^◦ effetto prima di ogni analisi si riportano i contributi, sul C _D totale del modello di riferimento, delle superfici che successivamente diventano soffianti. Insieme viene anche riportata la visualizzazione della geometria e della posizione dello sbocco utilizzato.

Le visualizzazioni riportate nel testo rappresentano ove possibile l’intero modello, per ragioni di grafica e di comprensione ` e stata sfruttata la simmetria, nonostante ci` o i dati relativi alla estensione delle superfici si riferiscono al singolo semimodello.

La strategia che si adotta, per valutare i benefici derivanti dal soffiaggio, si basa sulla integrazione delle informazioni date da diversi coefficienti.

C D Viene diviso in un C _D,f dovuto al forebody e in un C D,b dovuto alla base. Il

C D,f permette di ottenere le influenze del flusso di base bleed sull’intero mo-

dello esclusa la zona della base. Il C _D,b , direttamente confrontabile con le

configurazioni dotate della medesima geometria di sbocco, necessita di una

certa attenzione al momento che viene paragonato a valori ottenuti da diverse

configurazioni. In particolare si devono considerare le variazioni di area ap- portate inserendo gli sbocchi.

Si fa un ulteriore confronto con il C D,e , definito come il coefficiente di resisten- za ottenuto eliminando dal modello di riferimento il contributo delle superfici soffianti. Si ottiene cos`ı un confronto a parit` a di superficie.

C p,b Viene calcolato il coefficiente di pressione medio su tutta la superficie solida della base. Permette di capire il recupero di pressione medio che si realizza.

Strutturaflusso Viene monitorata la tipologia di flusso presente nella regione del near wake, con particolare attenzione all’interazione delle linee di corrente del fluido soffiato con il fluido ricircolante.

3.4 Dipendenza dal numero di Reynolds

Le simulazioni sono state effettuate ad un numero di Reynolds Re = 3 · 10 ⁶ , per vedere l’influenza di questo parametro sul fenomeno del base bleed sono state effet- tuate delle simulazioni di alcuni casi anche a Re = 9 · 10 ⁶ . Si ottiene un valore del C D inferiore di circa 0 .013 equivalente a circa il 5% del valore.

Nei grafici 3.1 sono riportati gli andamenti dei coefficienti aerodinamici principali relativi al caso di soffiaggio centrale, in linea unita sono riportate le grandezze rela- tive a Re = 3 · 10 ⁶ in tratteggio quelle a Re = 9 · 10 ⁶ .

Si pu` o vedere come aumentare Re sul modello con gli sbocchi chiusi determina un deciso calo del C D , dovuto unicamente a contributi del forebody del modello.

La separazione ` e forzata allo spigolo del baule, il minore spessore dello strato limite permette un maggiore recupero di pressione sul lunotto posteriore e sullo scivolo.

Queste pressioni agiscono su superfici estese e con il loro orientamento danno com- ponenti di forza non nulle in direzione assiale.

Il contributo dovuto alle pressioni agenti sulla base ha un andamento opposto con

Re rispetto al forebody. Le aspirazioni in questa zona aumentano pur rimanendo la

stessa tipologia di flusso. Ci` o nonostante il loro contributo complessivo ` e minore,

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.23

0.24 0.25 0.26 0.27 0.28

u

C

RE 3000000 RE 9000000 sbocchi chiusi

sbocchi chiusi stessa area

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

0.11 0.115 0.12 0.125 0.13 0.135 0.14 0.145

u C

forebody

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

0.105 0.11 0.115 0.12 0.125 0.13 0.135

u C

base

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

−0.21

−0.205

−0.2

−0.195

−0.19

−0.185

−0.18

u C

medio

Figura 3.1: Andamento del C D con il numero di Reynolds.

come si pu` o vedere nei grafici 3.1 e in tabella 3.1.

Per quanto riguarda le azioni viscose si ha una sensibile diminuzione degli sforzi tangenziali agenti sul forebody, ci`o `e in accordo con la teoria dello strato limite assu- mendo che sia trascurabile la variazione della transizione ai fini del computo totale.

Infine, come si deduce dalla figura 3.2, gli effetti del numero di Reynolds sul coeffi- ciente di portanza sono limitati al fondo del modello. Ci` o ` e dovuto alla presenza di una bolla di separazione al passaggio tra fondo e scivolo, aumentando il numero di Re diminuiscono le sue dimensioni.

Sul dorso invece non si hanno sensibili variazioni del coefficiente di portanza.

Con il soffiaggio si ottiene un andamento che risulta qualitativamente indipen-

dente da Reynolds. Ci`o conferma la validit`a di u come parametro fondamentale

che regola il procedimento di base bleed. Le visualizzazioni delle linee di corrente

Re = 3000000 Re = 9000000 pressione viscoso totale pressione viscoso totale

Dorso macchina 0.072 0.024 0.096 0.068 0.019 0.087

Fiancata macchina 0 0.01 0.01 0 0.008 0.008

Fondo macchina -0.012 0.016 0.004 -0.017 0.013 -0.003 Scivolo macchina 0.025 0.002 0.027 0.025 0.002 0.027

Base macchina 0.131 0 0.131 0.135 0 0.135

C _D totale 0 .269 0 .255

Tabella 3.1: Variazione del C _D con Reynolds

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

−0.56

−0.55

−0.54

−0.53

−0.52

−0.51

−0.5

−0.49

u

C

RE 3000000 RE 9000000 sbocchi chiusi

sbocchi chiusi stessa area

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

0.79 0.8 0.81 0.82 0.83 0.84 0.85 0.86

u C

dorso

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

−1.37

−1.36

−1.35

−1.34

−1.33

−1.32

−1.31

u C

fondo

Figura 3.2: Andamento del C _L con il numero di Reynolds.

permettono di apprezzare come anche la tipologia di flusso sia fondamentalmente

dominata da questo parametro (a parit` a di geometria e direzione di sbocco).