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Capitolo 7
Risultati CFD e loro confronto
con i dati sperimentali
In questo capitolo si analizzeranno approfonditamente i risultati CFD di tutte e otto le prove e, contemporaneamente, si eseguirà il confronto tra questi e i dati sperimentali; in questo modo si verificherà se la procedura di calcolo CFD sviluppata sia effettivamente in grado di descrivere la realtà fisica dell’abitacolo di un’autovettura.
Nelle visualizzazioni del campo di temperatura sui piani di riferimento descritti nel ca-pitolo 2, saranno adottate scale diverse per le differenti prove per mettere in risalto la diver-sa temperatura dell’aria uscente dalle bocchette. Il campo di velocità diver-sarà visualizzato attra-verso la sua intensità; la direzione e il attra-verso saranno indicati da appositi attra-versori.
Per quanto riguarda i dati sperimentali, i valori di temperatura nei punti di controllo acquisiti dagli termocoppie differiscono al massimo di 0,4 ÷ 0,5 °C rispetto a quelli forniti da-gli anemometri, unica eccezione i punti sulle spalle. Questa anomalia è da ricercarsi nel fatto che gli anemometri utilizzanti in queste posizioni non sono stati calibrati subito prima delle prove e che la testa del pilota durante le prove è stata riprodotta con una scatola rettangola-re, generando in tal modo una diversa tipologia di flusso nella zona adiacente le spalle. Per-tanto, nell’eseguire il confronto, per tutti i punti saranno utilizzati i dati provenienti dagli a-nemometri, in più per le spalle verranno considerati anche i dati delle termocoppie.
7.1
Prova N° 1
Con la prima simulazione si vuole indagare il comportamento dell’abitacolo in una giornata estiva limite, quando la temperatura esterna è di 45 °C, l’automobile viaggia ad una velocità di 60 km/h e l’impianto di condizionamento immette aria fredda attraverso le boc-chette. I risultati sono visualizzati nelle figure dalla 7.1 alla 7.10. L’intervallo di temperatura scelto per questa prova, così come per le altre che presentano una temperatura esterna di 45 °C, è compreso tra i 280 K (7 °C) ed i 315K (42 °C).
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Figura 7.1 – Risultati prova N° 1: campo di temperatura sul piano sezione bocchette
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Figura 7.3 – Risultati prova N° 1: campo di temperatura sul piano centrale
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Figura 7.5 – Risultati prova N° 1: campo di temperatura sul piano sezione lato pilota
74
Figura 7.7 – Risultati prova N° 1: campo di temperatura sul piano sezione lato passeggero
75
Figura 7.9 – Risultati prova N° 1: campo di temperatura sul piano sezione spalle pilota
76 In tabella 7.1 sono riportati insieme i valori di temperatura nei punti di controllo ac-quisiti durante le prove sperimentali con quelli derivanti dall’analisi numerica ed il loro con-fronto.
Posizione DATI SPERIMENTALI [°C] RISULTATI CFD [°C] DIFFERENZE [°C]
Fronte 26,0 26,6 0,6
Petto 25,5 26,5 1,0
Addome 25,2 26,9 1,7
Spalla destra (anem.) 20,9 24,3 3,4
Spalla sinistra (anem.) 22,2 26,1 3,9
Spalla destra (term.) 22,8 24,3 1,5
Spalla sinistra (term.) 24,2 26,1 1,9
Mano destra 25,3 27,1 1,8 Mano sinistra 25,5 27,4 1,9 Coscia destra 25,6 26,9 1,3 Coscia sinistra 27,5 27,2 -0,3 Piede destro 25,9 28,9 3,0 Piede sinistro 25,7 27,9 2,2
Parabrezza int. destro 44,8 45,3 0,5
Parabrezza int. sinistro 46,3 46,2 -0,1
Finestrino ant. destro 40,9 41,7 0,8
Finestrino ant. sinistro 43,0 43,3 0,3
Tabella 7.1 – Prova N° 1: confronto tra i risultati CFD ed i dati sperimentali
Si noti come i valori della temperatura delle termocoppie posizionate sulle spalle siano compatibili con i risultati CFD; al contrario di quanto accade per i dati acquisiti dagli anemo-metri. Nel complesso, la simulazione fornisce dei risultati soddisfacenti, con l’unica eccezio-ne del piede destro, in corrispondenza del quale si ha un errore massimo di 3 °C. Comunque questa discrepanza non sarà riscontrata nelle prove successive.
7.2
Prova N° 2
La prova N° 2 simula ancora una giornata estiva limite con una temperatura esterna di 45 °C, ma in questo caso l’auto viaggia ad una velocità più elevata (90 km/h), il che porta ad avere un coefficiente di convezione ai finestrini superiore, ed in quarta marcia, fatto che
im-77 plica un migliore funzionamento dell’impianto di condizionamento. A conferma di ciò, si ve-da come la temperatura dell’aria in uscita ve-dalle bocchette (tab. 1.1 di pagina 2) sia inferiore al caso precedente.
Figura 7.11 – Risultati prova N° 2: campo di temperatura sul piano sezione bocchette
78
Figura 7.13 – Risultati prova N° 2: campo di temperatura sul piano centrale
79
Figura 7.15 – Risultati prova N° 2: campo di temperatura sul piano sezione pilota
80
Figura 7.17 – Risultati prova N° 2: campo di temperatura sul piano sezione passeggero
81
Figura 7.19 – Risultati prova N° 2: campo di temperatura sul piano sezione spalle pilota
82 Come si evince dalla tabella 7.2, in questa prova i risultati numerici si avvicinano sensi-bilmente ai valori sperimentali; infatti, non considerando ovviamente i valori degli anemo-metri in prossimità delle spalle, si ha uno scostamento massimo di 2,2 °C in corrispondenza della mano sinistra e delle differenze medie molto contenute, al di sotto di un grado.
Posizione DATI SPERIMENTALI [°C] RISULTATI CFD [°C] DIFFERENZE [°C]
Fronte 26,8 26,5 -0,3
Petto 26,1 26,4 0,3
Addome 25,4 26,9 1,5
Spalla destra (anem.) 20,4 23,8 3,4
Spalla sinistra (anem.) 22,4 25,9 3,5
Spalla destra (term.) 23,2 23,8 0,6
Spalla sinistra (term.) 24,8 25,9 1,1
Mano destra 25,4 27,0 1,6 Mano sinistra 25,1 27,3 2,2 Coscia destra 27,0 26,9 -0.1 Coscia sinistra 29,1 27,9 -1,2 Piede destro 29,8 29,5 -0,3 Piede sinistro 28,2 28,7 0,5
Parabrezza int. destro 47,2 47,3 0,1
Parabrezza int. sinistro 46,6 46,9 0,3
Finestrino ant. destro 41,7 41,9 0,2
Finestrino ant. sinistro 43,8 44,2 0,4
Tabella 7.2 - Prova N° 2: confronto tra i risultati CFD ed i dati sperimentali
7.3
Prova N° 3
La numero 3 è l’ultima prova riguardante una giornata estiva molto calda ed afosa e si differenzia dalle prime due solo per il fatto che l’automobile adesso viaggia in quinta marcia alla velocità di 120 km/h, dal momento che le condizioni di irraggiamento e la temperatura esterna risultano invariate.
Le figure seguenti mostrano come dal punto di vista qualitativo non vi siano differenze apprezzabili con le prove precedenti.
83
Figura 7.21 – Risultati prova N° 3: campo di temperatura sul piano sezione bocchette
84
Figura 7.23 – Risultati prova N° 3: campo di temperatura sul piano centrale
85
Figura 7.25 – Risultati prova N° 3: campo di temperatura sul piano sezione pilota
86
Figura 7.27 – Risultati prova N° 3: campo di temperatura sul piano sezione passeggero
87
Figura 7.29 – Risultati prova N° 3: campo di temperatura sul piano sezione spalle pilota
88 Come è possibile verificare dai valori delle temperature dei punti di controllo, mostrati in tabella 7.3, i risultati numerici relativi a questa prova sono quelli che si discostano mag-giormente dai dati sperimentali: infatti sono presenti una differenza massima di 4,7 °C (ma-no sinistra) ed u(ma-no scostamento medio appena superiore ai 2 °C (per l’esattezza di 2,11 °C). Scarti con questi valori cominciano ad essere rilevanti quando l’obiettivo dell’analisi è lo stu-dio delle prestazioni di un impianto di condizionamento, poiché le persone all’interno dell’abitacolo sono in grado di percepirle.
Posizione DATI SPERIMENTALI [°C] RISULTATI CFD [°C] DIFFERENZE [°C]
Fronte 24,0 26,5 2,5
Petto 23,8 26,4 2,6
Addome 24,1 26,7 2,8
Spalla destra (anem.) 19,1 24,1 5,0
Spalla sinistra (anem.) 20,8 25,8 5,0
Spalla destra (term.) 21,5 24,1 2,6
Spalla sinistra (term.) 22,5 25,8 3,3
Mano destra 23,8 27,0 3,2 Mano sinistra 22,9 27,6 4,7 Coscia destra 26,6 26,9 0,3 Coscia sinistra 26,5 27,3 0,8 Piede destro 27,9 28,9 1,0 Piede sinistro 26,2 28,3 2,1
Parabrezza int. destro 40,4 41,6 1,2
Parabrezza int. sinistro 42,2 43,7 1,5
Finestrino ant. destro 42,3 40,9 -1,4
Finestrino ant. sinistro 43,9 42,2 -1,7
89
7.4
Prova N° 4
La prova numero 4 non è altro che la prova di riferimento con cui è stata realizzata l’analisi di sensibilità. Le visualizzazioni dei risultati CFD sono già state mostrate nel capitolo precedente, pertanto si riportato solo i valori numerici di temperatura della simulazione in-sieme con quelli sperimentali (tab. 7.4). Si può osservare come la simulazione CFD dia degli ottimi risultati, in linea con quanto avviene nella realtà fisica: gli scostamenti dai dati speri-mentali sono veramente piccoli, al più di 1,5 °C in corrispondenza del piede destro.
Posizione DATI SPERIMENTALI [°C] RISULTATI CFD [°C] DIFFERENZE [°C]
Fronte 26,2 26,7 0,5
Petto 25,5 26,6 1,1
Addome 26,7 27,1 0,4
Spalla destra (anem.) 22,2 23,9 1,7
Spalla sinistra (anem.) 23,7 26,3 2,6
Spalla destra (term.) 25,1 23,9 -1,2
Spalla sinistra (term.) 27,4 26,3 -1,1
Mano destra 27,2 27,3 0,1 Mano sinistra 26,6 27,9 1,3 Coscia destra 29,0 28,8 -0,2 Coscia sinistra 27,0 27,4 0,4 Piede destro 31,0 29,5 -1,5 Piede sinistro 29,0 28,7 -0,3
Parabrezza int. destro 29,8 29,7 -0,1
Parabrezza int. sinistro 30,3 29,5 -0,8
Finestrino ant. destro 27,4 27,5 0,1
Finestrino ant. sinistro 28,7 28,9 0,2
Tabella 7.4 – Prova N° 4: confronto tra i risultati CFD ed i dati sperimentali
7.5
Prova N° 5
Questa prova differisce dalla precedente solo per una diversa regolazione dell’ impian-to di condizionamenimpian-to, che viene impostaimpian-to su valori di temperatura e velocità dell’aria leg-germente inferiori. L’intervallo di temperatura, per la visualizzazione dei risultati, scelto in questa prova è compreso tra i 290 K (17 °C) ed i 315K (42 °C).
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Figura 7.31 – Risultati prova N° 5: campo di temperatura sul piano sezione bocchette
91
Figura 7.33 – Risultati prova N° 5: campo di temperatura sul piano centrale
92
Figura 7.35 – Risultati prova N° 5: campo di temperatura sul piano sezione pilota
93
Figura 7.37 – Risultati prova N° 5: campo di temperatura sul piano sezione passeggero
94
Figura 7.39 – Risultati prova N° 5: campo di temperatura sul piano sezione spalle pilota
95 Dal confronto con i dati sperimentali (vedi tabella 7.5), emerge che la simulazione CFD è ancora una volta un valido strumento a disposizione del progettista: i risultati ottenuti si discostano mediamente nell’ordine del grado dai valori sperimentali ed il massimo errore che si commette è di 2,5 °C, in prossimità della mano sinistra.
Posizione DATI SPERIMENTALI [°C] RISULTATI CFD [°C] DIFFERENZE [°C]
Fronte 26,2 27,1 0,9
Petto 26,7 27,0 0,3
Addome 26,3 27,3 1,0
Spalla destra (anem.) 22,5 26,5 4,0
Spalla sinistra (anem.) 23,5 26,5 3,0
Spalla destra (term.) 24,3 26,5 2,2
Spalla sinistra (term.) 25,2 26,5 1,3
Mano destra 25,6 27,7 2,1 Mano sinistra 25,6 28,1 2,5 Coscia destra 25,9 27,5 1,6 Coscia sinistra 25,6 27,4 1,8 Piede destro 29,9 30,0 0,1 Piede sinistro 28,9 28,8 -0,1
Parabrezza int. destro 29,8 30,2 0,4
Parabrezza int. sinistro 30,4 31,0 0,6
Finestrino ant. destro 26,8 25,7 -1,1
Finestrino ant. sinistro 28,1 26,6 -1,5
Tabella 7.5 – Prova N° 5: confronto tra i risultati CFD ed i dati sperimentali
7.6
Prova N° 6
Con la prova N° 6 si vuole analizzare il comportamento dell’abitacolo in una giornata invernale, in cui la temperatura esterna è di 15 °C. L’auto si muove in terza marcia ad una velocità di 60 km/h e l’impianto di condizionamento immette in abitacolo aria calda, ad una temperatura di circa 24 ÷ 25 °C (per i valori esatti si veda la tabella 1.1 di pagina 2), per ri-scaldare l’abitacolo. I risultati sono mostrati qualitativamente nelle figure seguenti; la scala di temperatura adottata per le prove di riscaldamento è 295÷315 K.
