Sono stati analizzati gli effetti sul near wake prodotti da alcuni parametri che regolano il procedimento di base bleed :

Conclusioni

E stato verificato come, per una data geometria di corpo tozzo, la resistenza aero- ` dinamica dovuta al flusso separato pu` o essere ridotta variando il bilancio di massa del flusso nella zona separata.

Sono stati analizzati gli effetti sul near wake prodotti da alcuni parametri che regolano il procedimento di base bleed :

Re Il numero di Reynolds, come risulta dall’analisi riportata al paragrafo 3.4, non influenza i risultati raggiunti in termini di parametri adimensionali dal soffiag- gio. Si pu` o citare a questo proposito lo studio di Arcas [3], nel quale il distacco alternato di vortici da un corpo tozzo, risulta annullato per un valore di C _q che diventa indipendente da Re quando questo supera Re ≥∼ 1500.

Posizione sbocchi soffianti Questo parametro risulta fondamentale nel distin- guere le differenti azioni sulla struttura del near wake con cui pu`o operare il base bleed. In figura 7.1 si possono distinguere le differenti strutture de- terminate dal soffiaggio centrale, intermedio e perimetrale. Nel paragrafo 7.1 sono descritte le principali caratteristiche di ciascuna configurazione;

A R Influenza in maniera diretta la pressione sulla base. Il recupero aumenta con A _R sia per sbocco centrale che per gli sbocchi perimetrali;

u `E un secondo parametro dominante per la pressione sulla base. Esiste un valo-

re per il quale l’integrale della pressione sulla base ` e massimo e diminuisce all’aumentare di A _R , solo inizialmente con legge lineare;

C q Combina in se sia A R che u per dare un’idea della portata di aria che viene immessa nel near wake. La pressione sulla base dipende sia da u che da A _R , quindi non risulta un parametro sufficientemente descrittivo della fisica del fenomeno. Per valori piccoli di u, valori comunque minori dell’ottimo, il C p,b

risulta effettivamente dipendente dal prodotto u A R = C q (come si vede nel grafico 1.5) ma in seguito l’andamento del campo di pressione non ` e pi` u de- scritto unicamente dalla portata.

Arcas [3] riporta risultati secondo i quali scendendo la scia di qualche lun- ghezza di base il campo di pressione risulta indipendente dall’estensione delle aperture sulla base, mentre diventa importante solo il valore della portata di aria soffiata.

Il merito dell’analisi numerica ` e stato quello di fornire un’immagine chiara della struttura del flusso nella zona del near wake. Anche se molti fenomeni non stazionari non sono stati colti, i risultati ottenuti sono in accordo con quanto riportato nella letteratura tecnica consultata.

7.1 Confronto tipologie di soffiaggio

Le tre tipologie di soffiaggio utilizzate differiscono per posizione delle aree di sbocco e per modalit` a di azione sulla struttura della scia. In figura 7.1 sono rappresentate in maniera schematica le differenti azioni sulla struttura del near wake dovute al soffiaggio centrale, intermedio e perimetrale.

Anche se non ` e stato provato con le soluzioni numeriche, ` e comunque ragionevole pensare che ci sia un passaggio graduale attraverso le tre situazioni variando la po- sizione degli sbocchi.

Un unico sbocco posizionato centralmente allontana la zona di ristagno dalla ba-

se di una distanza proporzionale alla velocit` a di sbocco. Questo fino ad un massimo

che si colloca intorno a u ' 0.25, oltre il quale il flusso soffiato vince il fluido ricir- colante e non si forma pi` u la zona di ristagno distaccata.

Ci` o ` e in accordo con la letteratura esaminata, in particolare Porteiro [19] riporta risultati relativi ad un corpo assial-simmetrico a Re ' 2 ∗ 10 ⁶ , secondo i quali esiste- rebbe una dipendenza lineare tra C q (a parit` a di area, quindi ` e u) e la distanza del punto di ristagno libero dalla base. Il range di C _q analizzati da Porteiro non arriva al valore critico rilevato nel capitolo 4.

Rimanendo ad un valore di u ≤ 0.25 le linee di corrente in uscita dagli sbocchi di soffiaggio vengono deviate dal fluido esterno che ha direzione opposta e vanno a coalescere sulla base. Si formano dei nuovi punti di ristagno che incrementano la pressione sulla superficie solida della base.

La zona centrale della base ` e caratterizzata, anche in assenza del soffiaggio, da un recupero di pressione consistente dovuto al naturale coalescere del fluido di ricircolo.

Nella configurazione di sbocchi intermedi si soffia subito ai limiti di questa regione di ristagno, favorendo un ulteriore recupero di pressione e attenuando le depressioni che altrimenti si formerebbero sulle zone adiacenti.

La presenza dei vortici longitudinali creati dal diffusore determina nella scia una velocit` a trasversale, questa devia le linee di corrente richiamate sulla base anche sulle zone adiacenti alle fiancate.

Nelle simulazioni effettuate non si ` e ottenuto un adeguato recupero di pressione su tutta la zona esterna agli sbocchi, tanto che il risultato finale ha mascherato il no- tevole recupero ottenuto centralmente.

Anche Przirembel [20] adotta una distribuzione periferica di fori posti ad un raggio intermedio di una base circolare. Egli riporta che i vortici di ricircolo vengono deli- mitati all’interno della regione confinata dalla distribuzione dei fori, una situazione molto vicina quindi al soffiaggio perimetrale analizzato nel capitolo 6.

Aumentando la distanza degli sbocchi dalla zona di ristagno centrale sulla base,

per valori di u che aumentano da 0.25 a 0.4, si riesce a delimitare il vortice di ricir-

Figura 7.1: Tipologie di soffiaggio.

colo all’interno del flusso soffiato. Il valore di u che permette di limitare il vortice mantenendone minima l’intensit` a aumenta al diminuire di A R , portandosi a u ' 0.5 per A _R = 0 .1.

La configurazione perimetrale non agisce sulla posizione dei vortici, ma diminuisce la loro intensit` a. Il recupero di pressione ` e esteso a tutta la zona interna agli sbocchi, per questo motivo conviene limitare la zona di “gap” tra uscita soffiante e bordo esterno.

Una configurazione discontinua sul bordo delle aperture di soffiaggio permette di raggiungere un recupero massimo complessivo minore rispetto ad una soluzione con- tinua. Le zone aperte del bordo costituiscono sfoghi per il flusso interno e, in quelle zone, le velocit` a adiacenti alla base aumentano e la pressione diminuisce in modulo.

In figura 7.2 si nota come anche a parit` a di A R per ottenere la massima ridu- zione di C D convenga soffiare perimetralmente. Lo svantaggio consiste nel dover operare a valori maggiori di u, quindi a parit`a di area di sbocco a portate di sof- fiaggio maggiori rispetto al soffiaggio intermedio o centrale. Ma anche soffiando pi` u lentamente sulla zona perimetrale si riesce comunque a recuperare in misura mag- giore rispetto alle altre due tecniche.

Il massimo incremento di pressione che si ottiene sulla base, con il soffiaggio peri- metrale per A R = 0 .2 e u = 0.4, raggiunge il 40% del valore senza soffiaggio.

L’effetto sulla riduzione di deportanza del soffiaggio perimetrale ` e pi` u marcato, anche

se ` e stato visto che soffiare dall’uscita inferiore definita al paragrafo 6.1.2 determina

oltre ad un recupero di pressione un sensibile miglioramento del funzionamento del diffusore.

In figura 7.4 sono riportati i valori della velocit` a adimensionale che secondo Mair [16]

realizzano il migliore recupero di pressione sulla base per diverse estensioni dello sbocco.

I dati riportati in 7.4 sono relativi ad un corpo cilindrico con naso ad ogiva a Re = 1.8 ∗ 10 ⁵ provvisto di una uscita soffiante posta centralmente sulla base. Si nota come non esista una dipendenza lineare tra A _R e C _q in corrispondenza del valore ottimo di base bleed.

Si nota come la diminuzione di u con A _R confermi quanto riportato nei grafici 4.2.

In particolare nel caso di soffiaggio centrale esaminato la diminuzione di u passando

da A R = 0 .1 ad A R = 0 .2 `e minore, ma i valori sono vicini e molto deve influire la

forma del forebody e, in accordo con Przirembel [20], la forma della zona di base.

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.2

0.22 0.24 0.26

u

C

Sbocchi intermedi, A

R

= 0.2 Sbocco centrale, A

R

= 0.2

Sbocco perimetrale discontinuo, A

R

= 0.1 Sbocco perimetrale continuo, A

R

= 0.2 Sbocchi chiusi stessa area

Sbocchi chiusi stessa area intermedi Sbocchi chiusi

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.11

0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17

u C

forebody

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.06

0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13

u C

base

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.1

0.12 0.14 0.16 0.18 0.2

u

−C

medio

Figura 7.2: Confronto dei C _D ottenuti con differenti posizioni di soffiaggio.

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.76

0.77 0.78 0.79 0.8 0.81 0.82 0.83 0.84 0.85

u C

dorso

Sbocchi intermedi, A

= 0.2 Sbocco centrale, A

= 0.2

Sbocco perimetrale discontinuo, A

= 0.1 Sbocco perimetrale continuo, A

= 0.2 Sbocchi chiusi

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

−1.34

−1.33

−1.32

−1.31

−1.3

−1.29

−1.28

−1.27

−1.26

−1.25

u C

fondo

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

−0.52

−0.51

−0.5

−0.49

−0.48

−0.47

−0.46

−0.45

−0.44

u

C

Figura 7.3: Confronto dei C L ottenuti con differenti posizioni di soffiaggio.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.05

0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

AR

Velocità di sbocco adimensionale

Valore ottimo delle velocità adimensionale

Figura 7.4: Velocit` a ottima di soffiaggio secondo Mair [16].

7.2 Prospettive di ricerca

In tutti i casi di soffiaggio analizzati, per semplificare lo studio, non ` e stata variata la direzione del flusso soffiato. Ci` o nonostante, soprattutto nei casi di soffiaggio inter- medio o perimetrale, un soffiaggio obliquo rispetto la perpendicolare alla superficie, potrebbe provocare effetti interessanti sia sulla struttura del near wake che sul flusso del forebody.

I valori bassi di u caratteristici del soffiaggio potrebbero limitare gli effetti sul flus- so esterno, ma all’interno della zona di scia si hanno velocit` a comparabili, cos`ı che anche una piccola componente di velocit` a trasversale al flusso asintotico potrebbe influire sull’intera struttura del near wake.

Nella letteratura consultata sul base bleed non viene esplorata questa possibilit`a.

Un incremento di prestazioni, specialmente per il soffiaggio perimetrale pu` o venire

da una azione sullo stesso profilo di velocit` a in uscita dagli sbocchi. Come visto nel

capitolo 6 le azioni possibili sono due:

• Soffiare con velocit`a di uscita differenti sulle varie zone del perimetro della base. Per il modello usato in questa ricerca ` e risultato che la velocit` a ottima di soffiaggio ` e pi` u alta per gli sbocchi bassi;

• Soffiare con un profilo di velocit`a lineare sul piano trasversale dello sbocco, mantenendo la velocit` a minima sul lato interno dello sbocco e quella massima sul lato esterno, adiacente al perimetro della base.

Nella ricerca realizzata ` e stata analizzata la dipendenza del soffiaggio dalla velocit` a adimensionale u, solo in maniera limitata sono stati raccolti dati per la dipendenza da A R . ´ E auspicabile uno studio pi` u approfondito su questo parametro.

Una ricerca sperimentale in galleria potrebbe convalidare i risultati numerici e verificare la correttezza degli schemi proposti anche con geometrie pi` u complicate.

7.3 Possibili applicazioni

Svincolandosi dalla particolare geometria del modello utilizzata, si pu` o affermare che le azioni sulla scia descritte possono essere applicate ovunque si presenti una base grosso modo rettangolare e perpendicolare al flusso esterno.

Le caratteristiche importanti che devono caratterizzare la zona del near wake affinch´e si possano ottenere risultati simili a quelli studiati sono:

• Linea di separazione trasversale al flusso asintotico;

• Presenza di vortici trasversali adiacenti ai lati base;

• Effetti di separazione alternata di vortici di secondaria importanza rispetto ai vortici trasversali;

Con le precedenti ipotesi comunque, prima di poter applicare una qualsiasi pro-

normali. Come si legge in [10] la forma e la posizione dei vortici del near wake `e molto variabile.

Il vantaggio sul C D globale sar` a inoltre pi` u evidente tanto pi` u la resistenza di base

` e la componente principale della resistenza del veicolo in questione. Questo ` e il caso di mezzi da trasporto telonati o furgonati, autobus, macchine di tipo squareback.

Vantaggi si ottengono comunque anche per veicoli con basi limitate ad alte presta- zioni, dove anche una minima riduzione del C D pu` o significare una velocit` a di punta maggiore.

Nelle applicazioni pratiche del base bleed sorge il problema di trovare il fluido neces- sario per il soffiaggio.

Nel paragrafo 1.2 Mair [16] riporta un bilancio secondo il quale non ` e possibile ot- tenere vantaggi sulla resistenza di un veicolo se per il soffiaggio viene utilizzata aria proveniente dal flusso indisturbato esterno. La quantit` a di moto persa per rallentare il fluido dalla velocit` a U ∞ alla velocit` a U 0 risulterebbe maggiore del contributo dato dalla riduzione di resistenza.

Si possono usare i fluidi rallentati dall’autoveicolo per altri motivi, citiamo ad esempio:

• Flusso d’aria proveniente dalla ventilazione e condizionamento abitacolo;

• Gas di scarico motore;

• Flusso d’aria di raffreddamento del motore;

• Flusso sotto la scocca gi`a perturbato dalla presenza di assali e elementi tozzi del fondo macchina;

• Flusso prelevato da zone di alta pressione del passaruota posteriore;

• Aspirazione dello strato limite nella zona posteriore del modello prima del distacco sulla base combinato con soffiaggio [22];

In particolare per i mezzi commerciali la zona del sottoscocca ` e molto poco curata

aerodinamicamente e al tempo stesso molto alta dal suolo. La quantit` a di flusso

disturbato l`ı presente all’altezza della base sarebbe pi` u che sufficiente ad alimentare

il procedimento di soffiaggio.

Questo lavoro ` e stato possibile grazie alle idee ed ai suggerimenti del prof. Gio- vanni Lombardi e prof. Guido Buresti che desidero ringraziare per la competenza dimostrata non solo durante il mio lavoro di tesi ma anche durante tutto il mio iter universitario.

Mi sento riconoscente verso tutte le persone che mi hanno aiutato in questi mesi al

centro di calcolo del dipartimento di Ingegneria Aerospaziale di Pisa. Ricordo Enrico

ed Ish-ma¨ el per le critiche ed i suggerimenti alla metodologia adottata, Marco per

la sua insostituibile introduzione all’ambiente Fluent e tutti gli altri che per consigli

o anche solo per l’amicizia dimostrata hanno reso piacevole questo periodo.