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La progettazione delle moderne autovetture, siano esse destinate al mondo delle competizioni che alla produzione in serie, non può prescindere da un attenta analisi aerodinamica.
Nel mondo delle competizioni le specifiche del progetto aerodinamico sono essenzialmente mirate all’ottenimento delle migliori prestazioni possibili della vettura in termini di controllabilità, bilanciamento e velocità di punta.
In questo ambito passano quindi in secondo piano tutti quegli aspetti che caratterizzano invece il progetto delle autovetture destinate alla produzione in serie e che ne determinano il successo commerciale quali l’estetica, la razionalizzazione dei volumi interni e, non ultimi, i consumi di carburante ed il rispetto di stringenti normative in merito all’emissione dei gas nocivi per l’ambiente.
La resistenza aerodinamica, riguardo proprio questi ultimi aspetti, gioca un ruolo fondamentale incidendo tanto sui consumi, quindi sull’appetibilità delle autovetture di piccole e medie cilindrate, quanto sulle velocità di punta, quindi sul fascino delle auto sportive.
È per questo che, nel corso degli ultimi anni, le maggiori case costruttrici
hanno investito molte risorse economiche per finanziare studi mirati alla
riduzione della resistenza aerodinamica attraverso piccole ma significative
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modifiche della geometria della superfici delle autovetture, in grado di non stravolgerne completamente il design.
Numerose campagne di prova sperimentali, condotte su corpi di geometria semplificata e volte a cercare soluzioni in grado di ridurre la resistenza aerodinamica, hanno dimostrato infatti l’esistenza delle così dette “geometrie critiche”, ovvero interventi sulla forma del corpo, che comportano in generale dei miglioramenti in termini di resistenza aerodinamica, possono per tali geometrie non portare a nessun tipo di vantaggio previsto, se non addirittura ad un peggioramento delle caratteristiche aerodinamiche.
In altre parole, l’andamento della resistenza in funzione di determinati parametri geometrici presenta dei massimi relativi o assoluti.
Il presente lavoro di tesi, nato dalla collaborazione tra il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dell’Università di Pisa e la Dallara Engineering S.r.l., ha come obiettivo lo studio, mediante analisi CFD (Computational Fluid Dynamics), dell’effetto prodotto dall’arrotondamento degli spigoli posteriori sulla resistenza di forma di un corpo tozzo assialsimmetrico.
Una precedente campagna di prove sperimentali condotta dagli ingegneri Andrea Ferraresi, Roberto Fedeli e dal professor Guido Buresti, all’interno della galleria del vento della Ferrari Auto, ha confermato infatti, proprio per questo tipo di corpo, che l’ arrotondamento delle superfici posteriori produce un aumento dello resistenza per valori piccoli del raggio di raccordo e un vantaggio in termini di resistenza aerodinamica per quelli più grandi.
Tale aumento della resistenza, imputabile all’effetto congiunto dei picchi di aspirazione che si registrano sulle superfici curve dei raccordi e del conseguente recupero di pressione che, a partire da tali picchi, si manifesta sulle superfici posteriori fino alla separazione del flusso, rappresenta la conferma agli aumenti di resistenza di forma registrati su alcune moderne autovetture che presentano superfici posteriori molto arrotondate.
Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello quindi non soltanto di ricercare,
mediante simulazioni numeriche, gli andamenti della resistenza che
permettono di individuare le geometrie critiche, ma anche e soprattutto quello
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di indagare, l’attendibilità delle simulazioni numeriche di comune impiego industriale nei confronti di problemi di aerodinamica esterna in cui la separazione del flusso non è fissata dalla geometria dei corpi in esame.
Da questo punto di vista la Dallara Engineering, ed in particolare l’ufficio CFD dell’azienda, si è mostrato molto interessato a questo tipo di indagine, permettendo a chi scrive di poter sviluppare la tesi di laurea presso la sede dell’azienda e di utilizzare le risorse di calcolo della stessa.
Il lavoro è stato quindi organizzato in due fasi. Nel corso della prima sono state condotte simulazioni CFD di tipo RANS stazionarie utilizzando diversi modelli di turbolenza, implementati nel software Fluent 12, al fine di poter indagare, in modo approfondito, le potenzialità e i limiti di questo tipo di approccio numerico al problema aerodinamico in esame.
In queste simulazioni sono state utilizzate tre differenti griglie di calcolo (mesh) per ciascuno dei sette corpi analizzati, generati variando il raggio di raccordo delle superfici posteriori.
Delle tre tipologie di griglie di calcolo, due sono simili per tipologia di elementi e parametri di generazione a quelle di uso comune nell’ufficio CFD, mentre l’altra è stata molto raffinata nei pressi dei contorni solidi dei corpi in esame per riuscire ad indagare gli effetti prodotti sulla soluzione numerica dalla elevata discretizzazione dello strato limite.
Nella seconda parte della tesi sono state condotte invece simulazioni Large Eddy (LES) utilizzando due modelli di subgrid-scale allo scopo di poter effettivamente tenere conto dell’intrinseca non stazionarietà del problema aerodinamico affrontato e per riuscire a capire se tali simulazioni potessero essere utilizzate con griglie di uso comune nelle simulazioni RANS.
A tale proposito va ricordato infatti che le simulazioni Large Eddy richiedono, di norma, griglie di calcolo molto più raffinate e complesse di quelle adottate nelle simulazioni RANS e quindi i tempi di calcolo necessari le rendono spesso inadatte a un loro impiego in ambito industriale.
Si è posta inoltre particolare attenzione, in entrambe le tipologie di
simulazioni, nel condurre un attento studio comparativo tra i risultati delle
simulazioni numeriche e quelli derivanti dalle prove in galleria del vento.
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