Analisi al CFD dei mozzi "soffianti"

La storia dei mozzi “soffianti” inizia nel 2012; una trovata del “Genio”, Adrian Newey.In pratica Adrian aveva realizzato dei mozzi ruota anteriori forati, con una serie di fori assiali che riuscivano ad espellere l'aria parallelamente all'asse ruota anteriore.In occasione del Gran Premio dei Canada 2012, venivano dichiarati illegali in quanto questi fori giravano insieme al mozzo, al dado e alla ruota. Il dispositivo veniva dichiarato illegale in quanto considerata appendice aerodinamica mobile, e pertanto bandita dal regolamento che appunto impedisce il movimento di qualsiasi appendice aerodinamica (escluso il flap per il DRS) dal 1969.In seguito si era pensato che un simile dispositivo non sarebbe potuto più esistere, essendoci stato questo precedente. All'inizio del 2013 invece la disastrosa Williams stupì tutti con il posizionamento di un condotto che portava direttamente un flusso d'aria dalla zona tra ruota e scocca attraverso il mozzo ruota.La soluzione venne ritenuta legale poiché il condotto era solidale alla vettura e non in rotazione, non fu quindi giudicato un dispositivo aerodinamico mobile.La soluzione fu adottata sulla Red Bull e sperimentata brevemente in occasione del gran premio del Barhain sempre nel 2013 ma fu abbandonata e non più usata in gara, uno strano caso per la Red Bull, che ha sempre fatto debuttare in pista soluzioni funzionanti ed efficaci, se non al primo colpo ma almeno corrette e rivedute nei gran premi successivi.Il dispositivo non venne più usato da nessuno e nemmeno sperimentato, anche la Williams sul finale di stagione abbandonò la soluzione, per tornare ad avere un mozzo pieno, tradizionale.Nel 2014 invece a sorpresa la Ferrari ha reintrodotto il dispositivo, riveduto e corretto nel senso che a differenza della williams il condotto ha una forma diversa e sembra puntare verso il basso. Inoltre la Ferrari lo ha usato solamente in un Gran Premio, e provato solo brevemente in qualche test.Ma come funziona il dispositivo? Che effetto ha sull'aerodinamica della vettura? Perchè nessuno lo ha mai usato con convinzione?
Beh a queste domande abbiamo cercato di dare una risposta razionale, basata su una serie di simulazioni alla CFD grazie all'uso del software Star ccm+.In particolare si premette che lo scopo delle prove fatte è stato solo quello di cercare di capire che effetto ha un getto d'aria situato nel centro della ruota, cioè un'indagine qualitativa e non quantitative. Infatti è sempre molto difficile riuscire ad effettuare un'analisi quantitativa su un modello di vettura di formula 1; questo a causa della miriade di dispositivi aerodinamici che una vettura possiede che richiede una grande potenza di calcolo di cui ovviamente siamo sprovvisti. Serve inoltre un modello esatto e perfetto di vettura (in particolare in questo caso di una F14 T) cosa impossibile da ottenere chiaramente.L'indagine quindi si propone solo di capire eventualmente di capire all'incirca come funziona il dispositivo e dove va, il flusso che esce da quella zona.Il modello di vettura usato è un modellino semplicissimo, dotato di sole due ruote quelle di sinistra (infatti spesso nelle simulazioni CFD si usa un modello di vettura dimezzato per ridurre la complessità dei calcoli e mantenere una buona accuratezza, almeno nelle simulazioni in assetto simmetrico, cioè non in curva) ali anteriori e posteriori semplicissime e forme molto semplici del corpo vettura e fondo. Si è anche fatto a meno delle sospensioni e dei condotti dei freni tra scocca e ruota, così anche per i cerchi usando quindi una vettura con ruote piene e ferme, cioè non in rotazione. A causa di questi pesanti limiti (dovuti alla necessità di un calcolo breve e affrontabile da un normale computer casalingo) l'indagine è come detto solo qualitativa, cioè capace solo di far capire l'effetto del dispositivo senza nessuna pretesa.Le simulazioni effettuate sono state 3: la prima senza effetto soffiaggio, la seconda con soffiaggio del mozzo (di 8 cm di diametro) a 20 m/s (cioè 72 Km/h) e la terza è stata effettuata con un soffiaggio a 50 m/s, per enfatizzare l'effetto. Il flusso che investe la vettura è stato mantenuto a bassa velocità, cioè 50 m/s, cioè 180 Km/h.Dalle seguenti foto, tratte dalla simulazione, si vede che il flusso d'aria uscente dal mozzo appena dopo l'uscita, come era prevedibile, viene deviato verso il posteriore e si va ad “arrotolare” in un vortice che si crea dietro la ruota anteriore, una zona fortemente turbolenta e piena di vortici.In seguito il flusso procede verso il posteriore andando ad impattare nella zona bassa della ruota posteriore. Si nota che questo flusso va a colpire la ruota nella metà esterna della ruota, il che comporta che la maggior parte del flusso viene deviato esternamente alla vettura, e solo una piccola parte di flusso investe poi il corpo vettura e la delicatissima zona ruota-diffusore.
Il piano che si vede nelle foto, è un piano posizionato esattamente all'altezza dell'asse ruota, allo scopo di evidenziare il percorso del flusso uscente dal mozzo e ciò che succede al cerchio. I colori che si vedono nelle foto rappresentano la velocità delle particelle d'aria, in particolare come si vede dalla legenda in basso, i colori che tendono al blu rappresentano un flusso molto lento, quasi fermo; al contrario le zone che tendono al rosso rappresentano zone ad alta velocità. E' interessante notare quello che succede sul piano appena descritto: si vede molto bene che nella zona appena a valle della ruota anteriore il flusso d'aria è molto lento, in particolare vicino ai due bordi si creano due zone di fluido quasi fermo che perciò segue la vettura lungo il suo movimento; una interna verso la scocca e una esterna.All'aumentare della velocità del getto dal mozzo, la zona blu “esterna” alla ruota, si ingrandisce e tende a spostarsi verso l'esterno, risucchiato dal flusso uscente dal mozzo. Questo ha due effetti abbastanza visibili nelle foto: il primo è quello di aiutare il flusso tra ruota e scocca a deviare verso l'esterno, e in più si vede che il cerchio tende ad avere sempre meno “blu” sulla sua superficie, cioè il getto d'aria risucchia aria dal cerchio e questo nella realtà aumenta quindi l'effetto di estrazione dei gas caldi e sporchi di polvere di carbonio, proveniente dai dischi anteriori.Questo è a mio parere il maggiore vantaggio di una soluzione del genere: questa analisi non ha evidenziato (anche perchè come detto non si era nelle condizioni a verificare tale effetto) differenze sostanziali in termini di carico aerodinamico oppure di resistenza aerodinamica, per cui l'effetto maggiore è proprio la sollecitudine del getto ad estrarre gas dal cerchio e dall'impianto frenante.A causa di questa migliore estrazione dei gas caldi proveniente dai freni il raffreddamento dovrebbe migliorare, e quindi si potrebbero adottare prese di raffreddamento di dimensioni leggermente ridotte e quindi migliorare la penetrazione aerodinamica della vettura.L' obiezione che mi ha fatto Cristiano Sponton, è stata che, in maniera apparentemente contraria a ciò da me appena esposto, in Cina la Ferrari ha usato una presa di raffreddamento dei freni nuova e apparentemente molto più grande di quella precedente. Si può anche pensare che la presa più grande non sempre vuol dire maggiore resistenza aerodinamica. Questo perchè quando il flusso d'aria attraversa tutto il sistema di raffreddamento dei freni, percorre una strada molto “tortuosa” e perde perciò tanta energia sotto forma di pressione, oppure se vogliamo serve tanta pressione all'imbocco del condotto per far si che il flusso attraversi tutto il condotto fino ad uscire, questo crea perciò tanta resistenza.Al contrario, il percorso che il flusso d'aria fa per fuoriuscire dal mozzo, potrebbe essere molto più lineare e meno contorto, con conseguente minore richiesta di energia o pressione, e perciò meno resistenza aerodinamica.Quindi se la presa di “raffreddamento” ha poi una biforcazione tra “flusso freni” e “flusso mozzo” si potrebbe ingrandire la porzione di “flusso mozzo” con poco effetto sulla resistenza aerodinamica e ridurre un po' la porzione di “flusso freni” che ha invece un impatto maggiore.In definitiva la questione è sempre molto complessa come al solito e forse l'effetto o il motivo che ha spinto a sperimentare questa soluzione non è banale. Mi preme evidenziare però, che a mio parere, i gas uscenti dal mozzo e anche quelli uscenti dal cerchio caldi e sporchi di polvere di carbonio, sono indirizzati lontano dalla vettura per evitare che i vortici creati da questi flussi impattino o vadano a disturbare le zone delicate del fondo e diffusore.
di Federico Basile - Presentazione
Immagini simulazione