Separazione del flusso, generatori di vortici, numero di Reynolds e scia aerodinamica




Questi concetti base dell’aerodinamica si applicano a qualsiasi tipo di corpo. Per questioni di semplicità, farò riferimento ad alcune applicazioni automobilistiche. Ci sono diversi corpi la cui aerodinamica può essere studiata ipotizzando l'aria come fluido incomprimibile. Ciò è dovuto ai bassi numeri di Mach coinvolti (M=V/c, essendo V la velocità del gas e c quella del suono, quest'ultima pari a circa 340 m/s). Se il flusso di corrente potesse essere visualizzato, ciò che vedremmo sarebbero linee di flusso con particelle di aria dotate di velocità crescente mano a mano che ci si allontana dalla superficie del veicolo. Il sistema viene schematicamente rappresentato come nella figura seguente.

Separazione del flusso, generatori di vortici, numero di Reynolds e scia aerodinamica
Test aerodinamici su Mercedes CLA del 2013.

Separazione del flusso, generatori di vortici, numero di Reynolds e scia aerodinamica

Sperimentalmente si dimostra, infatti, che a causa della viscosità dell'aria stessa, le particelle a contatto con la superficie della scocca aderiscono a quest'ultima. Proprio in virtù di questo fatto, in prossimità di quella che in gergo viene definita anche parete, il campo di velocità presenta forti variazioni. Detto con espressione più rigorosa il campo di velocità presenta gradienti molto elevati. Si faccia quindi riferimento alla figura seguente. 

Separazione del flusso, generatori di vortici, numero di Reynolds e scia aerodinamica

Separazione del flusso, generatori di vortici, numero di Reynolds e scia aerodinamica
Andamento del flusso aerodinamico. 


Le frecce indicano i vettori velocità di intensità crescente mano a mano che ci si sposta vero la parte alta dello strato di aria considerato. Le particelle più vicine alla superficie del veicolo compongono, come anticipato, quello che viene definito lo strato limite della corrente, ossia uno spessore molto limitato in cui il fluido si trova a contatto con la superficie del veicolo. Ciò è ben visibile nell'immagine della figura precedente (vedi punti 1 e 2). In altre parole quello che si osserva è una coerenza del flusso tale per cui tutte le particelle del mezzo scorrono, pur con velocità differenti, nello stesso verso. Ad un certo punto però accade un fenomeno. La pressione del fluido aumenta nella zona più prossima alla superficie fino a generare un inversione del flusso stesso (vedi punto 4). Questo accade perché il flusso viene frenato dalla viscosità dell'aria che tende a bloccare le particelle in prossimità della zona dello strato limite (diminuisce la velocità e aumenta la pressione). Quando si raggiunge la condizione di separazione del flusso, nota anche come separazione dello strato limite, i vortici non sono più limitati alla zona dello strato limite, ma vengono ad interessare una zona molto più ampia nei dintorni della scocca. Nello schema dell'immagine sopra, il punto 3 del tetto è quello critico. Ossia quello in cui si sta per assistere ad un inversione del flusso.

Separazione del flusso, generatori di vortici, numero di Reynolds e scia aerodinamica

È proprio in questa situazione che entrano in gioco i generatori di vortici, il cui compito può essere pensato come quello di trasferire quantità di moto da una zona che ne ha in eccesso ad un'altra che ne è priva. In altre parole, disponendo dei piccoli ostacoli di superficie, si provoca un'alterazione del campo di velocità con un trasferimento di quantità di moto dalla parte più alta della corrente a quella più bassa. L'introduzione dei generatori di vortici ha, infatti, il duplice, e simultaneo, effetto di aumentare e diminuire la resistenza aerodinamica. Affinché i generatori di vortici siano efficaci, l'aumento di forza resistente generato non dovrà chiaramente essere superiore al beneficio ottenuto. Con l'introduzione dei generatori di vortici la separazione del flusso viene ritardata, ossia spostata verso zone più a valle. Molte vetture sono dotate di nolder o profili in prossimità della zona posteriore del tetto, per le due volumi, o del portellone del vano bagagli per le berline. Si faccia attenzione che la presenza di bassa pressione è fonte di resistenza aerodinamica. Per capirlo basti pensare all'effetto di risucchio che zone di bassa pressione provocherebbero durante la marcia. L'effetto di risucchio, così qualitativamente descritto, attrae il veicolo in direzione opposta a quella di marcia, con una forza che, di fatto, e di tipo resistente. Proprio da questo concetto nascono i metodi volti a diminuire la resistenza aerodinamica dovuta alla presenza di zone a bassa pressione all'interno della scia. Quello che si fa è cercare di alzare il più possibile i valori di pressione all'interno della scia oltre che limitare l'estensione trasversale della scia stessa. Sperimentalmente è stato anche dimostrato che la tipologia di vortici generati dalla forma della vettura assume estrema importanza. La presenza di un unico grande vortice ben conformato è, dal punto di vista della resistenza all'avanzamento, molto peggio di tanti piccoli vortici disordinati. Se volete capire in quale condizione di funzionamento si trovi ad operare la vostra vettura, sempre per rimanere nell’esempio legato al mondo automobilistico, è sufficiente una giornata di pioggia. Quando il vetro posteriore tende a sporcarsi in modo deciso allora significa che i tecnici hanno lavorato per ottenere una vorticità poco organizzata. 

Separazione del flusso, generatori di vortici, numero di Reynolds e scia aerodinamica
Andamento dei flussi aerodinamici su Chevrolet Camaro del 2014. 

Viceversa un vetro posteriore che si conserva pulito è una chiara dimostrazione del fatto che i vortici che si formano in prossimità della coda sono molto ordinati e di dimensioni superiori (situazione quindi meno efficace in termini di resistenza aerodinamica). Ciò di fatto porta ad avere zone con pressione mediamente inferiore a quella ambiente e quindi quella condizione di risucchio di cui parlavamo poco sopra. Tradotto in altre parole maggiore forza resistente.

È chiaro che l'aggiunta di generatori di vortici va fatta in conseguenza agli studi di aerodinamica svolti in galleria del vento. La corrente infatti darà origine comunque ad una separazione del flusso nella zona più a valle. Quello che gli aerodinamici fanno è mettere in conto proprio questo. E cioè valutare se la forza resistente provocata da una separazione del flusso in zona più a valle è complessivamente più premiante. In questo caso i generatori di vortici sono una cosa utile. Purtroppo, però, l'utilizzo di questi ultimi è affare tutt’altro che semplice tanto che la dimensione dei generatori stessi deve essere calcolata con estrema accuratezza. A questo punto, è possibile anche chiarire la differenza tra il concetto di corpo aerodinamico e corpo tozzo. A differenza di quello che si è portati a credere, le automobili sono dei veri e propri corpi tozzi, mentre gli aeromobili sono veri corpi aerodinamici. Ecco la spiegazione. Se lo strato limite si conserva lungo tutta la superficie e si mantiene su spessori limitati, allora si dice che il corpo è aerodinamico. Nel caso contrario si parla di corpi tozzi. Determinare se un corpo è tozzo o aerodinamico è cosa difficile. Quello che si può fare è sfruttare il numero di Reynolds di cui a breve daremo la definizione. Questo numero è spesso utilizzato da chi si occupa di Meccanica dei Fluidi, perché in qualche modo può essere considerato un'espressione in grado di valutare il rapporto tra forze di tipo inerziale e forze di tipo viscoso. Per numeri di Reynolds superiore a 5x105, l'esperienza ci dice che lo strato limite non è più uno strato sottile e che quindi i gradienti di velocità in prossimità della parete sono molto elevati. Questo è tipicamente il caso dei corpi tozzi. Il numero di Reynolds è definito con la seguente relazione:

Separazione del flusso, generatori di vortici, numero di Reynolds e scia aerodinamica
I primi tre termini a numeratore sono la densità del mezzo (nel nostro caso l'aria), la velocità del corpo (considerato fermo) rispetto all’aria e una lunghezza caratteristica legata alla situazione in fase di studio. Nella formulazione presente al secondo membro dell'equazione, abbiamo a denominatore il coefficiente di viscosità cinematica, che non è altro che il rapporto tra la densità e il coefficiente di viscosità dinamica presente al denominatore del terzo membro dell'equazione stessa. Non entriamo in questa sede nel merito delle unità di misura utilizzate, cosa inutile ai fini del concetto. Nel caso di un'auto potrebbe essere la lunghezza stessa dell’automobile, anche se, nel settore automotive, nella maggior parte dei casi si tende ad utilizzare il passo. Se si inseriscono i valori si scopre subito che per un'auto che viaggia sopra i 50 km/h il numero di Reynolds va ben oltre il limite indicato sopra e che quindi si tratta di corpo tozzo.
Vorremmo concludere, però, sottolineando che un corpo aerodinamico che viene fatto lavorare in condizioni errate può trasformarsi in un corpo tozzo. L'ala di un aereo o l'alettone di una Formula 1 posizionati con angoli di incidenza esagerati possono comportarsi come corpi tozzi. Quando un profilo alare stalla, di fatto si sta comportando come un corpo tozzo. 

Archivio immagini: Mercedes e Cars by Images




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