Università degli Studi di Roma "Tor Vergata"

Corso di Laurea e Dipartimento di Ingegneria Meccanica

 
 

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Ottimizzazione delle prestazioni aerodinamiche di kart da competizione


TVK Ricerca Fluidodinamica


Lo studio aerodinamico di un go-kart da competizione è un'attività di notevole importanza per la progettazione del suo insieme, specialmente da quando la Federazione Internazionale ha liberalizzato la forma delle protezioni dei kart. Infatti, nonostante le velocità raggiunte dai kart non siano elevatissime, l'aerodinamica svolge un ruolo di primaria importanza nella determinazione delle forze resistenti. Uno studio approfondito di aerodinamica non solo porta ad una conseguente ottimizzazione di forma di tutti i particolari che possono essere modificati e quindi ad una diminuzione della resistenza dell'intero kart, ma permette anche di determinare ed ottimizzare le condizioni di aspirazione e scarico e di valutare la quantità di calore sottratta al liquido refrigerante nel radiatore. Di recente, alcuni strumenti di simulazione numerica sono stati sviluppati per lo studio della aerodinamica dei veicoli. Il loro successo è dovuto al fatto che essi sono di grande ausilio alle prove in galleria del vento: potendo simulare una grande quantità di casi in "galleria virtuale", vengono ridotti drasticamente i tempi ed i costi dello studio aerodinamico, inoltre, grazie alla simulazione numerica, è possibile analizzare alcuni particolari che nella realtà non è possibile esplorare con lo stesso livello di dettaglio. Diverse simulazioni dell'aerodinamica di kart da competizione sono state condotte dal gruppo TVK. I risultati ottenuti mostrano le potenzialità di questo approccio e permettono di approfondire i seguenti aspetti:
  • variazione dell'aerodinamica di un kart al variare della posizione del pilota;
  • influenza degli effetti aerodinamici sul raffreddamento del motore e sulla sua efficienza fluidodinamica;
  • effetto delle azioni aerodinamiche sul trasferimento di carico sulle quattro ruote.

Questo approccio è stato applicato ad un esempio concreto, per mostrare la differenza di prestazioni di due kart con Cx differente lungo un rettilineo. Gli sviluppi futuri prevedono di applicare gli strumenti citati per ottenere il valore del Cx di un kart lungo un intero tracciato, al fine di tenere in conto delle resistenze aerodinamiche all'interno di strumenti di simulazione integrati telaio-motore-dinamica, come quelli che TVK sta da tempo sviluppando.

Software e Hardware
Le simulazioni numeriche di aerodinamica esterna necessitano di un impiego di risorse hardware non indifferente. Mentre per la simulazione dei flussi interni è possibile pensare di utilizzare calcolatori tipo i Personal Computer di nuova generazione, per i calcoli di aerodinamica è necessario avvalersi di risorse hardware multiprocessore. Per le simulazioni oggetto di questo lavoro è stato possibile utilizzare un server SGI Origin3200 a sei processori.

Il software utilizzato adotta un modello fisico-matematico basato sull'equazione cinetica di Boltzmann e dunque si differenzia dai codici tradizionali basati sull'impiego delle equazioni di Navier-Stokes. Le sue principali caratteristiche possono essere riassunte come segue:
  • si rinuncia all'ipotesi del continuo;
  • il fluido è composto da particelle;
  • si utilizza un operatore di collisione;
  • il fluido è incomprimibile;
  • si utilizzano griglie strutturate ad elementi cubici.

Il vantaggio principale di un tale modello è quello relativo alla generazione della griglia, che risulta essere un'operazione completamente automatica e che può essere realizzata in un tempo molto contenuto e sopratutto senza l'intervento diretto dell'operatore. Nei codici tradizionali, invece, questa operazione è molto complessa, influenza la qualità dei risultati in maniera sostanziale e dunque può assorbire un tempo superiore a quello della simulazione. Considerando che la simulazione è costituita essenzialmente da tempo macchina, il tempo uomo viene impiegato solo nella fase preliminare del pre-processing, che include anche la generazione della griglia. Nei codici di tipo cinetico il tempo uomo viene abbattuto dalla generazione automatica della griglia con evidenti vantaggi operativi.


La galleria del vento virtuale
Una volta stabilito l'hardware ed il software, bisogna procedere all'identificazione del caso che si vuole simulare. Note le dimensioni del veicolo, si procede alla generazione della galleria del vento virtuale nella quale è necessario identificare l'ingresso e l'uscita dell'aria, la posizione del pavimento e del veicolo. All'interno della galleria si procederà poi a creare differenti zone che indicheranno al codice dove si desidera ottenere i risultati con una maggiore risoluzione. Ad ogni zona è assegnato un livello di infittimento in modo tale che la griglia sia più fitta nelle zone di maggiore interesse e divenga via via più rada nelle zone lontane al centro della galleria, dove normalmente è posto l'oggetto da studiare. Nelle seguenti figure viene rappresentata una vista longitudinale della sezione della galleria dove è possibile vedere il confine tra le varie zone a differente risoluzione. Ad ogni interfaccia la dimensione degli elementi della griglia varia di un fattore 2.


La galleria virtuale



Ingrandimento della zona intorno al kart


La geometria totale della galleria deve essere dimensionata tenendo conto che il rapporto tra l'area di ingresso dell'aria e l'area frontale del veicolo deve essere superiore a 100, per evitare che le pareti della galleria influenzino la fluidodinamica intorno al veicolo. Inoltre l'uscita dell'aria deve essere posta ad una distanza di almeno tre volte la lunghezza del veicolo, sempre per la stessa ragione. E' importante tenere conto di queste informazioni per dimensionare correttamente la galleria, in quanto, se è vero che una galleria troppo piccola fornisce dei risultati non corretti, è anche vero che una galleria troppo grande porta ad un numero di elementi di griglia esorbitante, con conseguente dispendio di tempo di calcolo. Nella figura successiva viene mostrato il livello di dettaglio della griglia più fitta che avvolge il kart. Tale dimensione di griglia è sempre un compromesso tra il livello di dettaglio che si vuole raggiungere ed il tempo di calcolo necessario per eseguire la simulazione completa.


Dettaglio della griglia vicino alla superficie del kart


All'interno della galleria deve essere posto il modello tridimensionale del kart, che è stato precedentemente generato tramite un software per modellazione 3D. Per maggiori informazioni è possibile consultare l'articolo Realizzazione di Modelli Tridimensionali. Il livello di dettaglio non deve essere troppo spinto e conviene modellare solo i particolari che sono importanti dal punto di vista fluidodinamico. Nelle successive figure è illustrato il modello del kart utilizzato, dove si nota la modellazione delle protezioni, del motore comprensivo di air box e di scarico e silenziatore, del radiatore, delle ruote, dell'assale posteriore, del pianale anteriore, del sedile, del pilota e dello sterzo.


Il modello 3D dell'intero kart



Vista superiore ed inferiore del modello


Occorre infine fornire al software i dati fluidodinamici relativi alla prova che vogliamo simulare. Per ciò che riguarda i dati del fluido che evolve in galleria sono state assunte le proprietà dell'aria in condizioni standard. Successivamente è stata fornita una condizione al contorno di velocità imposta sulla superficie di ingresso dell'aria in galleria, pari alla velocità del veicolo alla quale si vuole impostare la simulazione, ed una condizione di pressione statica fissata, pari alla pressione atmosferica, sulla superficie di uscita. Alcune particolari condizioni al contorno sono state assunte per realizzare la simulazione nel modo più fedele possibile, rispetto al caso reale di veicolo in movimento rispetto all'aria ed alla pavimentazione. Infatti il pavimento della galleria virtuale è stato posto in movimento con una velocità costante e pari a quella dell'aria in ingresso, mentre le ruote e l'assale posteriore comprensivo di disco freno e corona, sono stati messi in rotazione con un velocità angolare corrispondente al loro puro rotolamento sul pavimento.

Per quanto riguarda il sistema di riferimento, è stato adottato il sistema americano, secondo il quale l'asse x è diretto come l'asse del kart, con verso positivo preso dall'anteriore verso il posteriore, l'asse y è trasversale al kart con verso positivo in alto e l'asse z è trasversale al kart con verso positivo a sinistra, come illustrato di seguito. L'origine del sistema cartesiano è stata posta al centro del kart, in prossimità del suo baricentro ed a quota zero rispetto al pavimento.


Il sistema di riferimento adottato


Quando tutte le impostazione del codice, sia geometriche che fluidodinamiche, sono state impostate correttamente, si può procedere alla simulazione vera e propria. Il calcolo eseguito con il software PowerFLOW è necessariamente di tipo non stazionario, cioè segue le evoluzioni temporali del flusso e delle forze che agiscono sul kart. I tempi di calcolo, una volta fissata la griglia, e quindi il numero di elementi, dipendono dalla velocità caratteristica con cui si esegue il calcolo. Come dato indicativo, è necessario portare la simulazione fino al raggiungimento del tempo fisico per il quale l'aria ha attraversato la lunghezza del veicolo per almeno 3÷5 volte; perciò basterà moltiplicare la lunghezza del kart per 3÷5 volte e dividerla per la velocità in galleria per ottenere il tempo fisico fino al quale è necessario condurre la simulazione. Comunque è sempre opportuno monitorare l'andamento delle forze sul kart e verificare che si siano stabilizzate con un andamento periodico tipico delle prove di aerodinamica esterna. Per maggiori informazioni sulla simulazione numerica si rimanda agli articoli La Simulazione Numerica e Simulazione Numerica dei Motori a Combustione Interna.


Files allegati

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Animazione delle linee di flusso nel piano x
stream_y
Animazione delle linee di flusso nel piano y
stream_z
Animazione delle linee di flusso nel piano z
2kart_streamlines
Animazione delle linee di flusso dei due kart accodati




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