A cura di Tommaso Davoli
In questo articolo è presentato un caso di efficientamento aerodinamico di un veicolo da trasporto pesante su gomma, realizzato tramite simulazioni CFD. Le analisi fluidodinamiche sono state svolte tramite Midas NFX, generando un modello numerico semplificato ma comunque rappresentativo del fenomeno reale. Una prima investigazione delle performance aerodinamiche del corpo nella sua configurazione originale è stata svolta per individuare i possibili margini di ottimizzazione. Successivamente, un ciclo di ottimizzazione geometrica è stato implementato al fine di ridurre la resistenza aerodinamica del veicolo. Ulteriori analisi CFD sono state svolte per quantificare gli effetti dell’ottimizzazione in termini di efficienza aerodinamica. Infine, una campagna sperimentale realizzata in Galleria del Vento ha permesso di verificare i risultati ottenuti tramite CFD dal punto di vista quantitativo e qualitativo.
Questo articolo è un estratto della presentazione tenuta al SIMULATIONSUMMIT 2024 lo scorso marzo 2024. Se siete interessati ad approfondire è possibile richiedere la presentazione completa del lavoro scrivendo a caeexperts-at-e-fem.it.
Dal punto di vista aerodinamico i veicoli da trasporto pesante su gomma (i.e. Camion) possono essere considerati come corpi tozzi (bluff body). Per questi corpi la resistenza aerodinamica al moto è molto più elevata dei classici profili aerodinamici usati in ambito aeronautico e motorsport. La resistenza aerodinamica è misurata attraverso il coefficiente adimensionale di resistenza CD (drag coefficient).
Per questi corpi la resistenza è dovuta principalmente alla distribuzione di pressione sulle superfici, piuttosto che alla resistenza di attrito viscoso, spesso trascurabile.
Essendo poi la resistenza aerodinamica tendenzialmente dominante rispetto all’attrito col suolo, soprattutto a velocità elevate, essa costituisce la principale fonte di consumi, quindi di costi ed emissioni. Per queste ragioni l’ottimizzazione aerodinamica come quella mostrata nel presente articolo risulta una pratica piuttosto diffusa e conveniente.
Correva l’anno 1934, la pubblicità della Tatra 77 illustrava molto chiaramente il concetto di drag.
Per analizzare dal punto di vista qualitativo e quantificare numericamente la resistenza aerodinamica, sono state svolte delle analisi CFD in Midas NFX. E’ stato quindi realizzato un modello numerico rappresentativo del caso reale con velocità di crociera: v = 20 m/s.
Come prima cosa è stato generato un dominio numerico di dimensioni tali [20(y)∗40(z)∗200(x)] da catturare tutti i fenomeni fluidodinamici coinvolti (e.g. scia turbolenta) a valle del corpo. Successivamente sono state imposte le corrette “boundary conditions” rappresentative del caso in analisi ed è stata generata la mesh. Questa è stata generata in modo da cogliere correttamente il comportamento del flusso nello strato-limite sulla superficie del camion, attraverso una wall-function y+. Le simulazioni realizzate sono RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) le quali calcolano il comportamento medio del flusso nel tempo, trascurando le fluttuazioni dovute ai moti turbolenti. Le diverse scale di turbolenza sono comunque considerate tramite il modello di turbolenza k-w SST.
Il dominio di calcolo in una analisi aerodinamica è molto importante per stimare correttamente o fenomeni di drag.
Per validare i risultati ottenuti tramite l’analisi CFD è stata svolta a monte un’analisi di convergenza rispetto al valore del CD , in modo da garantire l’indipendenza rispetto alla discretizzazione numerica (i.e. mesh). Tramite questo studio è stato possibile individuare la mesh utilizzata per le analisi CFD seguenti, costituita da 1.15 Mln di celle.
Studio di convergenza.
Sono state quindi realizzate le simulazioni CFD per la configurazione geometrica originale, riportate in termini di campo di distribuzione della pressione sulla superficie del corpo nei grafici di cui sotto. Questi permettono di valutare in maniera qualitativa l’efficienza aerodinamica del corpo e la possibile ottimizzazione geometrica.
Dai grafici si osserva una regione ad alta pressione di ristagno del flusso sulla sezione frontale del rimorchio. Essa comprende la porzione di flusso che incide sul rimorchio a seguito della separazione sulla cabina, che incide negativamente sulla resistenza aerodinamica del veicolo. Inoltre, si osserva a valle del camion una zona di ricircolo del flusso, dove la scia ed i relativi vortici hanno origine, caratterizzata da bassa pressione. Per tale configurazione il coefficiente aerodinamico è stato calcolato: CD = 0.679.
Risultati CFD di pressione – Configurazione originale.
Successivamente sono state realizzate le simulazioni CFD relative alla nuova configurazione geometrica ottimizzata, con i dispositivi aerodinamici progettati per l’efficientamento. Tramite i soliti grafici del campo di distribuzione di pressione riportati nel seguito, ed il valore del coefficiente aerodinamico di resistenza, è stato possibile svolgere un’analisi comparativa rispetto alla configurazione originale.
Risultati CFD di pressione – Configurazione con i dispositivi aerodinamici.
La regione di ristagno superiore presente nella configurazione originale viene eliminata dall’aggiunta del dispositivo aerodinamico sulla cabina, con chiari effetti positivi sulla resistenza aerodinamica. Le superfici aerodinamiche posteriori ritardano invece la separazione del flusso a contatto con le facce laterali/posteriori del rimorchio. Questo favorisce il recupero di pressione in scia e la riduzione della regione stessa di ricircolo di bassa pressione a valle del camion. Questo confronto qualitativo trova riscontro a livello quantitativo nel valore di coefficiente aerodinamico calcolato: CD = 0.627.
Per verificare i risultati ottenuti tramite simulazioni numeriche è stata svolta una campagna di misure sperimentali in Galleria del Vento, nelle stesse condizioni operative simulate tramite analisi CFD, tramite similitudine fluidodinamica. Per la galleria sono stati impiegati modellini in scala stampati tramite SLA (stampa 3D). I risultati ottenuti sperimentalmente sono riassunti nella tabella qui sotto e confrontati con quelli ottenuti dalle simulazioni CFD svolte con Midas NFX.
Modellino in galleria del vento.
I valori di CD ottenuti in Galleria del Vento confermano i risultati ottenuti tramite analisi CFD. La differenza tra analisi numeriche e rilevazione sperimentale è inferiore al 10%, valore decisamente accettabile per simulazioni ottimizzate nei tempi di calcolo e le semplificazioni fatte. Queste semplificazioni sono necessarie per mantenere il costo computazionale ed i tempi di simulazione accessibili. Nonostante questo, i risultati numerici ottenuti tramite CFD rimango ugualmente validi per gli scopi dello studio in questione.
L’approccio proposto si rileva quindi idoneo allo scopo di efficientamento aerodinamico il cui obiettivo è quello di ridurre la resistenza aerodinamica rispetto ad una condizione originale non ottimizzata, la quantità di principale di riferimento risulta essere la variazione relativa (%) della configurazione ottimizzata. Prendendo come indice di merito questa quantità, la differenza tra risultati CFD ottenuti con midas NFX e i valori sperimentali è molto piccola. Questo valorizza sia dal punto di vista qualitativo che quantitativo i risultati ricavati tramite simulazioni CFD, e l’approccio numerico adottato per ottenerli.
In relazione ai risultati sul prodotto l’efficientamento aerodinamico ottenuto tramite l’aggiunta di dispositivi aerodinamici alla configurazione originale del veicolo risulta una riduzione della resistenza aerodinamica ΔCD = 10.8%, un risparmio decisamente significativo rispetto all’intervento necessario.
“..le differenze tra CFD e test in galleria del vento, inferiori al 10%, evidenziano come la simulazione numerica offra risultati affidabili, mantenendo tempi e costi contenuti rispetto agli esperimenti fisici.”