6. come migliorare un'ala (teoria e pratica)

nei capitoli precedenti abbiamo visto vari casi di ali. Adesso andremo piu’ a fondo: sapendo gia’ quindi come si sviluppa il flusso e come possiamo disegnare un’ala, vediamo ora quali devices (ossia aggiunte) possiamo considerare, per migliorare l’efficienza di un’ala gia’ piazzata su una macchina.

6.1 – migliorare gli endplates

abbiamo visto precedentemente che avere degli endplates migliora l’efficienza, riducendo l’effetto dei vortici sviluppati su un’ala. Ma come si possono disegnare per avere un effetto veramente positivo? Innanzitutto bisogna considerare eventuali (ed in F1 ce ne sono) limiti regolamentari sulle dimensioni; successivamente, nei limiti proposti, si puo’ modificare la geometria o le dimensioni massime.

Vediamo questo esempio:

complicate formule dicono che piu’ un endplate e’ grande, piu’ l’effetto sara’ positivo sull’ala, ma perche’?
Semplicemente perche’ questo non fa altro che aumentare lo span dell’ala, aumentando l’aspect ratio.
Vediamo un grafico che ci puo’ spiegare meglio l’effetto di endplates su di un’ala:

come potete vedere, in basso abbiamo il caso di un’ala senza endplates, mentre in alto c’e’ ne una che ha gli endplates (chiamati side fin nel grafico). In ordinata abbiamo come al solito il Cl, mentre in ascissa l’alpha.

Piu’ > alpha, piu’ il Cl aumenta, e’ ovvio, ma guardate che differenza c’e’ con un’ala con e senza endplates...

Oltre che semplicemente montarli, possiamo anche pensare di modificarne la geometria: non e’ detto (se non imposto rigidamente dal regolamento) che dobbiamo avere per forza un endplate rettangolare.

Si e’ visto, nel 2000 e 2001 un caso molto interessante sulla Bar, McLaren ed altre squadre (se non sbaglio) di un endplate modificato nella parte laterale. In pratica le squadre avevano tagliato una parte dell’endplate (considerato l’asse x, dal 65% al 80% circa), in modo da aumentarne l’efficienza in curva.

Noi sappiamo (ma lo vedremo bene nell’ultimo capitolo)  che piazzare un’ala in direzione del flusso ci procura effetti positivi, ma se noi compiamo una curva, o meglio, modifichiamo la nostra direzione rispettivamente al flusso, che succede?
Che l’efficienza totale diminuisce, visto che in un dato intervallo di tempo x0 ? x1, la nostra macchina e’ in direzione trasversale al flusso.

Potendolo fare, l’ideale sarebbe avere ali movibili nell’asse x, in modo da ruotarsi come le ruote, per essere sempre in direzione del "free stream". Detto in parole povere, possiamo concludere che: un endplate procura un effetto positivo, visto che “porta” l’ala a diminuire gli effetti dei vortici, avvicinandosi al caso dell’ala a 2D, cioe’ con span infinito (ed in pratica, abbiamo visto che lo aumenta proprio nel valore complessivo).

E’ ovvio che piazzare semplicemente 2 endplates non rendera’ mai un’ala a 2D e quindi senza vortici, ma sicuramente ne diminuira’ l’effetto negativo, convogliando il flusso al suo interno ed aumentandone l’efficacia (pensate ad un tunnel o ad una galleria: il flusso che entra li’ ha maggiore velocita’ che se passasse in una regione completamente libera...cosi’ fa l’endplate).

6.2 – piccoli devices: vortex generators, riblets.

Invece che modificare (in caso non potessimo farlo o fosse troppo costoso) gli endplates, possiamo anche molto piu’ semplicemente aggiungere dei piccoli devices all’ala gia’ esistente.
Due esempi molto efficaci sono i vortex generators ed i riblets

vortex generators:

sono degli oggetti di plastica di forme diverse a seconda dell’applicazione, da incollare sull’ala nei punti critici. Si montano solo in caso di alti alphas, molto vicino o sopra l’angolo di stallo. Questi devices non fanno altro che creare nuovi piccoli vortici sull’ala, di altezza inferiore al bl, in modo da creare una specie di effetto simile al (che abbiamo visto prima) caso di eliminazione delle onde, generando quindi una nuova “disturbance” di ampiezza minore del bl, in modo da “rinforzarlo”. Questo concetto e’ in realta’ molto difficile sia da capire che spiegare. In poche parole si puo’ dire che inserendo un nuovo disturbo, ma di h minore, nel bl, questo non fa altro che rienergizzarlo, diminuendone cosi’ gli effetti negativi, ma non cancellandoli del tutto.

Questo device in specifico serve per guadagnare max downforce ed una lieve riduzione di drag, come risultato di minore forza nei vortici a fine ala.
A bassi alpha pero’, questi device possono creare piu’ alti valori di drag, vanificando l’effetto positivo sul lift ed avendo percio’ un effetto complessivo negativo.

Vediamo un disegno che ci fa capire come sono strutturati:

e’ da notare che I casi A e B servono per ali non critiche (cioe’ con poco camber e tendenzialmente costruite per bassi livelli di drag), mentre i casi C e D servono per ali critiche. Potete notare che in questi ultimi 2 casi, i nuovi piccoli vortici creati sono doppi per ogni device, mentre nei primi si crea solo 1 main vortice.

Altra differenza e’ che nei primi 2 casi si creano vortici non contro-rotanti, cio’ per diminuirne proprio l’effetto negativo sul drag.

Ma dove vanno posizionati? Ovunque? No, solo poco prima della regione di separazione, ricordate? E’ necessario quindi studiare i valori di P sull’ala, per sapere il punto esatto di collocamento. Normalmente, questo e’ situato circa al 60-70% della corda, in modo da evitare che i valori di velocita’ del flusso crollino su valori negativi, creando cosi’ gli ormai famosi adverse P gradients.

Quando questo e’ collocato molto avanti (da 0% a 55%), si avranno maggiori effetti ad alti valori di downforce, in caso si fossero create precedentemente (in queste regioni) delle laminar bubbles; quando e’ arretrato rispetto a quelle percentuali, evita le laminar bubbles a bassi valori di downforce.

Riblets:

l’uso di questi altri device aumenta semplicemente l’attaccamento del flusso sulla superficie. In pratica, piazzando questi devices, si tende a convogliare l’aria nei canaletti, in modo da velocizzarla. Il concetto teorico e’ molto piu’ semplice quindi del caso precedente. Per essere davvero utili pero’, i riblets devono avere una h massima minore del bl, cio’ per non creare ulteriori disturbi di larga ampiezza sull’ala.

Vediamo un disegno:

qui abbiamo il loro posizionamento corretto ed il dettaglio geometrico. Anche in questo caso vanno attaccati tramite collanti o strisce adesive all’ala nella posizione maggiormente critica, ma a differenza di prima, questi andrebbero collocati ben prima della regione di adverse P gradients, per velocizzare il flusso prima e convogliarlo in uscita piu’ forte nella zona critica.

Vediamo infine questo bel disegno chiaro sullo sviluppo dei vortici, che si creano normalmente quando nessuno di questi devices e’ inserito sull’ala:

E’ da notare come, piazzando i riblets o i vortex generators, si possa evitare l’ultima rottura verso il flusso totalmente turbolento, mentre il 3’ sviluppo (region of streamwise vorticity) e’ quello dato dai riblets.

Entrambi questi devices che abbiamo visto, creano dei disturbi solitamente a frequenze x 0.4, x 0.5 delle frequenze naturali dei vortici auto-creatisi nel flusso. Subito prima della regione di separazione, si viene a creare quindi una mini-separation bubble.

Gurney flaps:

questo e’ il piu’ importante che vediamo ed e’ anche un device usato sempre in F1.

In pratica sono striscette di materiale (solitamente alluminio o carbonio) che si piazzano al termine dell’ala.

Ne vedremo bene e molti nell’ultimo capitolo, ma vediamo ora la teoria. Piazzando questa striscia verticalmente al te (e perpendicolarmente al flusso), otteniamo un effetto molto positivo: abbiamo visto che l’aria tende sempre ad equalizzare le differenze di pressione giusto?

Ed anche che nella regione del te, le velocita’ sono basse (avendo gli adverse P gradients): se noi piazziamo un bump (saltello) al te, nella parte superiore dell’ala, il flusso nella regione superiore (dove ci sono basse velocita’) avra’ un nuovo ostacolo da incontrare, piu’ alto della superficie normale. Questo bump nuovo quindi fa accelerare il flusso, visto che l’aria deve passare questo nuovo ostacolo per forza. Oltretutto, il flusso dovra’ anche andare in direzione, dopo il te, della lower surface, per equalizzare la differente e minore P: in pratica fara’ anche piu’ strada del caso normale, accelerando ulteriormente anche in direzione y verso il basso, rafforzando le velocita’ locali e quindi diminuendo l’effetto della P negativa su quella parte d’ala.

Oltretutto avremo anche la creazione di 2 vortici primari, che ruoteranno in direzioni inverse, uno verso l’interno dell’ala, prima del gurney ed uno dall’altro lato, all’esterno.

Vediamo un esempio:

nel 1’ disegno vedete in grafica il comportamento del flusso intorno ad un gurney;

nel 2’ disegno, invece, in alto a destra, potete vedere un’ala con il gurney piazzato (circolettato) ed in basso una comparazione di studio tra un rear wing senza flap (baseline), con flap al te (il 2’) ed avendo addirittura un flap ai lati dell’endplate (caso piu’ a destra nel disegno).

Questo particolare caso e’ stato usato molto, soprattutto negli anni scorsi: in pratica si aggiunge la striscia anche all’esterno dell’endplate, per creare un “camber” a questa parte esterna, aumentando la velocita’ locale nella parte dietro della paratia laterale.

6.3    - gli slat

gli slat sono dei device esterni che si piazzano davanti al le di un’ala. Questi sono in pratica piccole alette che sfruttano la teoria delle multiple wing surfaces.

Avendo infatti un piccolo alettoncino davanti al le, noi avremo la possibilita’, senza aggiungere un’ala vera e propria, di aumentare il suction peak dell’ala, nella zona frontale, rendendo piu’ lunga la zona del flusso laminare.
Lo scopo principale e’ quello di ritardare lo stall angle, in caso l’ala non ne abbia uno molto elevato.

Vediamo il disegno, molto esplicativo:

potete notare in alto il corretto posizionamento dello slat per un’ala d’aereo. Se volete piazzarne uno in un’ala a downforce, ovviamente, questo, dovra’ essere piazzato davanti alla lower surface (e quindi inverso rispetto al disegno).
Si puo’ notare anche lo sviluppo del flusso: anche qui, il flusso si velocizzera’ nella regione della le, mantenendo cosi’ il flusso piu’ laminare lungo tutta la superficie.

Nel grafico sotto abbiamo invece la modificazione della curva di lift data dallo slat, guardate che miglioramento!

Generalmente, lo slat, per essere effettivamente utile, deve avere minimo una corda pari al 10% dell’ala principale. Modificando l’angolo di posizionamento e la distanza dall’ala principale invece, possiamo modificare la velocita’ e lo sviluppo del flusso. Piu’ questo sara’ vicino, piu’ velocita’ ci sara’, ma anche piu’ rischio di una peggiore separazione dopo il te.

6.4    – la suction o superficie porosa

vediamo in maggiore dettaglio cosa significa costruire una superficie porosa. Abbiamo visto prima la teoria di base, al quale vi rimando per un ripasso.

Vediamo qui qualche foto o disegno che ci fara’ capire meglio cosa significa in realta’:

in questo disegno abbiamo lo sviluppo del flusso sull’ala: l’onda verticale rappresenta il flusso d’aria ad un momento t_x. Le particelle di flusso davanti all’onda, andranno dentro la superficie porosa, e quindi in basso, dentro le camere; le particelle dietro l’onda, escono invece dalle camere e ri-escono nel free stream sopra la superficie.

Vediamolo meglio in dettaglio:

le frecce nere rappresentano il flusso che si muove dentro e fuori dalla superficie. Ma perche’ il flusso dovrebbe muoversi verso le camere?
E’ ovvio!
Perche’ nelle camere di contenimento c’e’ meno P dell’esterno, o perlomeno davanti all’onda; dietro, invece, e’ esattamente il contrario: il flusso, girando vorticosamente nella camere, accelera, creando meno P, ma sicuramente meno della velocita’ esterna, facendo uscire il flusso senza bisogno di devices meccanici o pompe di qualsiasi genere (potete notare che le camere sono costruite all’interno fisicamente dell’ala, mentre la superficie porosa in se’, e’ un foglio sopra l’ala. I valori di altezza massima delle camere e’ dato quindi dalla t/c dell’ala: piu’ questa e’ grande, piu’ sara’ l’altezza possibile. Visto che generalmente si crea una sola superficie con la porosita’, l’altezza max e’ proprio quella di tutta l’ala. E’ facilmente capibile quindi che non avremo mai 2 camere perfettamente uguali, essendo l’ala piu’ piccola al te, e quindi? Complessi calcoli tengono conto di questo, compensando quindi la < h delle camere nella regione posteriore, con una maggiore lunghezza nell’asse x).

Nella realta’, la cosa piu’ importante da fare e’ tenere il diametro dei buchetti il piu’ piccolo possibile, cosi’ come le dimensioni delle camere, cio’ per dare bassi valori di Re all’interno delle cavita’.

Tenete conto che piu’ le camere sono grosse o piu’ buchetti ci sono su una superficie, piu’ forza di suction ci sara’, e piu’ forza di suction corrisponde a piu’ drag.

Per cui, la striscia di superficie porosa, e’ bene tenerla il piu’ limitata possibile, generalmente solo nella parte piu’ critica dell’ala (cioe’ downstream). E’ ovvio che per un’ala d’aereo, la superficie interessata sara’ quella superiore, per un’ala a downforce, la inferiore.

qui vediamo l’interno di un’ala con le famose camere di contenimento:

questo invece e’ come appare un’ala vista dall’alto, con I buchetti della superficie porosa:

questo e’ un tipico esempio di disegno tecnico di uno specifico buchetto:

(potete notare l’angolo di inclinazione di 45’ rispetto alla superficie. Generalmente il miglior angolo e’ 60’, ma piu’ difficile da realizzare. Avete quindi anche l’ulteriore angolo di 6’ nella parte inferiore, maggiore dell’angolo di entrata: cio’ per favorire ancora di piu’ l’afflusso nelle camere).

e questa e’ una foto per farvi capire le dimensioni reali:

(le dimensioni sono in inches)

facendo quindi un riassunto, per applicare una superficie porosa, e’ necessario:

1-prendere vari fogli di alluminio o titanio (e’ il materiale indubbiamente migliore);

2-effettuare i buchetti tramite strumenti appositi nei fogli (avendo scelto prima il diametro e lo spacing, ossia, lo spazio tra uno e l’altro);

3-effettuare lo studio per le camere di contenimento;

4-costruire all’interno dell’ala le camere;

5-fissare i fogli uno per uno (solitamente infatti sono di dimensioni molto piccole, per cui uno non basta per coprire l’area interessata) all’ala e tra di loro.