La resistenza aerodinamica dell’albero di Natale

La resistenza aerodinamica di un’autovettura è la forza che si oppone al suo movimento attraverso l’aria ed è determinata da diversi fattori, tra cui la forma del veicolo, la sua superficie frontale e il coefficiente di resistenza aerodinamica (Cd). Essa influisce direttamente sulle prestazioni, sui consumi di carburante e sulle emissioni.

Per determinarla, si utilizzano due approcci principali: le prove in galleria del vento e le simulazioni fluidodinamiche computazionali (CFD).

In galleria del vento, il veicolo o un suo modello in scala viene sottoposto a un flusso d’aria controllato, misurando le forze aerodinamiche reali. Le simulazioni CFD, invece, utilizzano software avanzati per modellare digitalmente il flusso d’aria intorno all’auto, consentendo di analizzare il comportamento aerodinamico in diverse condizioni e ridurre i costi delle prove fisiche. Entrambi i metodi sono complementari e fondamentali per ottimizzare il design aerodinamico di un veicolo moderno.

Il coefficiente di resistenza aerodinamica (Cd) di una vettura può essere calcolato utilizzando i risultati di una simulazione fluidodinamica computazionale (CFD). Questo coefficiente rappresenta l’efficienza aerodinamica del veicolo e si calcola secondo la seguente formula:

Dove:

• Fd è la forza di resistenza aerodinamica calcolata nella simulazione.
• p è la densità dell’aria (generalmente dipendente dalle condizioni ambientali impostate nella simulazione).
• V è la velocità del flusso d’aria relativo al veicolo.
• A è l’area frontale del veicolo, un parametro geometrico fisso.

Procedura:

1. Impostazione del dominio di calcolo: si definisce un dominio computazionale intorno alla vettura, includendo un’area sufficiente per catturare i dettagli del flusso d’aria.
2. Meshing: si crea una griglia (mesh) che discretizza il dominio, con particolare attenzione alle zone critiche come gli spigoli, le ruote e il sottoscocca.
3. Condizioni al contorno: si imposta una velocità del vento e si definiscono i parametri ambientali come densità e viscosità dell’aria.
4. Risoluzione delle equazioni di Navier-Stokes: il software CFD calcola il flusso d’aria attorno al veicolo, ottenendo i valori delle pressioni e delle velocità locali.
5. Calcolo della forza di resistenza: integrando le pressioni e le forze di taglio sulla superficie del veicolo si ottiene Fd.
6. Determinazione di Cd​: con i valori di Fd, p, V e A, si applica la formula per ricavare Cd

Le simulazioni CFD offrono il vantaggio di poter testare vari design e condizioni senza dover ricorrere a prototipi fisici, consentendo una progettazione aerodinamica più rapida ed efficiente.

Adesso che abbiamo definito lo scopo dell’attività e il metodo di analisi, cominciamo a definire lo spazio di progetto.

Per prima cosa abbiamo recuperato dal nostro archivio la geometria CFD di una autovettura che abbiamo utilizzato nel contesto di un progetto e che utilizzeremo come riferimento per lo studio.

Dopo di che abbiamo definito 4 possibili situazioni per il trasporto dell’albero (che abbiamo modellato in 3D in maniera semplificata):

1. Albero su barre portapacchi con punta in avanti
2. Albero su barre portapacchi con radice in avanti
3. Albero su barre portapacchi di traverso
4. Albero su sedile passeggero

Queste geometrie sono state inserite nel contesto di una Galleria del Vento virtuale che ha permesso di determinare la forza di resistenza all’avanzamento necessaria per il calcolo del Cd.

La tabella seguente mostra il confronto della resistenza aerodinamica tra la vettura di riferimento e le varie configurazioni del sistema vettura-albero.

Nelle figure seguenti viene mostrato il flusso dell’aria nell’intorno dell’autovettura per ciascuna configurazione.

Sicuramente inserire all’interno del veicolo il nostro albero di Natale resta la soluzione più performante dal punto di vista aerodinamico. Ma ciò è possibile solo se andate a comprare l’albero di Natale da soli!

Se siete in compagnia, invece, bisognerà sistemare necessariamente il vostro albero di Natale sulle barre portapacchi, la scelta migliore è quella di orientare la punta dell’albero verso la direzione di marcia, mentre la scelta peggiore è senza dubbio mettere l’albero di traverso.