Effetto Coanda: croce e delizia dei progettisti

18 febbraio 2013 13:28 Scritto da: Marcello Gentile

Si parla tanto di effetto Coanda: ecco cos’è e come influirà sulle prestazioni delle attuali monoposto di Formula 1.

scarichi sauber cinaGli stravolgimenti regolamentari, si sa, aguzzano l’ingegno dei migliori progettisti: la grande rivoluzione del 2009 portò alla luce il doppio diffusore della Brawn. La messa al bando di quella soluzione diede nuova linfa alla ricerca di carico aerodinamico al posteriore, giungendo così ai famigerati scarichi soffiati della Red Bull del 2010.

Newey aveva pensato di posizionare gli scarichi in una posizione più bassa di quella convenzionale, in modo tale da far sfogare i gas caldi in una zona vicina alle ruote posteriori. L’uso dei gas di scarico per ottenere dei vantaggi aerodinamici non è nuovo. L’obiettivo è quello di usare i gas caldi espulsi dagli scarichi per energizzare il flusso attorno a componenti critici come l’ala oppure, molto più importante, il diffusore.

Nel 2012 sono state abolite le mappature atte ad ottenere i vantaggi dati dall’hot blowing dei gas anche in rilascio ed è stata rivista la posizione di uscita dei terminali di scarico. Tutto ciò ha fatto subito partire una nuova caccia al carico aerodinamico posteriore, provando a servirsi ancora dei gas caldi: c’era chi puntava i terminali di scarico verso alcune zone dell’ala posteriore, altri li puntavano verso le carenature delle sospensioni posteriori facendo deviare il flusso nella direzione più propizia.

Non si riusciva, però, ad ottenere un risultato simile a quello del 2011. Bisognava principalmente fare in modo che i gas di scarico, uscenti dalla zona colorata in blu, finissero nella zona colorata in arancio. La Sauber C31 è stata la prima a riuscirci sfruttando l’effetto Coanda.

saubermugello

L’effetto Coanda, che prende il nome dall’ingegnere rumeno Henri Coandă, fu scoperto nel 1910. Si tratta di una proprietà posseduta dalla maggior parte dei fluidi. Secondo l’effetto Coandă un getto di fluido tende ad essere “attirato” da una superficie. Praticamente, un fluido che incide su una superficie tende a seguire il suo contorno, fino a quando la curvatura della superficie o l’angolo di incidenza del flusso con essa, non siano troppo elevati.

Chiaramente è un principio applicato in aeronautica.  Infatti il volo degli aeroplani ad alta incidenza è in parte dovuto a questo effetto che permette di ritardare lo stallo, mantenendo il flusso aderente alle superfici alari.

Cerchiamo ora di capire cosa c’è dietro: un fluido, muovendosi lungo la superficie, è soggetto ad attrito. La condizione aerodinamica di no-slip, che impone una velocità del flusso nulla sulla parete, fa creare negli strati di fluido immediatamente vicini alla superficie un gradiente di velocità.

La differenza di velocità fa in modo che gli strati superiori del flusso cambino direzione e si dirigano verso la parete, dove la velocità è più bassa. Questo avviene sia a causa delle forze di interazione molecolare che della viscosità che tiene uniti i vari strati di fluido che scorrono uno sopra l’altro. Dalle equazioni della fluidodinamica si evince che questa differenza di velocità crea un gradiente di pressione normale alla superficie che provoca l’aderenza del flusso alla superficie.

Un esempio pratico – ma non perfettamente corretto – per capire l’effetto Coanda è dato da un cucchiaio posto sotto ad un rubinetto. E’ possibile vedere che il flusso aderisce alla superficie convessa e che, quando questo abbandona l’oggetto, mantiene la direzione data dal cucchiaio stesso. La non perfetta correttezza di questo esempio è causata dal fatto che si tratta di un flusso d’acqua in aria e quindi il fenomeno è principalmente dominato dalla tensione superficiale, però rende visivamente l’idea di ciò che succede ad un flusso grazie all’effetto Coanda.

Ecco trovata la soluzione per “traslare” i flussi caldi uscenti dagli scarichi in posizione alta ed arretrata fino alla superficie del diffusore. Sta quindi ai vari progettisti cercare la forma più adatta per la parte posteriore delle fiancate per fare in modo che i gas di scarico interagiscano nel modo migliore con le forme della carrozzeria per riuscire a convogliare il flusso verso la zona del fondo compresa tra il diffusore e la ruota.

Ciò non basta, perché bisogna garantire principalmente la continuità di questo vantaggio: l’espulsione dei gas caldi è, in pratica, dipendente dal grado di apertura della farfalla dell’acceleratore e questo quindi provocherebbe un andamento altalenante di tale effetto.

Si è visto allora un fiorire di forme particolari e di feritoie nella parte posteriore delle fiancate per permettere al flusso che scorre nella zona inferiore delle pance di mescolarsi ai gas caldi: questo provoca un effetto di trascinamento del flusso esterno grazie alle differenze di pressione, temperatura e velocità che ci sono tra i due flussi.

Non meno accentuato è stato lo spuntare di paratie ed alette per isolare questo flusso così prezioso dall’interazione con le turbolenze che sono provocate dalle ruote posteriori e per indirizzarlo nella maniera più corretta verso il diffusore.
Come diceva il buon Corrado, non finisce qui. Perché è certo che quest’anno vedremo un’enormità ed una varietà di soluzioni tecniche per cercare di perfezionare al massimo questo effetto. Un aperitivo lo si è avuto con i primi test di Jerez e aspettatevi l’antipasto per i test di Barcellona.

Questi sforzi progettuali saranno utili, però, solamente per questa stagione, visto che con l’applicazione dei motori turbo dal 2014 si avrà a che fare con scarichi di diversa concezione.

14 Commenti

  • MatteoS

    Brian
    Mmm si, appunto io intendevo che servono a sigillare il diffusore neutralizzando le turbolenze…che alla fine senza turbolenze presumo non ci sia nulla da sigillare..

    Invece direi che ce n’è eccome da sigillare. Essendo l’aria sotto la vettura a pressione inferiore, risucchierebbe quella esterna, annullando la deportanza. I gas caldi credo che servano a sigillare la zona terminale del diffusore.

    mmm in realtà l’aria non è risucchiata verso il fondo; il diffusore serve proprio a questo, ad aumentare la pressione dell’aria passante sotto il fondo proprio per espellerla, senza che si crei un meccanismo “vizioso” per cui l’aria dalla parte superiore della vettura passi sotto (annullando l’effetto Venturi, di fatto. Praticamente quello che hai detto tu.). In realtà il sigillo termico degli scarichi serve ad incrementare la portata totale del diffusore, è come se lo allungasse ben oltre la vettura, di fatto simulando l’azione delle paratie del diffusore stesso.

    A tal proposito c’è un articolo molto esplicativo di Piola :)

    • Sono piuttosto convinto che proprio per l’effetto venturi sotto la vettura la pressione sia minore e, se non si sigillano i lati della vettura, come si faceva con la minigonne “fisiche”, l’aria venga risucchiata dai lati verso il fondo. Attualmente il ruolo di minigonne viene svolto da dei vortici d’aria, creati dai bordi del fondo.

      • Ah si quello che dici tu è vero, siamo d’accordo! Parlavamo di due zone della vettura diverse però :)

  • Bell’articolo, anche se a dire il vero il concetto mi era già chiaro dallo scorso anno, in ogni caso osservando la F138, quello che mi lascia un po perplesso è l’assoluta mancanza dello scivolo per far “aderire” il flusso proveniente dagli scarichi, uno scivolo che è rimasto presente in tutte le altre vetture.

    Ora, vedendo il lavoro di miniaturizzazione del cambio-differenziale, non ho potuto fare a meno di constatare che l’estrema diminuzione degli ingombri sulle pance ha consentito di liberare uno spazio enorme nella parte al di sotto del gruppo cambio-differenziale-struttura di impatto, per cui credo che anche l’effetto Coanda sia stato estremizzato e, di fatto, il flusso che andrebbe ad alimentare il diffusore è pauroso, perchè è costituito dalla risultante del flusso proveniente dagli scarichi + quello proveniente dalla zona suddetta (sfruttando l’effetto Coanda) + flusso proveniente dal cofano motore.

  • Brian
    Mmm si, appunto io intendevo che servono a sigillare il diffusore neutralizzando le turbolenze…che alla fine senza turbolenze presumo non ci sia nulla da sigillare..

    Invece direi che ce n’è eccome da sigillare. Essendo l’aria sotto la vettura a pressione inferiore, risucchierebbe quella esterna, annullando la deportanza. I gas caldi credo che servano a sigillare la zona terminale del diffusore.

  • Bellissimo articolo, anche se a dirla tutta, per una persona che non ha nessuna base di fisica e fluidodinamica, resta comunque un argomento “extraterrestre”.
    Provate ad usare esempi più chiari come quello dl cucchiaio, ma non solo per la direzionalità, anche per l’affluenza di turbolenze diverse che comunque tendono a spostare i flussi.

  • Complimenti per l’articolo! Ma vorrei fare due piccolissime (e umili) precisazioni ^^

    Sia interazioni molecolari che viscosità sono date da interazioni elettrostatiche (descrivibili tramite legge di Coulomb) che sono poi quelle che creano un gradiente di velocità!…me lo ricordo bene perchè fu una domanda che mi è stata fatta dalla prof all’esame di fisica!
    Poi, si dice che si cerca di evitare il contatto tra gas di scarico turbolenze generate dalla ruota…ma i gas di scarico in quella posizione non servono proprio a neutralizzarle?

    • I gas di scarico servono per “sigillare” il diffusore. Se ossevi le foto della w04 che sputa fiamme il primo giorno di test puoi vedere dove i progettisti vogliono direzionare i flussi caldi degli scarichi. Chiaramente se si vuole mandare aria in quella zona, non vogliamo strane interazioni con le turbolenze delle ruote, che porterebbero ad annillare l’effetto desiderato.
      Correggetemi se sbaglio, ma il concetto dovrebbe essere simile ad una minigonna fatta d’aria (ok, questa è tiratissima).
      È grazie a questo effetto sigillo che in RedBull possono picchiare l’assetto della monoposto senza mandare in stallo il diffusore.

      • Mmm si, appunto io intendevo che servono a sigillare il diffusore neutralizzando le turbolenze…che alla fine senza turbolenze presumo non ci sia nulla da sigillare..

    • Insomma, non solo gli scarichi devono neutralizzare le turbolenze della ruota posteriore ma anche creare un “prolungamento” di zona di depressione oltre le partie laterali, aumentando così la portata totale del diffusore!

  • Chissa nel 2014 che altri scarichi inventeranno xD

  • Articolo interessantissimo, complimenti alla Redazione di BlogF1 !!!

Lascia il tuo commento

Devi aver fatto il Log In per poter inserire un commento

Se non fai parte della community, registrati qui!