Analisi al CFD del sistema DRS – Drag Reduction System

Il DRS è come tutti sappiamo, un dispositivo introdotto dalla
federazione internazionale nel 2011, per sopperire alla mancanza di sorpassi in
Formula 1.

La parola DRS è acronimo di “Drag Reduction System” cioè
sistema di riduzione della resistenza.

Il regolamento dal lontano 1969 proibisce dispositivi
aerodinamici mobili (che sarebbero un incredibile impulso alle prestazioni di
una F1), ma appunto c’è un’eccezione dal 2011 che è il DRS.

La FIA ha stabilito che il DRS debba applicarsi solo
all’aletta aggiunta all’ala posteriore (il flap) che può ruotare con un asse di
rotazione in prossimità del bordo di uscita, la rotazione inoltre è limitata in
modo che ad ala “aperta” la sistanza tra i due profili alari non sia maggiore
di 70mm.

La rotazione del flap dell’ala è consentita da un attuatore
(elettrico o idraulico) che è comandato dal pilota o tramite un pulsante o
tramite un pedale, e si disattiva automaticamente quando si preme il freno.

Il dispositivo in origine era di uso libero il venerdì e il
sabato, poi contingentato in gara solo un uno o due punto della pista ed
azionabile solo quando il distacco dal concorrente precedente (rilevato in un
apposito punto del circuito), in seguito ne è stato ristretto l’uso anche al
venerdì e al sabato alle sole zone consentite in gara.

Nel corso degli anni poi, come tutti sappiamo, si sono
inventati sistemi più o meno complicati per aumentare l’effetto di questo
dispositivo, che sfruttavano le sovrappressioni o le depressioni create dalla
movimentazione dei profili alari per far stallare altri dispositivi
aerodinamici, come i profili inferiori degli stessi alettoni posteriori oppure
i profili degli alettoni anteriori.

Si sono poi studiate anche forme particolari di ali
posteriori che consentivano di far perdere più o meno carico, facendo “stallare” o meno il profilo principale dell’ala, fino a quando la federazione ha
consentito l’uso del dispositivo liberamente al sabato. In pratica si potevano
studiare ali che andassero completamente in “stallo” durante l’apertura del
profilo, che quindi facevano perdere molto carico e altrettanta resistenza,
diventando inusabili in curva o in situazioni in cui era richiesto un minimo
carico aerodinamico, oppure ali che stallavano di meno, consentendo solo una
parziale diminuzione di resistenza ed un uso del DRS anche in zone.

Per capire meglio il funzionamento del DRS, è interessante
effettuare una simulazione CFD del suo movimento.

L’ala che si è usata è conforme al regolamento 2013, come si
vede, avendo anche il profilo inferiore e ha una “luce” per i profili superiori
di 220 mm, invece dei 200 consentiti per il 2014.

La movimentazione del profili avviene in 0.1 secondi sia in
chiusura sia in apertura; la simulazione è stata fatta secondo questo schema:
si è mantenuto il profilo chiuso per 0.1 secondi, poi da t=0.1s a t=0.2s si è
aperto il profilo, e poi da t=0.2s a t=0.3s si è mantenuto il profilo aperto,
per poi richiuderlo da t=0.3s a t=0.4s e dopo il t=0.4s si è mantenuto il
profilo chiuso fino alla fine della simulazione avvenuta al tempo t=0.5s.

Il primo grafico sottostante riporta l’andamento del carico
verticale al passare del tempo:

Nel grafico precedente, si deve escludere il tempo tra 0 e
0.05, in quanto la simulazione necessita sempre di un primo periodo di
stabilizzazione, successivamente al tempo t=0.05 si vede che il carico risulta
praticamente costante.

Il secondo grafico evidenzia invece l’andamento nel tempo
della resistenza aerodinamica durante tutto il processo:

La cosa interessante di questi grafici risiede nel constatare
che la deportanza si riduce ma non come ci si potrebbe aspettare; mentre vi è
una riduzione di resistenza notevole, come si vede che causa quindi un aumento
di velocità.

La risposta a questa apparente contraddizione sta nel fatto
che in un’ala con flap generalmente, la maggior parte della deportanza viene
creata dal profilo principale dell’ala e non dal flap, come ci si potrebbe
aspettare. Il flap, con la sua fessura (chiamata slot)  ha l’unico scopo di riaccelerare la vena
fluida che arriva stanca al bordi di uscita del profilo alare principale,
consentendo quindi una depressione maggiore sul corpo alare principale.

Al contrario il flap chiuso, quindi in posizione di normale
utilizzo, peggiora notevolmente le caratteristiche di resistenza dell’intero
corpo alare, e da qui una peggiore efficienza dell’ala stessa.

Al termine dell’apertura del profilo la configurazione
aerodinamica esprime una maggiore efficienza, proprio a causa del fatto che la
diminuzione di resistenza è molto maggiore della riduzione di carico.

La modesta riduzione di carico indica che il profilo
principale non è stallato completamente, ma solo nella parte finale, da qui la
bassa riduzione di deportanza.

Un’altra cosa molto interessante da notare è l’andamento del
grafico della deportanza: in pratica si vede che dall’istante T=0.1 fino a
circa t=0.12-0.13 si ha un aumento di deportanza considerevole, e inoltre si
vede che il grafico in questione mediamente tra t=0.1 e t=0.2 è sempre al di
sopra del grafico tra gli istanti t=0.3 e t=0.4, nonostante le velocità di
azionamento dell’ala mobile sia la stessa e che quindi ad istanti di tempo
analoghi gli angoli di incidenza del flap sono uguali.

In altre parole, per esempio l’incidenza del flap a t=0.13
(cioè dopo 3 centesimi di secondo dall’inizio dell’apertura del flap) è la
stessa al tempo t=0.37 (cioè 3 centesimi di secondo prima che il flap ritorni
in posizione chiusa) , e così tutti gli istanti tra t=0.1 e t=0.2 il flap ha
una posizione analoga ad una tra gli istanti t=0.3 e t=0.4. A rigor di logica
dovrebbe succedere che le deportanze registrate in punti “analoghi” dovrebbero
essere le stesse e invece, come si capisce dal primo grafico non è così:
mediamente il grafico tra t=0.1 e t=0.2 si trova al di sopra del grafico t=0.3
e t=0.4.

Il motivo di questo fatto sta nel considerare che durante la
fase di apertura del flap, questo si muove verso l’alto, sente perciò un flusso
d’aria a velocità W che proviene dall’alto che composto col flusso d’aria
frontale, genera un aumento di incidenza Δα, come si vede nei disegni
schematici seguenti:

Questo fenomeno come detto avviene per tutto il tempo tra
t=0.1 e t=0.2; il contrario avviene tra t=0.3 e t=0.4 dove la velocità W è
rivolta verso l’alto e perciò si ha qui una diminuzione di incidenza e quindi
di carico.

Ovviamente questo non è un fenomeno dall’effetto dirompente,
però esiste, ed era interessante notarlo.

I dati che appaiono sul grafico appaiono abbastanza realistici;
la riduzione di resistenza è nell’ordine 
di circa 280N, che considerando una velocità di 80 m/s e circa 800
cavalli di potenza massima, corrispondono ad un incremento di velocità di circa
11 km/h con DRS aperto.

di Federico Basile