Simulazioni aerodinamiche reali per autovetture
David Forbes e Gary Page (Loughborough University)
Lo studio dell’aerodinamica delle autovetture è fortemente concentrato sulla riduzione del coefficiente di resistenza aerodinamica. Con il progressivo diminuire del peso, tuttavia, le automobili diventano più suscettibili a eventi instazionari come venti trasversali, che sono estremamente difficili da riprodurre in una galleria del vento. Il software di simulazione STAR-CCM+® può consentire di acquisire preziose informazioni su tali fenomeni. Nel lavoro qui presentato è stato stabilito un accoppiamento dinamico tra la simulazione CFD in STAR-CCM+, il comportamento dinamico del veicolo e un modello di guidatore implementato in MATLAB, al fine di rappresentare il movimento completo e realistico del veicolo sul suo sistema di sospensioni. Questo lavoro è stato condotto nell’ambito del Programme for Simulation Innovation (Programma per l’Innovazione della Simulazione) (PSI), condotto da Jaguar Land Rover e dall’Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC).
I modelli
Per la simulazione CFD, è stata utilizzata la geometria CAD del modello di automobile generico DrivAer (figura 1).
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Questo modello è stato sviluppato dall’Institute of Aerodynamics and Fluid Mechanics, Technische Universität München, al fine di facilitare gli studi aerodinamici di autoveicoli, colmando il divario esistente tra i modelli fortemente semplificati come i corpi SAE e Ahmed, e le automobili di serie altamente complesse. Al fine di essere rappresentativo di condizioni reali, il modello è a grandezza naturale e include ruote in rotazione. Sono stati utilizzati circa 20 milioni di celle di tipo prevalentemente esaedrico (figura 2).
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Il modello di comportamento dinamico MATLAB è stato progettato presso la Loughborough University per il simulatore di guida 6-DOF della stessa università, basato su una piattaforma di tipo Stewart.
È un modello dinamico realistico ed esauriente che include un sistema completo di sospensioni e la risposta del guidatore. In presenza di una sollecitazione dovuta ad un vento trasversale, le frequenze risonanti del veicolo possono indurre il guidatore a reagire alleviando, o aggravando, la reazione del veicolo. Uno degli obiettivi di questa ricerca è quello di identificare le frequenze a cui si verifica tale fenomeno al fine di migliorare la stabilità del veicolo in presenza di venti trasversali.
Accoppiamento di STAR-CCM+ con MATLAB
Esistono tre metodi principali per accoppiare STAR-CCM+ con MATLAB:
Il primo metodo consiste nel calcolare una serie di soluzioni in regime stazionario ad angoli di imbardata diversi in STAR-CCM+ per poi ricorrere a metodi di interpolazione per l’ottenimento di una reazione generica a un vento trasversale. Questa reazione può quindi essere immessa nel modello MATLAB. Questo è probabilmente il modo più semplice per ottenere un’approssimazione della reazione a un vento trasversale.
Il secondo modo consiste nell’eseguire una simulazione CFD instazionaria, acquisendo una cronologia transiente delle forze per poi inviarle al modello di comportamento dinamico.
Il terzo metodo è totalmente accoppiato: i dati aerodinamici dalla simulazione CFD vengono inviati al modello di comportamento dinamico e quest’ultimo restituisce i dati di posizione a ogni intervallo di tempo (figura 3).
I primi due metodi sono detti di accoppiamento unidirezionale: il sistema è ad anello aperto, per cui la risposta calcolata dal modello di comportamento dinamico non viene rimandata al software CFD, il che potrebbe alterare l’aerodinamica. Una vasta ricerca è stata condotta su questi due tipi di accoppiamento; l’utilizzo di un sistema completamente accoppiato (ad anello chiuso) risulta invece essere alquanto nuovo. Non è stato ancora possibile stabilire se l’accoppiamento unidirezionale a basso costo giustifichi le intrinseche limitazioni in termini di accuratezza, oppure se sia necessario un accoppiamento completo per questo tipo di simulazione.
Nel caso in esame, l’accoppiamento diretto è stato ottenuto con l’uso di una macro Java per connettere STAR-CCM+ alla simulazione MATLAB, consentendo uno scambio di dati ad ogni intervallo di tempo. Un considerevole vantaggio di questo tipo di abbinamento è la capacità di eseguire una simulazione CFD su un cluster HPC mentre il modello di comportamento dinamico in MATLAB viene eseguito su una macchina locale. Ciò offre l’opportunità di effettuare parte della simulazione dall’altro lato del mondo, mentre il modello di comportamento dinamico viene controllato localmente.
Realizzazione della simulazione completa: un’intera manovra di sorpasso
Sebbene non sia stata ancora eseguita, la simulazione di un’intera manovra di sorpasso è stata preparata sulla base di molti test preliminari. Uno dei primi test eseguiti è stata una simulazione della reazione di una geometria molto semplificata a una sollecitazione aerodinamica usando la funzione di overset mesh applicata ad un modello 6-DOF DFBI (Dynamic Fluid Body Interaction) incorporato in STAR-CCM+. Quindi si è proceduto a studiare l’interfaccia di zero gap dell’overset mesh per la modellazione dell’area di contatto tra lo pneumatico e l’asfalto per una ruota in rotolamento. Un altro passo ha comportato l’accoppiamento con MATLAB per la simulazione di un vento trasversale: inizialmente, sono stati inclusi soltanto la forza laterale e il momento di imbardata, ma progressivamente è stata eseguita una transizione a un modello di veicolo 6-DOF capace di rollio e beccheggio sulle sue sospensioni. Infine, è stata eseguita una simulazione DES (Detached Eddy Simulation) con l’interfaccia di zero gap per l’overset mesh e l’accoppiamento diretto a MATLAB, che ha richiesto da quattro a cinque giorni di elaborazione (figura 4).
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I risultati della simulazione completamente accoppiata sono stati confrontati con i loro equivalenti in regime stazionario (vedere figura 4). Il confronto ha evidenziato il fatto che l’aerodinamica in regime stazionario non è stata in grado di prevedere le caratteristiche instazionarie del campo fluidodinamico agente sulla vettura durante un simile evento, in particolar modo la sovraelongazione e sottoelongazione del momento d’imbardata nell’istante in cui il veicolo entra ed esce dal vento trasversale. Poiché il modello di autovettura preso in considerazione è generico e alquanto nuovo, i dati di convalida disponibili, che tendono a essere specifici per ogni tipo di veicolo in commercio, sono ancora molto limitati. Inoltre, le limitazioni fisiche rendono molto difficile eseguire test con venti trasversali in galleria del vento.
Considerazioni future e conclusione
Questa ricerca ha dimostrato come sia possibile realizzare un accoppiamento completo tra STAR-CCM+ e MATLAB in una simulazione esauriente e realistica di un veicolo terrestre. Per l’industria automobilistica, ciò significa che vari test che richiedono ad esempio venti trasversali e manovre di sorpasso, potrebbero, in ultima analisi, essere effettuati in maniera virtuale e con molto anticipo nell’ambito del ciclo di sviluppo prodotto, consentendo di eliminare eventuali punti deboli nella progettazione prima ancora della realizzazione dei prototipi fisici, con conseguenti risparmi in termini di tempo e denaro.
La prossima fase di questo progetto consisterà nello studiare una completa manovra di sorpasso, se possibile, in presenza di vento trasversale: iniziando con un veicolo collocato nella scia di un altro, eseguendo la manovra di sorpasso ed emergendo dal lato sottovento nel vento trasversale, dove la reazione della vettura verrà analizzata.
Questo lavoro è stato sostenuto da Jaguar Land Rover e da UK-EPSRC grant EP/K014102/1 nell’ambito del Programme for Simulation Innovation (Programma per l’innovazione della simulazione) congiuntamente finanziato.