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[Case Study] EMILIA4 LT: 3000 km senza una goccia di carburante

La vettura elettrica a energia solare dell’Università di Bologna, realizzata insieme a un consorzio di aziende artigiane emiliano-romagnole, ha partecipato al BWSC in Australia, la più importante competizione per veicoli a energia solare con una rinnovata veste aerodinamica che ha consentito un significativo incremento di velocità. Qui si racconta come è stato ottenuto il miglioramento.

BWSC. Ai più questa sigla non significa nulla, in realtà è l’acronimo di “Bridgestone World Solar Challenge www.worldsolarchallenge.org)”, una competizione per soli veicoli elettrici le cui batterie vengono ricaricate solamente con panneli solari. Tremila chilometri attraverso l’Australia, da Darwin ad Adelaide, in meno di una settimana senza una sola goccia di carburante. L’ultima edizione si è disputata dal 13 al 20 ottobre 2019 ed è stata vinta dalla squadra olandese dell’Universtità di Eindhoven con Stella Era, una vettura che ha fatto da banco di prova per la più impegnativa Lightyear che, dicono, verrà messo regolarmente sul mercato in meno di un anno.

 

Emilia 3 a sinistra (che ha gareggiato nel 2013) ed Emilia4 LT a destra insieme davanti al Museo della Ferrari il giorno della presentazione. E’ evidente il salto di categoria fatto con Emilia 4LT che ha implicato un progetto decisamente più impegnativo. Emila 3 apparteneva alla categoria “Challenger” e Emilia 4LT alla più impegnativa “Cruiser”

E l’Italia? Non siamo a tanto, ma c’era anche una squadra italiana alla partenza da Darwin con Emilia 4LT.

Nata da una iniziativa privata, che aveva già partecipato nel 2013 con Emila 3 completando l’intero percorso e classificandosi al decimo posto, la nuova vettura per il 2019 ha ricevuto il supporto dell’Università di Bologna per la parte elettronica nel contesto del progetto “Two Seats for a Solar Car” promosso dal Ministero degli Affari Esteri e del Commercio Internazionale. Ma non ha avuto altrettanta fortuna perché si è dovuta fermare dopo poco meno di mille chilometri per un problema meccanico. Va detto però che stava viaggiando in prima posizione davanti al Sun-Shuttle-III dei cinesi dell’Università di Pechino e alla Stella Era che poi è andata a vincere.

Emila 4 LT e’ arrivata comunque ad Adelaide (a traino), ha potuto partecipare alla cerimonia finale ed è stata classificata in nona posizione su 13 partecipanti di cui solo sei arrivati con le loro forze. La classifica, infatti, è fatta da una parte di pura prestazione (velocità, chilometri percorsi, rendimento, numero di passeggeri trasportati) ma anche da una valutazione statica sull’abitabilità e la qualità del progetto nel suo insieme.

Emilia 4LT, dove LT indica “Long Tail” riferendosi alla forma affusolata della carrozzeria, è derivata da Emilia 4 che aveva già corso nel 2018 classificandosi al primo posto nell’American Solar Challenge, che vuol dire 1700 miglia dal Nebraska all’Oregon lungo la Oregon Trail, la vecchia strada dei pionieri. E’ stata presentata a fine luglio al Museo della Ferrari a Maranello, come è tradizione per tutte le Emilie.

Emilia 4LT al Museo della Ferrari nel corso della presentazione prima della partenza per l’Australia lo scorso mese di Luglio.

Rispetto alla precedente Emila 4, per motivi strutturali e di abitabilità interna, si è dovuto lasciare inalterata la parte anteriore della vettura e, quindi, le modifiche hanno riguardato la coda. Il modello per i calcoli aerodinamici è stato generato con il modellatore Rhinoceros e i calcoli  aerodinamici sono stati effettuati utilizzando codici open-source come l’interfaccia HELYX-OS, che ha al suo interno il solutore OpenFOAM®, e Paraview per il post-processing dei risultati. Il dominio di calcolo riproduce una ipotetica Galleria del Vento in scala 1:1 con una larghezza della camera di prova virtuale di 8 m ed una altezza di 6.4 m. In pratica però, avendo simulato solo metà modello, la larghezza effettiva è di 4 m con la condizione al contorno di simmetria sul piano di mezzeria.

La lunghezza a monte è circa 4 volte la lunghezza della macchina e 10 volte a valle.

Dettaglio del modello generato con Rhinoceros (a) e convertito in formato STL per essere importato nel solutore fluidodinasmico (b)

Il calcolo sulla configurazione originale di  Emilia 4 è stato effettuato inizialmente, al fine di definire la configurazione di riferimento ed ha evidenziato la presenza di ampie zone di flusso separato nella parte posteriore dovute alla profilatura dei pontoni laterali, non sufficientemente rastremati, ed all’effetto della ruota posteriore priva di carenatura. A causa del diffusore e della bassa pressione che si genera una grande quantità d’aria è richiamata sotto il fondo, le linee di corrente sono fortemente angolate nella parte posteriore e la ruota assume una incidenza elevata con conseguente separazione massiccia sul lato interno

Regioni di flusso separato nella parte posteriore del modello di partenza. Si notano due zone in corrispondenza delle ruote posteriori e nella parte superiore del diffusore confermando uno studio precedente [1]

Sulla base di questi risultati è stata modificata la geometria rastremando la parte posteriore fino alla massima lunghezza consentita dal regolamento ed è stato eliminato il diffusore.

Filosofia generale della modifica della parte posteriore passando

Nel corso del processo di miglioramento sono state generate  9 geometrie per capire dove ci si poteva spingere con la rastremazione, fino ad arrivare ad uno spessore di base praticamente nullo.

Le due geometrie addizionali (identificate con i numeri 10 e 11) rispondono a esigenze di adattabilità alla struttura portante del telaio (la 10) ed al rispetto del regolamento che vincola la forma delle carenature alle ruote (la 11)  come dire che le carenature introdotte nella geometria 1 erano eccessivamente ottimistiche e non realizzabili in pratica. La geometria ultima (la 11) è rappresentativa della vettura che gareggerà in Australia.

 

Geometrie provate per arrivare a quella finale (numero 11) che ha gareggiato in Australia. La numero 9 è risultata la migliore nel corso del processo ma si sono resi necessari alcuni aggiustaggi per montare la carrozzeria sul telaio esistente e la modifica alle carenature delle ruote per soddisfare requisiti regolamentari che hanno reso necessario produrre le geometrie numero 10 e numero 11

Nel corso del processo la discesa verso valori sempre inferiori di resistenza e di carico verticale è stata monotona ad eccezione della geometria 4 dove è stato ripristinato il diffusore (ancora più ampio che nella versione iniziale) a controprova che un diffusore inferiore è dannoso.

Risultati e descrizione delle principali caratteristiche di ciascuna geometria

E’ utile, per comprendere meglio i valori numerici della tabella, mostrare i “contour plot” sulla superficie del veicolo della componente longitudinale delle pressioni ottenuta moltiplicando il valore scalare della pressione per il coseno direttore della superficie orientata punto per punto nel verso dell’asse delle x, positiva se diretta in senso contrario al moto quindi nel verso della resistenza che è la grandezza, il cui integrale su tutta la superficie, produce il valore della resistenza di pressione (CxPRESS nelle figure).

Il valore di resistenza finale è la somma algebrica di zone dove si genera resistenza (rosse) e dove si genera una spinta (blu). Il cammino verso la forma “perfetta” si è interrotto quando ulteriori modifiche non sarebbero comunque arrivate in tempo utile per essere introdotte nella macchina e quindi non si ritiene di aver trovato ancora il vero minimo assoluto che sarà materia di studio per  … Emilia 5.

Mappe della forza locale orientata in direzione longitudinale nel verso delle x positive (resistenza, da giallo al rosso). Valori negativi (dal celeste al blu) indicano una spinta.  Si notano (in alto a sinistra) le zone dove si generava la resistenza nel modello originale dietro le ruote posteriori che sono completamente scomparse (in alto a destra) nella versione LT. Per contro, a causa della rastremazione, nasce una zona di moderata resistenza (gialla) nel nuovo modello che non era presente nel vecchio (in basso a sinistra) ma il suo effetto è minimo e non produce grossi danni.

Emilia4 LT, alla conferenza di presentazione, mostra la coda allungata ed estremamente rastremata che ha dato origine anche al nome e derivata dalla numero 11 delle simulazioni. La parte posteriore è aperta, come è pratica comune nelle vetture da competizione, per “scaricare” l’aria penetrata all’interno dalle aperture (accidentali e non), e dai vani delle ruote.

Infine, una verifica dell’assenza di separazioni nella superficie superiore è stata effettuata sia nell’ambito delle simulazioni in ambiente OpenFOAM®, che con il contributo dei ragazzi di Morfodesign, una start-up fiorentina che si occupa di design aerodinamico avanzato.

Il loro codice, un solutore CFD sviluppato all’interno del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Firenze e diffuso nell’industria aeronautica e dell’energia per l’analisi aerodinamica di turbine e compressori e ampiamente validato in caso di flussi transizionali e in presenza di separazioni, ha confermato che il gradiente di pressione avverso generato con la nuova forma del tetto è sostenibile dal flusso per un corretto funzionamento della nuova forma.

Verifica del flusso nel piano di mezzeria [2]

Quando si fanno stime sull’aerodinamica di un veicolo la verifica su strada dei miglioramenti stimati a calcolo è sempre un momento suggestivo per il progettista. Ed un buon riscontro delle previsioni rappresenta sempre una piacevole chiusura del progetto e meritoria di essere citata se i dati sono a volte solo a livello di sensazione del pilota e con numeri affetti da inevitabili approssimazioni,

Con una riduzione percentuale della resistenza del 69% si era stimato un aumento di velocità (semplicemente facendo la radice cubica di questo valore) del 12%.

Su strada il valore rilevato oscilla fra il 15% ed il 20%  confermando il miglioramento.

Il meritato arrivo (nonostante tutto)

Articolo di Marco Giachi (mgiachi@dada.it) Aerodinamico del Team Onda Solare e Marco Bertoldi (m.bertoldi@unibo.it) Elettronico del Team Onda Solare.

Articolo realizzato in collaborazione con “Analisi e Calcolo”, la rivista italiana dedicata esclusivamente alla modellazione e simulazione numerica. Sito web : https://aec-analisiecalcolo.it/

[1] Olcuire M., “Analysis and Aerodynamic Project of a Four-Seater Vehicle for World Solar Challenge”, Tesi di Laurea, Università degli Studi di Modena e Raggio Emilia, Anno Accademico 2017/2018

[2] Rubechini F., Giovannini M., “Comunicazione privata”, www.morfodesign.it, Aprile 2019