Diffusore (o Estrattore) vs Alettone

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Messaggio Aggiornato al 05/02/2013

Fino a qualche anno fa gli elementi distintivi che volevano caratterizzare le auto sportive erano i fatidici alettoni, che si riproponevano nei modi più disparati, nelle forme più assurde e con le dimensioni più esagerati, spesso e volentieri con effetti talvolta persino nocivi sulla dinamica del veicolo (si pensi a prodotti after market mal congeniati). Ritengo, magari non a ragione, ma a sensazione, il simbolo più alto di quel periodo la famosa Escort Cosworth.

Adesso sembra che il testimone sia passato ai diffusori posteriori, i quali in maniera più o meno funzionale si stanno diffondendo a macchia d'olio su una larga fetta delle macchine in commercio.

Riferiti alle auto sportive, ma comunque non esasperate (ossia dove non sono necessariamente richiesti entrambi i dispositivi), a questo punto le domande che mi vengono in mente sono essenzialmente due:

- il diffusore è da preferire in qualche modo all'alettone o è solo l'ennesima moda?

- quanta parte dei diffusori presenti oggi sul mercato sono veramente funzionali e quanti sono semplicemente estetici?

Assumendo il caso di fluido incomprimibile (ovvero subsonico) e stazionario (facciamo finta: mediamente, istante per istante, lo è), l'equazione di continuità ci dice che

A1V1 = A2V2 dove A1 è la sezione di ingresso e A2 la sezione di uscita. Ora, dato che si tratta di un diffusore, ovvero di un divergente, A2 > A1 => V2 < V1 ovvero il diffusore RALLENTA il fluido, come è ovvio che sia in tutti i divergenti in regime subsonico.

Questo rallentamento non produce alcun aumento o decremento di pressione, come ci dice il buon Bernoulli:

Ptotale = 1/2 rho V^2 + P = COSTANTE!!!!

quindi la Pressione totale è COSTANTE ma si può vedere che se V diminuisce, P aumenta. P rappresenta la pressione "statica" mentre il termine 1/2 rho V^2 viene detto pressione dinamica, la somma costante si chiama "pressione totale" e su questa regola si basa ad esempio la misurazione di velocità tramite tubo di Pitot.

La pressione statica è PERPENDICOLARE alla direzione del flusso, quindi è la componente di pressione che genera la forza sulle pareti di un condotto. La dinamica è invece la componente legata alla velocità.

Quindi cosa succede nel diffusore/estrattore/divergente? Il flusso recupera pressione statica e riduce la pressione dinamica, mentre la loro somma rimane la medesima. In uscita la velocità media del flusso è bassa, ma non nulla, quindi una parte di pressione dinamica rimane. I flussi sopra e sotto la vettura si ricongiungono alla sezione di uscita dove la pressione statica è ormai prossima a quella della scia, ma così non è nelle sezioni precedenti: in tutta la lunghezza della rampa fino a prima della sezione di uscita, la pressione statica è inferiore al valore atmosferico e questa "depressione" moltiplicata per la supreficie del diffusore crea un effetto deportante.

In pratica: davanti alla vettura c'è una presa d'aria convergente che accelera il flusso causando una diminuzione di pressione statica e un aumento di pressione dinamica (la somma è costante!!!). Più ci si allontana dalla sezione di ingresso più la pressione statica diminuisce creando un effetto deportante. Nella zona centrale P statica e dinamica rimangono invariate, la P statica è sempre inferiore al valore atmosferico e questo causa deportanza anche nella zona centrale. In uscita si ha la decelerazione del flusso con graduale aumento della pressione statica e diminuzione di quella dinamica. Per tutto il tratto in cui la P statica è ancora inferiore a quella atmosferica si ha deportanza.

Fenomeni legati allo strato limite e al distacco di vortici regolano le dimensioni e la forma di effusore e diffusore e limitano l'efficienza del sistema.

Scrivere che in regime subsonico un divergente accelera il flusso è una BOIATA PAZZESCAAAAA!!! questo è vero solo in regime supersonico.

Modificato 5 Gennaio 2013 da J-Gian

[Regazzoni]

- il diffusore è da preferire in qualche modo all'alettone o è solo l'ennesima moda?

- quanta parte dei diffusori presenti oggi sul mercato sono veramente funzionali e quanti sono semplicemente estetici?

[TonyH]

Di realmente funzionale conosco solo quello della Clio RS.

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Ma davvero l'estrattore della Clio RS è così fuzionale come vorrebbero dare a convincere? La Renault dichiara di poter incrementare il carico sul retrotreno di 40 kg, ma non specifica a quale velocità questo sia possibile, il che mi fa pensare che nelle velocità codice (e anche qualcosa di più) l'estrattore della RS sia praticamente inutile. Anche perché a regola il fondo della vettura non è carenato e quindi non capisco come riescano a mantenere isolato il flusso d'aria al di sotto della vettura evitando che si formi uno strato limite (stile cuscinetto) che quindi inficerebbe l'efficienza di qualsiasi diffusore.

Io credo poi che al marketing della Renault ci siano andati anche un po' troppo pesanti:

[krestfallen]

mio dio... la foto è da denuncia

[Regazzoni]

Effettivamente si erano fatti un po' troppe pippe: la comparazione della griglietta sul passaruota con il flusso dei camini della F1 è proprio una sboronata.

L'estrattore invece (che se non ricordo male dovrebbe dare quei 40 kg a qualcosa di vicino ai 200 km/h) si estende fin'oltre l'assale posteriore e il fondo è decentemente carenato.

Quindi, per quanto in modo limitato, funziona.

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Io gli estrattori che comunque non capisco sono quelli sulle AMG Mercedes. Va bene finché ci sono elementi estetici su una Corsa OPC, ma su una Black Series... Prendiamo ad esempio la CLK 63 AMG Black Series: al paraurti posteriore presenta questa strana forma di diffusore con integrata una sorta di diffusore di calore; elementi che peraltro mi sembra che cadano nel vuoto più totale.

Ma anche la C63 AMG, che pur presenta un diffusore dalle sembianze più tradizionali, è un elemento prettamente estetico. Dall'immagine sotto si vede che è cortissimo (pace all'anima dei 7° di inclinazione massima a cui si ha distacco di corrente) e peraltro al raccordo con il fondo presenta addirittura una scalinatura che chissà quante turbolenze crea...

PS: le mie conoscenze di aerodinamica sono abbastanza scarse, ma a quanto so un flusso d'aria in rallentamento, come quello che si ha in un diffusore, rischia di diventare turbolento ad ogni più piccola irregolarità. Quindi i diffusori devono essere quanto più "lisci" ed ordinati possibili, giusto? Ma le pinne che tutti portano in dote sono così essenziali o sono solo un elemento che aiuta un po'?

[Regazzoni]

Ma le pinne che tutti portano in dote sono così essenziali o sono solo un elemento che aiuta un po'?

Le pinne sarebbero un elemento abbastanza essenziale in quanto tendono a tenere controllato il flusso, contrastando spostamenti trasversali dell'aria e quindi cercando di far muovere l'aria solo verso l'alto.

Oltre a riportare (un po') l'andamento dei flussi ad un problema bidimensionale, quindi più facile da gestire e calibrare, questo porta anche un blando effetto di azione-reazione.

Mi spiego. In pratica l'estrattore ha come contributo principale quello di... estrarre (ma tu guarda) l'aria da sotto il veicolo, creando una leggera, ma estesa depressione che spinge la macchina verso il basso.

Se però l'aria espulsa al posteriore viene preferibilmente proiettata verso l'alto (e non di lato) questo genera (per azione e reazione) una ulteriore spinta verso il basso sull'estrattore. Poca, ma non certo da disdegnare.

Solo siccome oltre a questa fnzione, le alette sono anche l'elemento visivamente più evidente di un estrattore, inevitabilmente diventano anche la prima cosa che viene piazzata su un finto estrattore per farlo sembrare tale: pinne=estrattore.

[jeby]

Considerando alettone ed estrattore realmente funzionanti, l'estrattore è da preferire.

L'alettone ha lo svantaggio (oltre a quello di rovinare l'estetica dell'auto) di introdurre una maggiore resistenza aerodinamica. Con lo scivolo sottoscocca che termina col diffusore è possibile ottenere buoni carichi aerodinamici con il minor aumento possibile di coefficiente di resistenza. Tant'è che nelle moderne supercar viene preferito l'estrattore all'alettone, o comunque in abbinamento ad esso.

Va da sé, però, che per funzionare l'estrattore deve essere ben progettato, e non basta sicuramente solo l'estrattore, ci vuole una certa estensione dello scivolo al di sotto della vettura (sarebbe opportuno estendere la carenatura fino all'inizio del muso)e l'auto deve essere sufficientemente vicina al suolo per sfruttare l'effetto suolo.

L'estrattore, o diffusore, trattandosi di aerodinamica subsonica, tende a diminuire la velocità del flusso (ma mantenendo il flusso il più possibile non turbolento) e quindi tende riportare la pressione in uscita dal fondo dell'auto il più vicina possibile a quella dell'esterno, minimizzando così la perdita di pressione, la turbolenza e quindi la resistenza. Le "pinne" sono molto importanti perché il gradiente di pressione avverso (il flusso decelera) tende ad aumentare la probabilità che si verifichino fenomeni turbolenti.

Per quanto riguarda l'aumento di deportanza, si ha un effetto di facile comprensione su tutta la parte "antecedente" il diffusore: qui la sezione di passaggio tra appena prima la parte frontale dell'auto e il sottoscocca si restringe e (essendo sempre un fenomeno subsonico) la velocità aumenta, il che causa un fenomeno di depressione. Per capire meglio il fenomeno bisogna considerare il suolo e l'auto come un corpo unico: l'aria accelera sotto tutta la scocca e quindi la pressione diminuisce (creando l'effetto deportante) e poi attraverso il diffusore la pressione viene aumentata fino a ristabilire una pressione simile a quella esterna. Maggiore è l'area interessata dalla depressione, maggiore è la forza deportante. Infine la circolazione che si crea a causa della direzione del flusso in uscita dall'estrattore e quella del tetto contribuisce all'effetto deportante sul posteriore (in aggiunta al già citato dislivello di pressione)

Tutto funziona ancora meglio se sono presenti minigonne che "imbrigliano" il flusso sotto la scocca, il flusso va tenuto "incanalato" per diminuire il più possibile la turbolenza.

Ecco un'immagine chiarificatrice

com vedete la pressione è sempre negativa, anche se il gradiente cambia segno.

La fonte è questa, ma dice una mezza boiata

"A diffuser acts to enhance this underside suction, it acts like a pump, encouraging better flow under the car"

in realtà nel diffusore vero e proprio il flusso rallenta, la pressione aumenta e il gradiente è avverso ovvero fa proprio il contrario di "incoraggiare il flusso".

Infatti "l'estrattore" non è che di per sé estragga:

(da qui). Blu a basso coefficiente di pressione, rosso a coefficiente di pressione alto. Gradiente di pressione positivo. Lì dove comincia lo scivolo il flusso rallenta, la pressione aumenta, il flusso più che "spinto fuori" e quindi "estratto" viene "frenato", da qui i vari casini turbolenti.

Modificato 7 Luglio 2008 da jeby

[Regazzoni]

Svantaggi principali dell'estrattore:

- maggiore "delicatezza" del disegno, che richiede grande accuratezza sia sull'estrattore, sia sul resto del fondo vettura. L'alettone è molto più rude: una volta che gli dai un profilo decente e riesci a piazzarlo in una zona di flusso poco perturbata (ovvero il più possibile in alto rispetto al corpo vettura) lui funziona, bene o male.

- maggiore instabilità di funzionamento, legata alla sensibilità dell'altezza da terra.

Siccome all'aumentare dell'altezza da terra, il carico creato dall'estrattore cala, non solo c'è una certa variabilità di comportamento a seconda dell'andamento del terreno, ma c'è proprio un problema di instabilità per cui ad un aumento della distanza da terra segue una diminuzione del carico a cui segue un aumento della distanza da terra, a cui segue un ulteriore calo del carico.... ecc.

E ci si ritrova con la macchina che perde completamente aderenza per un dosso o un cordolo o addirittura prende il volo, come successo varie volte nelle vetture da competizione.

L'alettone, lavorando sopra la macchina, al massimo può risentire delle scie di altri veicoli, ma per il resto lavora in modo più costante.