Studio delle schiere di vortici in scia di una moto sportiva

3° Workshop: Problemi di vibrazioni nelle strutture civili e nelle costruzioni meccaniche

Perugia, 11-12 Settembre 2008

STUDIO DELLE SCHIERE DI VORTICI IN SCIA DI UNA MOTO SPORTIVA

G. Risitano1, L. Scappaticci2, A. Garinei3

1 Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Perugia, Via G. Duranti 67 – 06125 Perugia, e-mail: [email protected]

2 Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Perugia, Via G. Duranti 67 – 06125 Perugia, e-mail: [email protected]

3 Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Perugia, Via G. Duranti 67 – 06125 Perugia, e-mail: agarinei@ unipg.it

SOMMARIO I vortici che si formano nella scia, conseguenti al distacco della vena fluida che investe la moto, sono una causa rilevante della resistenza all’avanzamento e sono inoltre responsabili di pressioni sul corpo del pilota e quindi di stati di tensione che influenzano il comfort. Nell’ottica di dare un contributo alla conoscenza delle caratteristiche del “sistema vortici” che si genera nella scia di una moto da competizione, in questo lavoro si propone uno studio sperimentale delle sorgenti delle schiere dei vortici in scia di un motociclo, mediante l’analisi delle vibrazioni misurate in galleria.

ABSTRACT Vortices that are formed in the wake of a racing motorbike are a major cause of resistance and are also responsible for pressure on the body of the pilot causing tensional states that affect comfort. In order to make a contribution to knowledge of the characteristics of these turbulent systems, this note is an experimental study about sources of ranks vortices in the wake, conducted by analysis of vibrations measured in the wind tunnel. Keywords: misure di vibrazioni, aerodinamica, motociclo.

1. INTRODUZIONE

Le principali problematiche aerodinamiche della moto sono legate alla guidabilità, alla resistenza all’avanzamento e al comfort del pilota. I vortici che si formano nella scia, conseguenti al distacco della vena fluida che investe la moto, sono una causa rilevante della resistenza all’avanzamento e sono inoltre responsabili di pressioni sul corpo del pilota e quindi di stati di tensione che influenzano il comfort. L’aerodinamica della moto da competizione è basata principalmente sul raggiungimento di un basso coefficiente di drag che spesso viene sacrificato al coefficiente di lift. Si ritiene infatti

G. Risitano, L. Scappaticci, A. Garinei

che il pilota della moto sportiva possa sopperire, sulla base della propria sensibilità, con spostamenti opportuni del corpo a contrastare eventuali alleggerimenti dell’anteriore. Come è noto lo studio del distacco della vena fluida dal corpo in movimento e la conseguente formazione della scia è estremamente complesso anche limitandosi a forme geometriche molto semplici e pochi sono i risultati analitici ai quali si può fare riferimento, se non per considerazioni di tipo puramente indicativo. Gli attuali strumenti di calcolo numerico talvolta possono essere di aiuto, ma quando c’è l’esigenza di cogliere aspetti tridimensionali e operare su sistema reali complessi, a tutt’oggi i procedimenti più adeguati per ottenere una “buona aerodinamica” sono quelli sperimentali [1,2]. D’altra parte per molte valutazioni utili ai fini del miglioramento delle prestazioni, non è necessario entrare nel dettaglio della forma dei vortici di scia, ma piuttosto cogliere delle macroinformazioni utili a individuare possibili soluzioni migliorative. Le esigenze sulle quali si convoglia l’attenzione dei progettisti variano significativamente da sistema a sistema e nell’ambito anche dello stesso sistema. I problemi aerodinamici che interessano i progettisti di un aereo sono diversi da quelli di un progettista di auto o moto, le esigenze di chi progetta veicoli da competizione sono diverse da quelle di chi progetta veicoli commerciali. Che nel moto turbolento del fluido, caratteristico della scia, sussistano vortici fissi o schiere di vortici che si distribuiscono nella scia, che i vortici possano configurarsi come stazionari o non stazionari, che possano essere bidimensionali o tridimensionali, come possa stimarsi la dimensione del vortice, quali siano le principali sorgenti dei vortici e le soluzioni che sicuramente possono contribuire al miglioramento della prestazione aerodinamica sono conoscenze di base sulla quale si imposta, caso per caso, il problema del miglioramento aerodinamico, sulla base della singole esigenze progettuali. È per questo che, agevolata dalla dimensioni del sistema, la progettazione aerodinamica e la messa a punto ottimale del sistema moto-pilota viene sempre più spesso condotta con sistematico ricorso alla galleria del vento. Nella fattispecie, anche se sulle moto da competizione i regolamenti vietano le appendici mobili, è pur vero che il pilota costituisce di per se una “appendice mobile dotata di controllo attivo soggettivo” che integrata nel sistema ne può condizionare profondamente il comportamento; allo studio dell’aerodinamica della moto da competizione è sempre associato lo studio aerodinamico del sistema moto-pilota. Nell’ottica di dare un contributo alla conoscenza delle caratteristiche dei sistemi vorticosi che si generano nella scia di una moto da competizione, in questa nota si propone uno studio sperimentale delle sorgenti delle schiere dei vortici in scia dell’APRILIA RSV 1000, condotto mediante l’analisi delle vibrazioni misurate in galleria. Questa moto è la base sulla quale sarà sviluppata l’APRILIA superbike che correrà nella stagione 2009.

2. BACKGROUND Nella scia della moto si ha una situazione complessa di moto turbolento con formazione di vortici e schiere di vortici che possono essere stazionari o non stazionari.


L’obbiettivo che si vuole perseguire non è analizzare la forma dei vortici e quindi entrare nel dettaglio del campo delle velocità di scia, ma piuttosto individuare dei macroparametri che permettano di caratterizzare le diverse schiere di vortici che si generano e, ove possibile, i punti di distacco, o , in altri termini, le zone critiche a partire dalla quali le schiere di vortici si sviluppano. La considerazione prima che sta alla base della metodologia è che lo sviluppo di una schiera di vortici ha come effetto quello di generare vibrazioni della moto. Lo studio delle caratteristiche di queste vibrazioni permette di trarre informazioni dirette sulle diverse schiere di vortici che si generano in scia e una successione di prove con opportuni dispositivi di adattamento dovrebbe permettere di risalire alla zona di distacco che genera una determinata schiera. Si è scelta come moto di prova la APRILIA RSV 1000 R FACTORY che ha una aerodinamica particolarmente curata e il lavoro è stato sviluppato secondo lo schema seguente:

1) Si è proceduto alla taratura della galleria, cioè alla determinazione delle frequenze che si rilevano con la strumentazione predisposta in galleria, dovute a disturbi di tipo elettrico o meccanico e non riconducibili all’effetto delle schiere di vortici in scia alla moto.

2) Si è provveduto ad eliminare, ove possibile, le cause di alcune delle frequenze rilevate.

3) Si è predisposto il sistema in prova e si sono individuate le frequenze che possono essere ritenute collegate alle schiere dei vortici. La “correttezza aerodinamica” della moto in prova ha permesso di ottenere spettri di frequenza puliti dai quali è stato possibile rilevare, nel rango di interesse, un limitato numero di frequenze associate a vibrazioni attribuibili ai vortici e di predisporre quindi dispositivi atti ad individuare ulteriori caratteristiche.

4) Si è provveduto a modificare o completare il sistema in prova e si sono compiute misure in diverse situazioni: moto, moto con appendici laterali, moto con manichino, moto con manichino e appendici su punti significativi per osservare le variazioni generate sui punti distacco sulla forma dei vortici e la frequenza della schiera.

5) Si sono confrontate le misure nelle diverse configurazioni e conseguentemente alla variazione delle frequenze, si sono fatte deduzioni sui punti di generazione delle schiere di vortici.

6) A titolo di pura valutazione, si sono effettuate misure anche su moto con aerodinamica meno raffinata. Le numerose schiere di vortici che si generano in questo caso generano spettri in frequenza molto confusi che non permettono di applicare la metodologia in maniera efficiente ed efficace.

3. APPARECCHIATURA DI PROVA Le prove sono state effettuate nella galleria del vento del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università degli Studi di Perugia che è una galleria tipo Gottinga a circuito chiuso con l’aria spinta da un ventilatore della potenza di 375 kW in un condotto a ricircolo.


Lo sbocco della parte convergente del condotto ha una sezione quadrata di 2,2 , mentre il ramo divergente ha una sezione quadrata di 2,7 . La sala prova è lunga 3.5m ed alta 6.5m. Le dimensioni sono quindi tali da permettere misure su moto in scala 1:1.

2m2m

Il flusso d’aria viene laminato da una struttura a nido d’ape in modo da ottenere condizioni ripetibili di flusso in sala prova. Il veicolo è posizionato su una bilancia elettronica; si tratta di una struttura triangolare appoggiata su una base rigida e dotata di due labilità, una trasversale e l’altra longitudinale rispetto alla direzione del vento; è da questi movimenti che si acquisiscono le forze aerodinamiche in gioco. Il sistema utilizzato per la misura delle vibrazioni è costituito da 3 servoaccelerometri (PCB piezotronics mod. 393B12) disposti lungo le 3 direzioni spaziali e collegati in modo solidale al sistema in esame. Grazie ai servoaccelerometri è stato possibile indagare, in termini di frequenza, una banda molto larga che si estende fino alle frequenze più basse. Oltre alla terna accelerometrica, si sono acquisiti i segnali delle celle di carico e di un pitot, per controllare la velocità della corrente indisturbata. Il sistema di acquisizione è costituito da una centralina Prosig P 8012 a 16 bit, dotata di processore dedicato e collegata al pc tramite cavo USB; l’elaborazione del segnale acquisito è stata eseguita con il sofware Dats, con cui si gestisce la centralina stessa. Tutti i segnali sono stati acquisiti a 5 kHz con filtro passa –basso a 2,5 kHz. Ogni misura è stata ripetuta più volte per evidenziare il rango di dispersione delle misure, che è conseguenza di situazioni di instabilità collegate alla non linearità dei fenomeni. Come vedremo nel seguito una situazione di questo tipo si è verificata, con un caso nel quale le misure hanno consentito solo di individuare una rango per i valori di una frequenza e non un valore specifico. La velocità di prova è stata scelta in 156Km/h significativa ai fini delle guida sportiva. Nelle diverse configurazioni di prova, utili ai fini dell’analisi da compiere, la moto è stata anche equipaggiata con un manichino, con alette laterali, e con paratie sulla schiena del manichino. Nel seguito i quattro sistemi sono indicati con:

1. sistema “M” [moto] (figura 1); 2. sistema “M+A” [moto con alette laterali] (figura 2); 3. sistema “M+M” [moto con manichino] (figura 3); 4. sistema “M+M+P” [moto con manichino e paratie sul manichino] (figura 4).

Si ritiene che le quattro configurazioni di prova siano sufficienti per una prima analisi significativa delle diverse situazioni di vibrazioni indotte dalle schiere di vortici.


Figura 1 – Sistema “M”.

Figura 2 – Sistema “M+A”.

Figura 3 – Sistema “M+M”.


Figura 4 – Sistema “M+M+P”.

4. TARATURA DELLA GALLERIA DEL VENTO E RISULTATI DELLE PROVE Il passo preliminare in vista della misura delle vibrazioni nelle diverse configurazioni è stato quello di evidenziare le frequenze intrinseche del sistema di misura e non attribuibili alla presenza delle schiere di vortici. La prima misura è stata effettuata a galleria spenta per evidenziare fonti esterne di disturbo. Lo spettro in frequenza ha evidenziato disturbi con frequenze di 25Hz, 37.5Hz e 50Hz. Gli spettri in frequenza delle accelerazioni a galleria spenta sono riportati in figura 5.

Figura 5 – Andamento dello spettro in frequenza nel caso di galleria spenta.


La frequenza di 50Hz ha origine elettrica e non sarà comunque eliminabile nel corso delle prove. La galleria è situata in una zona prossima all’impianto di cogenerazione della facoltà il cui motore gira a 1500 giri al minuto [1], e quindi trasmette la vibrazione a 25Hz. Una prova a cogeneratore spento ha consentito di attribuire allo stesso anche la vibrazione a 37.5 Hz.. Per le prove successive si sono utilizzati intervalli temporali in cui l’impianto di cogenerazione era spento per manutenzione , in modo da avere segnali depurati dalle frequenze di disturbo. Per completare la conoscenza delle frequenze che potrebbero comparire nello spettro con il sistema in prova, ma non devono essere attribuite alle schiere di vortici, si è provveduto a determinare con analisi modale la frequenza fondamentale di oscillazione longitudinale del sistema di trasferimento delle forze alle celle di carico che e’ risultata di 6.1Hz. Le frequenze che potranno essere ricondotte esclusivamente a fenomeni aerodinamici saranno tutte le ulteriori frequenze che si rileveranno negli spettri ricavati dalle prove con il sistema montato eccetto quelle di 6.1Hz e 50Hz.. D’altra parte ci si deve attendere che le due frequenza di 6.1Hz e 50Hz siano presenti negli spettri di tutte le configurazioni di prova. Il rango di frequenze di interesse per evidenziare la formazione delle schiere di vortici in scia che producono effetti meccanici è 0Hz-100Hz. Frequenze di ordine superiore, anche se rivelatrici di vortici, hanno significato di disturbo sonoro piuttosto che meccanico e quindi non sono prese in considerazione nel seguito. a) Prove con il sistema M Lo spettro in frequenza dell’accelerazione (figura 6) mostra che la presenza della moto induce nello spettro delle accelerazioni le frequenze di 12.2Hz e 17.7Hz. Si rileva anche l’esistenza di una ulteriore frequenza nel rango 22.5 - 24.4Hz, oltre naturalmente al persistere delle frequenze già rilevate in sede di taratura e non eliminabili in sede di prova. Nelle tre misure effettuate le frequenze di 12.2Hz e 17.7Hz sono univocamente individuate, mentre si può solo affermare che esiste una terza frequenza di significato aerodinamico, per la quale è possibile solo individuare un rango ancorchè ristretto. Questa indeterminazione si ritiene sia dovuta a fenomeni vorticosi non stazionari e quindi più instabili e sensibili alle condizioni dello svolgimento della prova.


Figura 6 – Andamento dello spettro in frequenza (M)

b) Prove con il sistema M+A Lo spettro in frequenza dell’accelerazione (figura 7) individua un sola frequenza di 17.7Hz attribuibile al sistema.

Figura 7 – Andamento dello spettro in frequenza (M+A)


c) Prova con il sistema “M+M” Lo spettro in frequenza dell’accelerazione (figura 8) mostra due frequenze di 16.5Hz e 23.2Hz. attribuibili al sistema.

Figura 8 - Andamento dello spettro in frequenza (M+M)

d) Prove con il sistema “M+M+P” Lo spettro in frequenza dell’accelerazione (figura 9) mostra quattro frequenze a 13.4Hz, 15.8Hz, 17.7Hz e 23.2Hz attribuibili al sistema.


Figura 9 - Andamento dello spettro in frequenza (M+M+P)

Le frequenze attribuibili al sistema, ottenute dagli accelerogrammi nelle diverse configurazioni di prova, sono riassunte nella seguente tabella

Tabella 1 – Riassunto delle frequenze individuate con i diversi sistemi.

Sistema frequenze [Hz]

(M) 6.1 12.2 / / / 17.7 22-24 50

(M+A) 6.1 / / / / 17.7 / 50(M+M) 6.1 / / / 16.5 / 23.2 50

(M+M+P) 6.1 / 13.4 15.8 / 17.7 23.2 50

5. ANALISI DEI RISULTATI

Dal confronto delle frequenze registrate nelle prove dei sistemi M, M+A, M+M+P si evidenzia che solo la frequenza di 17.7Hz rimane costantemente presente e quindi le differenze di configurazione non risultano alterare la schiera di vortici associata. Si ritiene che la frequenza di 16.5Hz registrata nella prova del sistema M+M sia riconducibile alla stessa schiera di vortici. Questo persistere nelle diverse condizioni, consente di attribuire l’effetto di questa vibrazione alla schiera di vortici che si sviluppano al distacco dal cupolino o dal casco del pilota quando questo è presente anche in presenza delle paratie sulla schiena. Le ampiezze che si misurano nelle diverse configurazioni mostrano evidenti riduzioni che arrivano, tra la situazione più sfavorevole e quella più favorevole al 60.5 %.


La presenza di una schiera di vortici “di cupolino” è ben nota essendo stata sistematicamente rilevata nelle prove in galleria ed anche evidenziata in simulazioni bidimensionali Si ritiene sia ineliminabile con configurazioni significative di sistema e l’obbiettivo, per migliorare le prestazioni aerodinamiche, in relazione a questa schiera di vortici, deve essere piuttosto quello di diminuire l’ampiezza dei vortici con conseguente riduzione della lunghezza della scia. Le altre frequenze non sono sempre rilevate nelle diverse configurazioni di prova. Per esempio le frequenze di 12.2Hz e quella nel rango 22.5-24.4Hz presenti nella configurazione M scompaiono nelle prove M+A . Questo porta a ritenere che le schiere di vortici alle quali sono associate le vibrazioni a quelle frequenze sono schiere di vortici che si distaccano dalla carena e che sono state eliminate inserendo le alette di deviazione di flusso. È anche interessante il confronto delle frequenze misurate sul sistema M con quelle del sistema M+M.. Nel sistema M+M il manichino è in carena, ma comunque è in grado di modificare le schiere di vortici di carena con la presenza degli arti inferiori. Questo giustifica che una schiera di vortici di carena e precisamente quella associata alla frequenza di 12.2Hz viene eliminata, mentre la presenza del manichino non riesce a eliminare la schiera associata alla frequenza superiore. È significativo anche osservare che la presenza del manichino “stabilizza” a 23.2Hz la misura della frequenza per la quale il sistema M permetteva solo si individuare un rango 22.5-24.4Hz. Il fatto che per il sistema M+M+P si ritrovi invariata la frequenza di 23.2Hz può essere letto come una controprova che questa frequenza è associata a una schiera di vortici di carena, che, in quanto tale, non viene minimamente alterata dall’inserimento di appendici sulla schiena del pilota. Le due frequenze di 13.4Hz e 15.8Hz rilevate nel sistema M+M+P possono essere ricondotte al fatto che le due paratie comportano sicuramente due deviazioni del flusso alle quali sono associate due nuove schiere di vortici. I grafici riportati nelle figure 6,7,8,9 mostrano spettri in frequenza molto leggibili, nei quali le frequenze caratteristiche degli accelerogrammi sono individuate chiaramente e sono in numero ridotto. Questo globalmente è una conferma che l’aerodinamica della moto esaminata è molto curata e che le schiere di vortici che si creano sono poche. Questo ha reso significativa l’indagine. 6. CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE Il procedimento ha avuto come obbiettivo quello di proporre una metodologia indiretta per la determinazione delle sorgenti delle schiere di vortici presenti nella scia di una particolare moto sportiva, basata sull’analisi della frequenza delle vibrazioni misurate su una moto in diverse configurazioni. I risultati ottenuti, che hanno permesso di associare le varie frequenze riscontrate a ben precise schiere di vortici esistenti in scia, sono strettamente connessi al fatto che l’indagine è stata effettuata su una moto per la quale l’aerodinamica particolarmente curata è sicuramente un punto di forza, come hanno dimostrato anche le prova su pista.


A conferma di quanto sopra, a titolo puramente indicativo, nella figura 10 è riportato lo spettro in frequenza di un’altra moto.

Figura 10 - Andamento dello spettro in frequenza di una moto diversa

La comparazione con gli spettri ottenuti con la APRILIA mostra quanto si possa migliorare l’aerodinamica in relazione alle schiere di vortici con una accurato lavoro. Rimane confermato che, almeno con soluzioni progettuali realmente applicabili, la schiera più importante di vortici che si crea e che permane anche al variare della configurazione è quella che si forma dietro la schiena del pilota. Questa è dovuta al confluire della vena ai bordi della carena, di quella tra carena e forcella, della vena che investe il casco del pilota e agli effetti delle mani. Questa interazione tra varie concause rende praticamente ineliminabile questa schiera di vortici che potremmo quindi definire “principale”. A conferma di ciò, e’ interessante riportare il risultato di una misura rilevata in galleria dagli autori nel contesto della misura delle frequenze di vibrazione del codino (che ovviamente risente della influenza della schiera principale di vortici) di una moto Kawasaki effettuate senza manichino: si e’ determinata una frequenza di 18Hz. Nell’analisi proposta, che essenzialmente consiste in una valutazione qualitativa, si è fatto solo un accenno indicativo alle ampiezze associate alle varie frequenze misurate. È chiaro che, una volta capita qualitativamente la causa della formazione di una schiera di vortici, e valutatane l’importanza ai fini del complessivo comportamento aerodinamico, l’attenzione può essere focalizzata alla eliminazione ove possibile, o quantomeno, nel caso della schiera principale, alla riduzione degli effetti.


BIBLIOGRAFIA

[1] S.F. HOERNER, Fluid-dynamic drag, Published by the author, 3a Ed., 1965. [2] W.H. ed. HUCHO, Aerodynamics of road vehicles, SAE International, 1998. [3] L. BARELLI, G. BIDINI, C. BURATTI, R. MARIANI, Diagnosis of internal combustion engine through

vibration and acoustic pressure non - intrusive measurements, presentato a Applied Thermal Engineering, 2008.

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