STUDIO TEORICO NUMERICO DELL'ALETTONE ANTERIORE DI UNA VETTURA MONOPOSTO FORMULA STUDENT

This thesis work fits into the competitive context of the international Formula SAE championship, with the aim of analyzing, optimizing, and validating the front aerodynamic package of the single-seater designed by the PoliBa Corse team. In an engineering competition characterized by winding circuits and moderate average speeds, aerodynamic optimization and the ability to generate high levels of downforce are crucial factors for increasing the vehicle's dynamic performance. The study starts from a solid theoretical foundation regarding the governing equations of fluid dynamics and turbulence models, justifying the use of the asymmetric Clark Y airfoil. This historical airfoil was selected for its excellent tolerance and progressiveness at low Reynolds numbers, together with the significant advantages offered in terms of Design for Manufacturing. The validation of the wing assembly, characterized by a slotted multi-element architecture (consisting of a mainplane and two flaps), was conducted through a rigorous computational fluid dynamics (CFD) approach using the Ansys Fluent solver and the κ-ϵ turbulence model. The numerical investigation was divided into two sequential phases: a two-dimensional (2D) analysis, aimed at exploring the theoretical efficiency of the isolated airfoil as the angle of attack varies, and a complex three-dimensional (3D) simulation in ground effect regime. The transition to the 3D domain proved fundamental to evaluate the impact of real dissipative phenomena, such as the onset of transverse flows, the generation of wingtip vortices, and the early onset of aerodynamic stall conditions compared to the theoretical case. In order to close the design loop, the purely fluid dynamic results were finally translated into an analytical vehicle mechanics model. The systemic approach made it possible to demonstrate how the cantilevered installation of the front appendage induces a longitudinal load transfer that acts as a "mechanical amplifier". This phenomenon massively increases the vertical load on the steering axle, resulting in a net increase in the maximum lateral force that can be exerted by the tires. The conclusions certify that the designed aerodynamic package not only complies with the strict regulatory constraints, but also guarantees the single-seater greater reactivity during the turn-in phase and a drastic reduction of understeer in corners, fully validating the engineering effectiveness of the component.

Il presente elaborato di tesi si inserisce nel contesto competitivo del campionato internazionale Formula SAE, con l’obiettivo di analizzare, ottimizzare e validare il pacchetto aerodinamico anteriore della monoposto progettata dal team PoliBa Corse. In una competizione ingegneristica caratterizzata da circuiti tortuosi e velocità medie contenute, l’ottimizzazione aerodinamica e la capacità di generare elevati livelli di deportanza risultano fattori determinanti per l’incremento delle prestazioni dinamiche del veicolo. Lo studio prende le mosse da una solida base teorica riguardante le equazioni di governo della fluidodinamica e i modelli di turbolenza, giustificando l’impiego del profilo asimmetrico Clark Y. Tale profilo storico è stato selezionato per la sua eccellente tolleranza e progressività a bassi Numeri di Reynolds, unitamente ai notevoli vantaggi offerti in termini di fattibilità produttiva (Design for Manufacturing). L’analisi del gruppo alare, caratterizzato da un’architettura multielemento fessurata (costituita da mainplane e due flap), è stata condotta attraverso un rigoroso approccio computazionale (CFD) avvalendosi del solutore Ansys Fluent e del modello di turbolenza κ-ϵ. L’indagine numerica si è articolata in due fasi sequenziali: un’analisi bidimensionale (2D), atta a esplorare l’efficienza teorica del profilo isolato al variare dell’assetto, e una complessa simulazione tridimensionale (3D) in regime di effetto suolo. Il passaggio al dominio 3D si è rivelato fondamentale per valutare l’impatto dei fenomeni dissipativi reali, quali l’innesco di flussi trasversali, la genesi dei vortici d’estremità e l’anticipazione delle condizioni di stallo aerodinamico rispetto al caso teorico. Al fine di chiudere il cerchio progettuale, i risultati puramente fluidodinamici sono stati infine traslati all’interno di un modello analitico di meccanica del veicolo. L’approccio sistemico ha permesso di valutare l'interazione globale tra l'ala anteriore e il retrotreno, introducendo il concetto fondamentale di bilanciamento aerodinamico (Aero Balance). Si è dimostrato come l’installazione a sbalzo dell’appendice anteriore induca un trasferimento di carico longitudinale che funge da vera e propria "leva meccanica", essenziale per compensare il forte momento cabrante generato dalla massiccia deportanza dell'ala posteriore. Questo sapiente equilibrio ridistribuisce in modo ottimale i carichi verticali sugli assali: al posteriore garantisce un netto aumento del grip per massimizzare la trazione, mentre all'anteriore assicura il mantenimento direzionale, traducendosi in un aumento netto della forza laterale massima esplicabile dagli pneumatici. Le conclusioni indicano che il pacchetto aerodinamico progettato non solo rispetta i rigidi vincoli regolamentari, ma garantisce alla monoposto un'eccellente capacità di scaricare potenza a terra, una maggiore reattività in fase di inserimento e una drastica riduzione del sottosterzo in curva, validando a pieno l’efficacia ingegneristica del componente.