Analisi CFD a supporto della progettazione di un’automobile che rispetti l’ambiente

Il prototipo della Fiat Panda MultiEco usa studi di aerodinamica numerica per aggiungere obiettivi di riduzione dei consumi

The Panda MultiEco show-car makes its world debut in Geneva’s Motor Show 2006. Fiat sees this unit as the future of cars with a low environmental impact: the concept car represents the most advanced frontier achievable in terms of emissions and consumption, synergically combining technologies that already exist or are ready for industrialization.
The show-car combines an innovative ‘powertrain' architecture – an engine with dual petrol/methane fuel supply, MTA transmission and BAS device – with the use of eco-compatible materials (recycled, recyclable or of natural origin) for the exterior and interior.
The result is made even more interesting by the painstaking optimization of the aerodynamics and a significant weight reduction. This case history deals with the ANSYS-CFX based optimization of the aerodynamics carried out by CRF (Centro Ricerche Fiat).

Fiat considera Panda MultiEco come la rappresentazione delle future macchine ecologiche. Presentata durante il motor Show di Ginevra 2006, questa concept car mette in mostra la più avanzata tecnologia per ridurre le emissioni e diminuire
il consumo di carburante attraverso la combinazione di un’innovativa architettura “powertrain”, l’uso di materiali eco-compatibili sia per l’esterno che per gli interni e miglioramenti ed ottimizzazione nell’aerodinamica.

Sviluppate dal Gruppo Fiat (Fiat Auto, Fiat Powertrain Technologies e Centro Ricerche Fiat), queste soluzioni porteranno a grandi benefici per i clienti. Grazie ad una riduzione dei consumi di combustibile ed all’utilizzo di metano a basso costo, Panda MultiEco riduce il costo relativo per chilometro di un significativo 63%.

Gli studi di aerodinamica di Panda MultiEco sono stati condotti dal Centro Ricerche Fiat (CRF), un’organizzazione industriale il cui obiettivo è quello di promuovere, sviluppare e trasferire innovazione ed offrire un vantaggio competitivo ai suoi clienti e partner. Questi ultimi comprendono le differenti compagnie del Gruppo Fiat, fornitori del settore automobilistico come pure compagnie di altri comparti industriali, piccole e medie imprese (PMI), enti di ricerca nazionali ed internazionali.
Le aree prioritarie per il Dipartimento di Ricerca e Sviluppo del CRF includono energia e ambiente, sicurezza e benessere e crescita sostenibile. Il nucleo delle competenze CRF è centrato sul trasporto via terra, che comprende avanzati veicoli e sistemi di propulsione, componenti innovativi, così come i processi produttivi associati e le metodologie di sviluppo del prodotto.

Per questo progetto, l’obiettivo, in relazione all’aerodinamica, era quello di ottenere un coefficiente di resistenza aerodinamica per la Panda MultiEco che fosse inferiore a quello del veicolo Panda standard. Il prototipo della MultiEco è basato sulla Panda 4x4, poiché la sua altezza permette una più facile introduzione di serbatoi di metano (gas naturale compresso o CNG) al posto dell’albero di trasmissione e del differenziale posteriore.

Tuttavia la Panda 4x4 ha il più alto coefficiente di resistenza aerodinamico dell’intera famiglia Panda, quindi raggiungere l’obiettivo è stato piuttosto impegnativo. Gli esperti di aerodinamica del Centro Ricerche Fiat ed i progettisti del Centro Fiat Stile hanno lavorato insieme fin dall’inizio del processo progettuale, nel tentativo di conciliare lo stile con i requisiti aerodinamici.

Un notevole impegno è stato dedicato al miglioramento dell’efficienza aerodinamica del sottoscocca. Modelli geometrici perfettamente dettagliati sono stati presi in esame usando griglie computazionali generate con il software ANSYS ICEM CFD. Sono state generate griglie costitute da diversi milioni di tetraedri e prismi e le simulazioni CFD eseguite con l’uso del software ANSYS CFX si sono concentrate sull’individuazione e la riduzione dei principali contributi alla resistenza aerodinamica. I dati ottenuti sono risultati utili per la progettazione di carene, ripari e diffusori posteriori.

La grande quantità di analisi CFD, condotte durante tutto il processo di sviluppo del veicolo, ha inoltre permesso la definizione ed il perfezionamento di dettagli quali gli spoiler posteriori ed i paraurti anteriori.

Un primo studio è stato condotto su una Panda 4x4. Questo caso è stato considerato come un punto di riferimento per l’aerodinamica nei test successivi. Ulteriori analisi, condotte su diversi prototipi di Panda MultiEco, sono stati utili per evidenziare aree critiche e componenti che influenzano il comportamento dei flussi. In particolar modo, la presenza di serbatoi di gas nel sottoscocca del veicolo CNG ha dimostrato di avere un impatto rilevante sulle sue performance aerodinamiche globali.
L’obiettivo di queste prestazioni è stato raggiunto attraverso l’ottimizzazione della forma e la dimensione del serbatoio, introducendo ed ottimizzando uno spoiler posteriore, schermando opportunamente le cavità della sottoscocca, e progettando un diffusore posteriore adeguato.

Importanti riduzioni di resistenza aerodinamica sono state raggiunte sia nel sottoscocca che nel posteriore del veicolo. Al termine dell’attività la riduzione relativa del coefficiente di resistenza aerodinamica è stata stimata attorno al 18% del valore iniziale della Panda 4x4, fornendo un coefficiente assoluto di resistenza aerodinamica che corrispondeva al valore desiderato.

Le simulazioni virtuali condotte con ANSYS CFX hanno giocato un ruolo fondamentale nel supportare le decisioni ingegneristiche durante il progetto. Inoltre, l’utilizzo di tecniche CFD ha permesso al CRF di risparmiare tempo e denaro, evitando i costi di prototipazione e collaudo in cui sarebbe incorso nel caso di indagini sperimentali nella galleria del vento. L’uso di ANSYS CFX nell’attività di progettazione della Fiat Panda MultiEco ha dato un forte contributo nel permettere al team di raggiungere gli obiettivi aerodinamici.

R. Tregnago - Responsabile del gruppo
“Aerodynamics and Aeroacoustics” - Divisione Veicolo
E. Ribaldone, Ingegnere Superiore CFD
R. Putzu, Ingegnere CFD
Centro Ricerche Fiat, Italia

Article published in the Magazine: EnginSoft Newsletter Year 4 n.1