CFD Evaluation of Roof Fairing and Rear Tail Plate Add-Ons for Bus Aerodynamics

Sulla strada aperta, un autobus è un oggetto massiccio e smusso che spinge attraverso un mare d'aria. Mentre si muove, l'aria non scivola semplicemente ai lati; preme contro la parte anteriore, corre sopra la parte superiore e fatica a riempire lo spazio vuoto lasciato dietro la parte posteriore. Questa lotta crea una forza chiamata resistenza aerodinamica, che agisce come una mano invisibile che tira il veicolo all'indietro. Per continuare a muoversi, il motore deve lavorare di più, bruciando più carburante e rilasciando più anidride carbonica nell'atmosfera. Per i grandi veicoli come gli autobus, che spesso trasportano decine di passeggeri, questa resistenza rappresenta un costo importante, sia in termini economici che di impatto ambientale. In molte parti del mondo, in particolare in Etiopia, gli autobus vengono spesso costruiti fissando carrozzerie per passeggeri a telai di camion. Sebbene sia un metodo pratico, questo comporta spesso forme squadrate e rettangolari che sono terribili nel tagliare il vento. L'aria colpisce la parte anteriore piatta e rimane intrappolata in vortici turbolenti nella parte posteriore, sprecando energia che potrebbe altrimenti essere utilizzata per il movimento.

I ricercatori sanno da tempo che levigare queste forme può aiutare. Proprio come un nuotatore indossa una cuffia aderente per ridurre la resistenza nell'acqua, i veicoli possono essere dotati di dispositivi che guidano l'aria in modo più fluido. Questo studio si è concentrato su un modello di autobus specifico e comune utilizzato in Etiopia e si è posto una domanda semplice: l'aggiunta di elementi alla parte superiore e alla parte posteriore dell'autobus potrebbe ridurre significamente la resistenza? Il team non ha testato queste idee su una strada reale, ma ha utilizzato una potente simulazione al computer. Hanno costruito una versione digitale dell'autobus e l'hanno inserita in un tunnel del vento virtuale, uno spazio matematico dove potevano osservare come l'aria fluisce attorno al veicolo a diverse velocità. Modificando la forma dell'autobus al computer — aggiungendo un pezzo curvo sul tetto e una piastra piatta sul retro — hanno potuto misurare esattamente quanto diventasse più facile per l'aria passare.

I ricercatori hanno testato due tipi principali di aggiunte. Il primo era un deflettore da tetto (roof fairing), una struttura curva montata sopra l'autobus che imita la forma di un'ala di un aeroplano, nello specifico metà di un design noto come profilo alare NACA 0012. Il secondo era una piastra posteriore (rear tail plate), un pannello piatto attaccato al retro dell'autobus con una leggera inclinazione, progettato per aiutare l'aria a ricongiungersi più fluidamente dopo aver superato il veicolo. Hanno provato questi dispositivi in varie dimensioni e angolazioni, eseguendo la simulazione a velocità di 60, 80 e 100 chilometri orari. L'obiettivo era trovare la combinazione specifica che creasse la minore quantità di resistenza, richiedendo quindi meno carburante per mantenere l'autobus in movimento.

I risultati hanno mostrato che entrambe le aggiunte funzionavano, ma una era chiaramente superiore. Il deflettore da tetto si è dimostrato lo strumento più efficace. Quando i ricercatori hanno installato un deflettore da tetto con una lunghezza specifica di 0,5 metri, combinato con una leggera rimodellazione della parte anteriore dell'autobus, la resistenza è diminuita drasticamente. A una velocità di 60 chilometri orari, la resistenza è stata ridotta di quasi il 28 percento. Man mano che l'autobus accelerava fino a 100 chilometri orari, la riduzione è cresciuta leggermente, raggiungendo quasi il 29 percento. Anche la piastra posteriore ha aiutato, ma il suo effetto è stato minore; anche nella sua migliore configurazione, è riuscita a ridurre la resistenza di circa il 25 percento alle velocità più elevate. Le simulazioni hanno rivelato che il deflettore da tetto funzionava mantenendo l'aria attaccata alla parte superiore dell'autobus per più tempo, impedendo il moto caotico dei vortici che solitamente avviene quando l'aria si separa da una superficie smussa.

Queste riduzioni della resistenza si traducono direttamente in risparmi nel mondo reale. Poiché l'autobus incontra meno resistenza, il motore non deve lavorare così duramente. Lo studio ha calcolato che, con la migliore configurazione del deflettore da tetto, un autobus che viaggia a 100 chilometri orari risparmierebbe quasi 10 litri di carburante ogni ora rispetto all'autobus standard non modificato. A una velocità più bassa di 60 chilometri orari, il risparmio era comunque significativo, superiore a 2 litri l'ora. Nel corso di un anno, assumendo che l'autobus operi per otto ore al giorno, questi risparmi si accumulano in migliaia di litri di diesel. Questa riduzione nell'uso del carburante significa anche un calo sostanziale delle emissioni di anidride carbonica. Per un singolo autobus che utilizza il deflettore da tetto, lo studio ha stimato che potrebbe prevenire il rilascio di oltre 60 tonnellate di anidride carbonica all'anno ad alte velocità, una cifra che rappresenta un contributo significativo per un'aria più pulita.

I ricercatori sono stati attenti a sottolineare che questi numeri derivano da simulazioni al computer, non dalla guida di un autobus fisico su un'autostrada. Il modello digitale è stato verificato rispetto ai dati esistenti dei tunnel del vento per garantirne l'accuratezza, e i risultati sono coerenti con quanto previsto dagli ingegneri. Sebbene lo studio non abbia testato ogni possibile forma o dimensione, ha identificato un chiaro vincitore tra le opzioni testate: un modesto deflettore da tetto curvo di 0,5 metri. Questo risultato suggerisce che per gli autobus squadrati comuni in Etiopia e regioni simili, una modifica relativamente semplice ed economica potrebbe portare a miglioramenti importanti nell'efficienza del carburante e nell'impatto ambientale. Il lavoro dimostra che anche per i veicoli che non sono stati originariamente progettati con la aerodinamica in mente, piccoli cambiamenti alla loro forma possono fare una grande differenza nel modo in cui interagiscono con l'aria circostante.