Università degli studi di Genova
Ali biomimetiche per l'ottimizzazione della portanza
Relatori:
Chiar.mo Prof. Alessandro Bottaro
Ing. Joel Guerrero
Allievo:
Francesco Bavassano Tesi per il conseguimento della Laurea Triennale in Ingegneria Meccanica
Ottobre 2010
Università degli studi di Genova
Ali biomimetiche per l'ottimizzazione della portanza
Relatori:
Chiar.mo Prof. Alessandro Bottaro
Ing. Joel Guerrero
Allievo:
Francesco Bavassano Tesi per il conseguimento della Laurea Triennale in Ingegneria Meccanica
Ottobre 2010
La Biomimetica (dal Greco bioù mìmesis, imitazione della vita) è la scienza che prende spunto dalle migliori “idee” della Natura per trarre migliorie tecnologiche da caratteristiche degli esseri viventi.
Le pinne pettorali della Megattera sono dotate di protuberanze poste sul bordo d'attacco.
I tubercoli migliorano le prestazioni fluidodinamiche.
La Megattera per nutrirsi compie rapidissime svolte a U.
(Bubble-feeding).
Questi movimenti richiedono un'adeguata forza centripeta: le protuberanze migliorano la portanza.
La ricerca intende trasferire i benefici apportati dalle “protuberanze” sul bordo d'attacco ad applicazioni tecnologiche quali ali e palette di turbomacchina.
Portanza FL e resistenza FD sono componenti della forza risultante FR agente su un generico profilo alare.
Negli esperimenti sui modelli di pinna di Megattera sono stati studiati i rispettivi coefficienti adimensionali CL e CD. ρ è la densità del fluido, V la velocità del flusso imperturbato e A è l'area dell'ala in pianta per =0°.
CL e CD sono riportati in funzione dell'angolo d'attacco α.
La curva della portanza ha un massimo per = c detto angolo d’attacco critico.
Successivamente avviene il fenomeno di stallo, con la
rapida discesa della portanza.
c dipende da:
Geometria del problema
Numero di Reynolds
U è la velocità del flusso imperturbato, L è una lunghezza caratteristica
del problema studiato, ν è la viscosità cinematica.
Miklosovic et al. nel 2004 hanno costruito due modelli di pinna di Megattera per confrontare il bordo d'attacco liscio con quello dotato di protuberanze.
I risultati sono stati sorprendenti:
Portanza massima più elevata.
Stallo fortemente ritardato.
Resistenza inferiore. I primi risultati
I tentativi di validazione
Johari et al., Stanway, Custodio, Van Nierop et al. ed altri non hanno riprodotto i risultati di Miklosovic et al. ma hanno riscontrato:
Stallo completamente mutato e molto più graduale.
Portanza nella fase post-stallo fino al 50% più elevata.
La Computational Fluid Dynamics
Si avvale dei calcolatori per studiare la fluidodinamica.
I calcolatori forniscono la potenza di calcolo necessaria a
simulare fenomeni reali con grande precisione.
Per studiare l'effetto delle protuberanze sul bordo d'attacco si è trattato di:
Creare la geometria e il dominio computazionale.
Generare la griglia di calcolo.
Scegliere il metodo risolutivo.
Effettuare i calcoli.
Analizzare i risultati (post-processing).
Creare la geometria e il dominio computazionale (Solidworks e Ansys Geometry)
h Corda = 1 m
Apertura alare = 1 m
Ampiezza sinusoide= 0,05 m
Sono state create due ali con un codice CAD basate
sul profilo NACA 0012.
Creare la geometria e il dominio computazionale
Inlet di velocità
Pareti senza effetto di strato limite.
Pareti con effetto di strato limite.
Pareti periodiche
Outlet di pressione E’ stato creato il dominio computazionale (35x20x1)
Generare la griglia di calcolo (Ansys Mesher)
La griglia è stata generata dopo uno studio di convergenza dei risultati per scegliere il miglior compromesso tra precisione e tempo di calcolo.
Generare la griglia di calcolo (Ansys Mesher)
Visualizzazione della griglia su una faccia periodica; si noti l’affinamento della griglia nel rettangolo.
Generare la griglia di calcolo
Suddivisione del dominio in volumi di controllo.
1,9 milioni di celle.
E’ stato utilizzato lo Sweep Method.
La griglia è più fine in prossimità delle superfici dell'ala e nella zona di scia.
Scegliere il metodo risolutivo (Ansys Fluent)
E’ stato impostato un calcolo iterativo non stazionario con tecnica implicita e passo di tempo t=0.2 s. Fluent risolve le equazioni di Navier-Stokes insieme a quella di continuità discretizzandole con un metodo a volumi finiti.
Effettuare i calcoli (Ansys FLuent)
Coefficiente di portanza, ala standard, =40° Sono state effettuate 18 simulazioni, per una durata media di 120 ore ciascuna.
9 simulazioni per l’ala standard, con bordo d’attacco liscio.
9 simulazioni per l’ala sinusoidale, con protuberanze.
E’ stata inizializzata in tutto il dominio una velocità che garantisse Re=1100 (UAV).
Analizzare i risultati
Analizzare i risultati
Analizzare i risultati
Analizzare i risultati
Il profilo con protuberanze, in sintesi, fornisce:
Portanza più elevata fino all’11% nella zona di stallo e fino all’8% nella zona post-stallo.
Portanza diminuita nella zona pre-stallo, in accordo con la letteratura.
Resistenza invariata, se non lievemente inferiore.
Analizzare i risultati
Si formano vortici in corrispondenza delle protuberanze.
Trasferimento di quantità di moto nello strato limite.
Nascono zone di bassa pressione che generano portanza.
La presenza dei vortici, però, influisce negativamente sulla resistenza aerodinamica.
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