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Università degli studi di Genova Ali biomimetiche per l'ottimizzazione della portanza Relatori: Chiar.mo Prof. Alessandro Bottaro Ing. Joel Guerrero Allievo:

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1 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

2 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.

3  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.

4 Portanza F L e resistenza F D sono componenti della forza risultante F R agente su un generico profilo alare. Negli esperimenti sui modelli di pinna di Megattera sono stati studiati i rispettivi coefficienti adimensionali C L e C D. ρ è la densità del fluido, V la velocità del flusso imperturbato e A è l'area dell'ala in pianta per  =0°.

5 C L e C D 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,  è la viscosità cinematica.

6 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

7 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.

8 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).

9 Creare la geometria e il dominio computazionale (Solidworks e Ansys Geometry) Sono state create due ali con un codice CAD basate sul profilo NACA h Corda = 1 m Apertura alare = 1 m Ampiezza sinusoide= 0,05 m

10 Creare la geometria e il dominio computazionale E’ stato creato il dominio computazionale (35x20x1)  Inlet di velocità  Pareti senza effetto di strato limite.  Pareti con effetto di strato limite.  Pareti periodiche  Outlet di pressione

11 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.

12 Generare la griglia di calcolo (Ansys Mesher) Visualizzazione della griglia su una faccia periodica; si noti l’affinamento della griglia nel rettangolo.

13 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.

14 Scegliere il metodo risolutivo (Ansys Fluent) Fluent risolve le equazioni di Navier-Stokes insieme a quella di continuità discretizzandole con un metodo a volumi finiti. E’ stato impostato un calcolo iterativo non stazionario con tecnica implicita e passo di tempo  t=0.2 s.

15 Effettuare i calcoli (Ansys FLuent)  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). Coefficiente di portanza, ala standard,  =40°

16 Analizzare i risultati

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19 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.

20 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.

21 Visualizzazione con il Q-criterion del profilo standard con  =20° (Tecplot360)

22 Si notano effetti tridimensionali: le linee di corrente si destabilizzano, non sono più monodirezionali e danno luogo a fenomeni tempovarianti.

23 Le linee di corrente mostrano andamento simile a quelle riscontrate da Custodio con il colorante. Le quattro visualizzazioni sono di ali ad  =0°

24 Visualizzazione della scia, per il profilo sinusoidale,  =20°.  =20°  =70°

25 Visualizzazione della scia, per il profilo sinusoidale,  =70°.

26 Conclusioni Risultati  Portanza notevolmente maggiore (10%) nella fase post-stallo.  Resistenza invariata. Si prospetta un utilizzo in micro-velivoli o in applicazioni che debbano necessariamente passare attraverso lo stallo. Sviluppi futuri  Simulazioni per numero di Reynolds più elevato.  Studi sull’effetto della lunghezza d'onda e dell'ampiezza delle protuberanze.

27 Conclusioni La WhalePower Co. attualmente produce ventilatori industriali e pale eoliche con la tecnologia dei tubercoli. La richiesta sta rapidamente crescendo.

28 Tensore della velocità di rotazione Tensore della velocità di deformazione Q è indice della “competizione” tra la velocità di rotazione e deformazione. Se Q>0, domina l’effetto della rotazione locale.

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30 Estrapolazione di Richardson r : grado di raffinamento. p : ordine di convergenza. f : valori associati alle griglie 1 e 2.


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