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Stallo dinamico della pala del rotore Presentazione Finale dellattività svolta nel corso di studi di dottorato in Aeromobili A Decollo Verticale Dottorando:

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1 Stallo dinamico della pala del rotore Presentazione Finale dellattività svolta nel corso di studi di dottorato in Aeromobili A Decollo Verticale Dottorando: Alex Zanotti Ciclo: XXIV Relatore: Prof. Giuseppe Gibertini

2 Stallo dinamico della pala del rotore Didattica InsegnamentoStatoValutazioneCrediti Partial differential equations and elements of functional analysis SostenutoB5 Aerodynamics and aeroacustics of rotors SostenutoA10 Flight dynamics and aeroelasticity of rotary wings aircraft SostenutoB10 Didattica Formazione di base alla ricerca Formazione specialistica alla ricerca Seminario didatticoStatoValutazioneCrediti Recent Advances in Particle Image Velocimetry SostenutoA10

3 Stallo dinamico della pala del rotore Elenco della produzione scientifica Auteri, F.,Campanardi, G.,Gibertini, G., Macchi, C., Stabellini, A. and Zanotti, A. Wind Tunnel Tests of ERICA Tilt-Rotor Modular Model. XX AIDAA Congress, June 29 – July , Milan, Italy. Auteri, F.,Campanardi, G.,Gibertini, G., Macchi, C., Stabellini, A. and Zanotti, A. Wind Tunnel Tests of a Tilt-Rotor Aircraft, Aeronautical Journal, Vol. 115, N. 1167, 2011, p Auteri, F., G.,Gibertini, G. and Zanotti, A. Wind tunnel boundary conditions In: De Gregorio(ed.) GOAHEAD - A European Initiative on the Experimental and Numerical Analysis of the Flow about Complete Helicopters, Springer Verlag. Inviato allEditor. Quaranta, G., Gibertini, G., Masarati, P., Zanotti, A., Sitaraman, J. Analysis of self-activating aerodynamic devices for stall alleviation, 15 th International Forum of Aeroelasticity and Structural Dynamics, June , Paris, France. Zanotti, A., Auteri, F., Campanardi, G., Gibertini, G. An Experimental Set Up for the Study of the Retreating Blade Dynamic Stall, 37 th European Rotorcraft Forum, September 13-15, 2011, Ticino Park, Italy. Nilifard, R., Guardone, A., Quaranta, G., Zanotti, A., Gibertini, G. Validation of numerical models for the investigation of dynamic stall phenomenon, CEAS 2011-XXI AIDAA Congress, October 24-28, 2011, Venice, Italy. Produzione Scientifica

4 Stallo dinamico della pala del rotore Elenco della produzione scientifica De Bernardi, S., Gibertini, G., Guardone, A., Motta, V., Nilifard, R., Quaranta, G., Zanotti, A. Experimental-Numerical study of small amplitude oscillations of a pitching airfoil, CEAS XXI AIDAA Congress, October 24-28, 2011, Venice, Italy. Zanotti, A., Melone, S., Nilifard, R., DAndrea A. Experimental-Numerical Investigation of the Retreating Blade Dynamic Stall, Memoria accettata per AHS 68th Annual Forum & Technology Display, May , Forth Worth, Texas, USA. Partecipazione a congressi XX AIDAA Congress, October 29/6-3/7 2009, Milan, Italy. 15 th International Forum of Aeroelasticity and Structural Dynamics, IFASD 2011, June , Paris, France. 37 th European Rotorcraft Forum, September, ERF 2011, 13-15, 2011, Ticino Park, Italy. CEAS 2011-XXI AIDAA Congress, October 24-28, 2011, Venice, Italy. Produzione Scientifica

5 Stallo dinamico della pala del rotore Inquadramento della ricerca In volo avanzato, la pala di un elicottero subisce rapide variazioni di incidenza causate dal flappeggio, dal comando di ciclico ed dallinflusso della scia delle pale precedenti. La separazione e lo stallo su una pala sono fenomeni dinamici fortemente dipendenti dal tempo: rapide escursioni di incidenza di ampiezza elevata dovute alla combinazione di due moti armonici in pitch e plunge. La fisica della separazione del flusso e lo sviluppo dello stallo sulla pala retrocedente presenta modalità differenti da quelle mostrate dallo stesso profilo in condizioni stazionarie: Stallo Dinamico. Inquadramento della ricerca

6 Stallo dinamico della pala del rotore Inquadramento della ricerca Effetti dello Stallo Dinamico sulle prestazioni dellelicottero Limitazione della massima trazione e velocità di avanzamento; Rapide e cospicue variazioni dei carichi agenti sulle pale durante la rotazione; Elevate sollecitazioni strutturali sulla pala e sui comandi in beccheggio; Introduzione di un elevato livello di vibrazioni; Limitazione delle capacità di manovra; Danni strutturali alle pale ed ulteriore introduzione di vibrazioni: Stall Flutter. I numerosi effetti negativi provocati dal fenomeno sulle prestazioni di un elicottero sottolineano limportanza dello studio dello stallo dinamico nellambito del progetto aerodinamico ed aeroelastico del rotore Analisi delle prestazioni di sistemi di controllo di tipo passivo ed attivo per lalleviazione degli effetti dello stallo dinamico

7 Stallo dinamico della pala del rotore Fasi di sviluppo ed obiettivi del progetto di ricerca Progettazione e realizzazione del modello di pala e dellattrezzatura per profili oscillanti in beccheggio; Prestazioni dellattrezzatura riproduce la condizione di una sezione di una pala retrocedente di elicottero in scala 1:1 in volo avanzato; Set up di misura dei carichi aerodinamici e del campo di moto (P.I.V.); Estesa campagna di misure in galleria del vento su una sezione di pala con profilo NACA in condizioni statiche e dinamiche. Analisi dettagliata del fenomeno dello stallo dinamico e delle prestazioni della pala retrocedente di un rotore di elicottero; Validazione di modelli CFD; Analisi delle prestazioni di sistemi di controllo passivo (alette di bordo duscita e Gurney flap). Fasi ed obiettivi della ricerca

8 Stallo dinamico della pala del rotore NACA è un profilo di tipico impiego elicotteristico utilizzato in diversi lavori nellambito dello studio dello stallo dinamico (confronto con letteratura) Dimensioni: corda 300 mm, apertura 930 mm (allungamento 3.1) Struttura metallica interna in alluminio costituita da 4 centine collegate da 3 cassoni alari; Gusci in alluminio realizzati a controllo numerico montati sulla struttura interna; Alberi di estremità in acciaio con asse al 25% della corda; End plates per ridurre gli effetti di interferenza dello strato limite delle pareti della galleria del vento; Guscio di mezzeria intercambiabile: misure di pressione (21 prese di pressione) e PIV. Progetto del modello di pala

9 Stallo dinamico della pala del rotore Progetto dellattrezzatura per profili oscillanti Progetto dellattrezzatura per profili oscillanti Struttura di supporto costituita da travi in acciaio e profilati in alluminio; (~ 400 Kg) Galleria del Vento: Sezione di prova rettangolare 1.5 m ×1 m Massima velocità 55 m/s; Intensità di turbolenza <0.1%; Modello di pala montato orizzontalmente in camera di prova ruota attorno allasse degli alberi di estremità alloggiati su cuscinetti a rulli orientabili; Sistema di movimentazione in beccheggio posizionato su un profilo Laboratorio di Aerodinamica DIA

10 Stallo dinamico della pala del rotore Sistema di movimentazione in beccheggio: motore brushless con (10 N·m coppia in uso continuo), riduttore epicicloidale 12:1 e giunto metallico a doppio diaframma; Due encoder montati su un albero di estremità: encoder assoluto digitale per feedback del sistema di controllo; encoder relativo analogico 4096 imp/giro per la posizione del modello; Modello di pala installato nella camera di prova della galleria del vento in modalità PIV. Progetto dellattrezzatura per profili oscillanti Progetto dellattrezzatura per profili oscillanti

11 Stallo dinamico della pala del rotore Sistema di controllo del motore per la movimentazione in beccheggio Motore controllato in velocità tramite un segnale sinusoidale analogico in tensione; Encoder digitale assoluto (EnDat 2.2) fornisce il feedback in posizione al controllo; Controllo proporzionale-derivativo su un periodo T = n/f; Differenza tra la media della storia temporale in posizione del motore in un periodo e lincidenza media del ciclo imposto al modello (Δα m ); Controllo dellampiezza del ciclo di oscillazione (Q α0 ). Sistema di controllo per la movimentazione in beccheggio

12 Stallo dinamico della pala del rotore Misura dei carichi aerodinamici tramite integrazione della pressione Inserto centrale equipaggiato con 21 trasduttori di pressione piezoresistivi ad elevata risposta in frequenza (Kulite); Acquisizione contemporanea dei segnali di pressione con il segnale dellencoder; Periodo di acquisizione pari a 30 cicli di oscillazione completi; Integrazione dei segnali discreti di pressione mediati in fase. Misura dei carichi aerodinamici tramite integrazione della pressione

13 Stallo dinamico della pala del rotore Studio dello stallo statico del profilo NACA Confronto con letteratura (Leishman 1990); Confronto con simulazioni numeriche eseguite con EDGE (URANS full-turbulent modello EARSM k- w ) nellambito di un lavoro di Dottorato IA presso DIA. Studio dello stallo statico del profilo NACA 23012

14 Stallo dinamico della pala del rotore Campagna di misura sul profilo oscillante in beccheggio Campagna di misura sul profilo oscillante in beccheggio Performance del profilo in diverse condizioni tipiche dellinviluppo di volo di un rotore di elicottero; Condizione di volo avanzato di una pala retrocedente di rotore al 75% di apertura in scala 1:1; Analisi degli effetti dei parametri che caratterizzano il ciclo di oscillazione in beccheggio (incidenza media, ampiezza e frequenza ridotta). Regimi di Stallo Dinamico Light Dynamic Stall: si verifica quando si raggiunge un valore massimo di incidenza di poco superiore al valore di stallo statico del profilo; Deep Dynamic Stall: si verifica quando α m è simile allincidenza di stallo statico del profilo ed α 0 assume valori cospicui (> 5°). 5°< α m <15° 2°< α 0 <10° 0.05< k <0.1

15 Stallo dinamico della pala del rotore Risultati delle misure di pressione non stazionarie in stallo dinamico Effetto dellangolo di incidenza media del ciclo Risultati delle misure di pressione in stallo dinamico α(t) = 5°+ 10°sin(2πft) k = 0.1, Re = 1e6 Light Dynamic Stall: Separazione del flusso di piccola entità; Flusso attaccato al profilo per gran parte del ciclo di oscillazione in beccheggio; Isteresi dei carichi aerodinamici piccola; Deep Dynamic Stall: Separazione e formazione di vortici; Flusso separato per gran parte del ciclo di oscillazione in beccheggio; Isteresi dei carichi aerodinamici cospicua; Ritardo dello stallo del profilo rispetto alla condizione stazionaria; Aumento non lineare della portanza (DSV); Ritardo dello stallo del C L rispetto al C M. Deep Dynamic Stall: Formazione di vortici secondari. α(t) = 10°+ 10°sin(2πft) k = 0.1, Re = 1e6 α(t) = 15°+ 10°sin(2πft) k = 0.1, Re = 1e6 α(t) = 20°+ 10°sin(2πft) k = 0.1, Re = 1e6

16 Stallo dinamico della pala del rotore Risultati delle misure di pressione non stazionarie in stallo dinamico Confronto con la letteratura (Leishman 1990) Risultati delle misure di pressione in stallo dinamico Diverso numero di Reynolds e set-up di prova con maggiore bloccaggio. Leishman set-up: c = 0.55 m; Sezione camera 2.13 m × 1.61 m ottagonale

17 Stallo dinamico della pala del rotore Risultati delle misure di pressione non stazionarie in stallo dinamico Confronto con simulazioni numeriche (EDGE full-turbulent con due modelli EARSM k- w ) Risultati delle misure di pressione in stallo dinamico α(t) = α m + 10°sin(2πft) k = 0.1, Re = 1e6

18 Stallo dinamico della pala del rotore Software di gestione PIV Software di gestione della strumentazione PIV Controllo della sincronizzazione dellemissione dei due laser con lesposizione delle immagini della telecamera comandato da un trigger generato in corrispondenza di α del modello in cui si vuole effettuare la misura

19 Stallo dinamico della pala del rotore Laser Nd-Yag a doppio impulso (200 mJ di energia e 532 nm lunghezza donda); Laser montato su un traverso ad asse longitudinale per centrare la lama laser sulla finestra di misura; Lama laser passa attraverso unapertura sul tetto in mezzeria del modello; Telecamera double-shutter con sensore CCD 1280 × 1024 pixel; Telecamera montata su una piastra ad L collegata ad un sistema di traversing a due assi ortogonali; Campo di misura composto da 4 finestre 104×83 mm che percorrono la corda del profilo sul dorso. Misure PIV sul dorso del profilo Misura PIV sul dorso del profilo NACA 23012

20 Stallo dinamico della pala del rotore Misure PIV sul dorso del profilo Misura PIV sul dorso del profilo NACA k = 0.1, Re = 6e5

21 Stallo dinamico della pala del rotore Misure P.I.V. sul dorso del profilo Misura P.I.V. sul dorso del profilo NACA α = 0° Upstroke α(t) = 10°+ 10°sin(2πft) k = 0.1, Re = 6e5 NACA α = 2° Upstroke α = 4° Upstroke α = 6° Upstroke α = 8° Upstroke α = 10° Upstroke α = 12° Upstroke α = 14° Upstroke α = 16° Upstroke α = 18° Upstroke α = 19° Upstroke α = 20° Upstroke α = 19° Downstroke α = 18° Downstroke α = 16° Downstroke α = 14° Downstroke α = 12° Downstroke α = 10° Downstroke α = 8° Downstroke α = 6° Downstroke α = 4° Downstroke α = 2° Downstroke α = 0° Upstroke

22 Stallo dinamico della pala del rotore Misure P.I.V. sul dorso del profilo Misura P.I.V. sul dorso del profilo NACA α(t) = 15°+ 10°sin(2πft) k = 0.1, Re = 6e5 NACA α = 18° Upstroke α = 20° Upstroke α = 21° Upstroke α = 23° Upstroke α = 24° Upstroke α = 25° Upstroke

23 Stallo dinamico della pala del rotore I dispositivi di controllo attivi necessitano di una potenza disponibile nel sistema rotante non trascurabile e di un sistema di controllo per comandarne lattivazione, introducendo quindi un notevole aumento della complessità di realizzazione della pala. Studio di sistemi di controllo passivo Studio di sistemi passivi per il controllo dello stallo dinamico Per questo motivo i sistemi di tipo passivo rappresentano una soluzione molto attraente in quanto non necessitano di potenza per lattuazione ed hanno costi di realizzazione sicuramente più bassi rispetto a sistemi di tipo attivo.

24 Stallo dinamico della pala del rotore (Meyer et al. 2007) Meccanismo del Pop-up flap 1)La separazione al bordo duscita produce un flusso controcorrente che genera lapertura del flap; 2)lapertura del flap produce un parziale riattacco del flusso ritardando lo stallo; 3)a bassi angoli di incidenza il flusso rimane attaccato ed il flap rimane chiuso senza produrre effetti. Pop-up flap

25 Stallo dinamico della pala del rotore Analisi sperimentale degli effetti di alette di bordo duscita Analisi sperimentale di alette di bordo duscita α(t) = 10°,15°+ 10°sin(2πft) k = 0.1, Re = 6e5 Due profili provati: NACA e NACA 23015

26 Stallo dinamico della pala del rotore Due configurazioni di spoiler provate: Spoiler costituito da un foglio di alluminio di spessore 0.6 mm con corda pari all8% della corda del profilo, incernierata al 91% c a partire dal bordo dattacco; Spoiler ad L realizzato in fibra di carbonio che termina sul bordo duscita del profilo come un Gurney flap (corda 25 mm, altezza Gurney 5 mm) ; Moto dello spoiler ad L regolato sulla frequenza di oscillazione del profilo (verifica con sistema immagini PIV). Analisi sperimentale degli effetti di alette di bordo duscita α(t) = 10°,15°+ 10°sin(2πft) k = 0.1, Re = 6e5 Analisi sperimentale di alette di bordo duscita

27 Stallo dinamico della pala del rotore Analisi sperimentale degli effetti di alette di bordo duscita Analisi sperimentale di alette di bordo duscita Spoiler liberi non producono effetti significativi sui carichi aerodinamici misurati rispetto alla configurazione pulita; Angoli di apertura piccoli durante loscillazione del profilo in beccheggio. α(t) = 10°+ 10°sin(2πft) k = 0.1, Re = 6e5 NACA 23012

28 Stallo dinamico della pala del rotore Analisi sperimentale degli effetti di alette di bordo duscita Analisi sperimentale di alette di bordo duscita α(t) = 15°+ 10°sin(2πft) k = 0.1, Re = 6e5 NACA Spoiler liberi non producono effetti significativi sui carichi aerodinamici misurati rispetto alla configurazione pulita; Angoli di apertura piccoli durante loscillazione del profilo in beccheggio.

29 Stallo dinamico della pala del rotore Analisi sperimentale degli effetti di alette di bordo duscita Analisi sperimentale di alette di bordo duscita α(t) = 10°+ 10°sin(2πft) k = 0.1, Re = 6e5 NACA Spoiler liberi non producono effetti significativi sui carichi aerodinamici misurati rispetto alla configurazione pulita; Angoli di apertura piccoli durante loscillazione del profilo in beccheggio.

30 Stallo dinamico della pala del rotore Analisi sperimentale degli effetti di alette di bordo duscita Analisi sperimentale di alette di bordo duscita α(t) = 10°+ 10°sin(2πft) k = 0.1, Re = 6e5 NACA Spoiler liberi producono un ritardo dello stallo ad unincidenza maggiore in upstroke rispetto alla configurazione pulita; Non introducono effetti significativi sullisteresi e sul picco del momento di beccheggio.

31 Stallo dinamico della pala del rotore Analisi sperimentale degli effetti di un Gurney flap Analisi sperimentale di un Gurney flap Aumento della portanza per tutto il moto di upstroke del profilo (15%). Per la configurazione con Gurney flap, i picchi del coefficiente di pressione sono maggiori su un intervallo di incidenze più estese durante lupstroke. Efficienza maggiore ad incidenza moderata durante lupstroke prodotta da un basso aumento della resistenza di pressione dovuto al Gurney flap rispetto al cospicuo incremento di portanza.

32 Stallo dinamico della pala del rotore Analisi sperimentale degli effetti di un moto di beccheggio a frequenza superiore Analisi di un moto di beccheggio a frequenza superiore Sovrapposizione di unoscillazione in beccheggio con ampiezza 1° a frequenza pari alla 5/giro (effetti di elasticità della pala durante un ciclo di rotazione).

33 Stallo dinamico della pala del rotore Analisi sperimentale degli effetti di un moto di beccheggio a frequenza superiore Analisi di un moto di beccheggio a frequenza superiore Ritardo dello stallo ad unincidenza maggiore in upstroke (velocità angolare maggiore attorno allincidenza di separazione); Riduzione del picco del coefficiente di momento in beccheggio (9%).

34 Stallo dinamico della pala del rotore Misura della resistenza aerodinamica del profilo oscillante Calcolo della resistenza del profilo oscillante a partire dalla misura delle componenti di velocità in scia attraverso lutilizzo delle equazioni che governano il moto del flusso. Equazione integrale di Navier-Stokes per un dominio 2D in direzione x: Misura della resistenza quantità di moto Misura di u e v tramite sonde anemometriche a filo caldo ad X (traverso di scia).

35 Stallo dinamico della pala del rotore Conclusioni e sviluppi futuri Validazione delle prestazioni dellattrezzatura di prova per profili oscillanti e delle tecniche di misura; Analisi dettagliata del fenomeno dello stallo dinamico e delle prestazioni del profilo NACA 23012; Validazione di modelli CFD bidimensionali; Analisi degli effetti di dispositivi di controllo di tipo passivo su due modelli di pala (NACA23012 e NACA23015); Confronto dei risultati sperimentali con modelli CFD più sofisticati (DES) e modelli tridimensionali che riproducono lesperimento in galleria del vento; Post-processing delle misure in scia per la valutazione della resistenza aerodinamica.

36 Stallo dinamico della pala del rotore Indice della tesi


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