Ali biomimetiche per l'ottimizzazione della portanza 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.

I primi risultati Portanza massima più elevata. 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 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) Sono state create due ali con un codice CAD basate sul profilo NACA 0012. h Corda = 1 m Apertura alare = 1 m Ampiezza sinusoide= 0,05 m

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

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) 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.

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°

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.

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

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

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

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

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

Conclusioni Risultati Sviluppi futuri 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.

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

Se Q>0, domina l’effetto della rotazione locale. 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.

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