Lezione 4: I profili alari e le forze aerodinamiche

Corso di MECCANICA DEL VOLO
Modulo Prestazioni
Lezione 4: I profili alari e le forze
aerodinamiche
Prof. D. P. Coiro
coiro@unina it
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Corso di Meccanica del Volo - Mod. Prestazioni - Prof. D. Corio - Intro Il Velivolo
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INTRODUZIONE AI FLUSSI VISCOSI
Gradienti di pressione (Pressure gradients)
FAVOREVOLE – la regione
con pressione decrescente
cresce V
decresce P
AVVERSO - la regione con
Pressione crescente
decresce V
cresce P
BERNOULLI
dP  0
dx
dP  0
dx
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INTRODUZIONE AI FLUSSI VISCOSI
Flusso separato (Separated flow)
Analogamente , per questo profilo alare.
alare
Il flusso separato da origine ad una seconda fonte di
resistenza, la resistenza di ppressione o di scia ((wake drag).
g)
Scia del flusso separato
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INTRODUZIONE AI FLUSSI VISCOSI
Anche un profilo (che è sottile) ed
aerodinamicamente di bassa resistenza
( tt it ) add alta
(attrito)
lt incidenza
i id
presenta
t separazione
i
e RESISTENZA DI PRESSIONE o SCIA
Quindi la resistenza chiaramente dipende
anche dall’assetto che il corpo ha con la
corrente
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INTRODUZIONE AI FLUSSI VISCOSI
Flusso separato (Separated flow)
La separazione ad alti angoli di attacco per I profili ha
i
importanti
i conseguenze; produce
d
lo
l STALLO.
S A O
S
Separazione
i
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PROFILI ALARI
P( x)  P
C p ( x) 
2
1 / 2  V
Cp: Coefficiente di Pressione locale
Distribuzione di pressione
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PROFILI ALARI
Distribuzione di pressione
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PROFILI ALARI
P( x)  P
C p ( x) 
2
1 / 2  V
Cp: Coefficiente di Pressione locale
Distribuzione del coefficiente di pressione
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FORZE AERODINAMICHE
FORZA TOTALE= FORZE DI PRESSIONI + FORZE DI ATTRITO
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FORZE RISULTANTI
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Interpretazioni della
d ll Portanza
Il restringimento del tubo di
flusso sul dorso del profilo
comportano, per il principio di
conservazione della massa, una
velocità maggiore di quella
asintotica
Per il principio di Bernoulli la
pressione sul dorso sarà q
p
quindi
minore di quella asintotica e di
quella sul ventre per cui sul
profilo si esercita una forza
p
verso l’alto.
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U ’ l Interpretazione
Un’altra
I
i
delle
d ll
Portanza
F
F
F
In base al principio d’inerzia se un
fl
flusso
d’aria
d’ i viene
i
d
deviato
i t su di esso è
stata sicuramente esercitata una forza.
Per il p
principio
p di Azione e Reazione ad
ogni azione corrisponde una reazione
uguale e contraria.
In base a questo principio sull
sull’ala
ala sarà
esercitata una forza uguale e contraria
a quella esercitata dall’ala per deviare
il fl
flusso.Tale
T l fforza può
ò essere
scomposta in una forza ortogonale alla
direzione del vento (Portanza
Portanza)), ed una
parallela (Resistenza
Resistenza)).
Portanza Forza Aerodinamica
Resistenza
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La Portanza
F
F
Si di
dimostra che
h la
l Portanza
P
prodotta
d
d
da un profilo
fil aerodinamico
di
i
è funzione:
– della forma e dell’angolo
g
d’attacco (C
( L)
– dalla densità del fluido (ρ)
– dalla velocità del fluido (V)
– dalla superficie alare (A)
Portanza = CL ½ ρ V2 A
– CL: si può calcolare analiticamente,
analiticamente
numericamente o sperimentalmente ed è
funzione della forma del profilo e dell’angolo
f
formato
t d
dalla
ll corda
d del
d l profilo
fil con la
l di
direzione
i
della corrente indisturbata detto angolo
d’attacco. Tale coefficiente è adimensionale.
d’attacco
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La Portanza
F
Verifichiamo che il CL è un coefficiente adimensionale:
adimensionale
m
K  2
Kg
N
1
Por
tan
za
s


Portanza   V2CLS  CL 
1
Kg m2 2 Kg m2 2
2
2
 V S
 2 m
 2 m
3
3
2
m s
m s
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FORZE AERODINAMICHE
Per dato corpo (forma geometrica)
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Caratteristiche del profilo
F
F
F
F
Il Profilo è definito come la sezione
longitudinale ottenuta con
ll’intersezione
intersezione dell’ala
dell ala con un piano
parallela al piano di simmetria del
velivolo
Angolo di calettamento:
calettamento è l’angolo
l angolo
formato tra la corda del profilo e la
linea di riferimento dell’aereo.
Corda: è la linea immaginaria che
Corda
unisce il bordo d’attacco ed il bordo
di uscita del profilo.
Freccia: è la massima distanza tra la
Freccia
linea media e la corda del profilo
calcolata ortogonalmente alla corda
stessa.
stessa
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PROFILI ALARI
z
S
Spessore
massimo
i
(M thickness)
(Max
hi k
)
Massima curvatura (Max camber)
Li
Linea
media
di
x
Linea della corda
Corda
x=0
Leading edge
Bordo d’attacco
d attacco
x=c
Trailing edge
B d di uscita
Bordo
it
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Caratteristiche del profilo
F
F
F
Linea media:
media è la linea
immaginaria formata dai punti
medi dei segmenti intercettati
t il d
tra
dorso ed
d il ventre
t d
dell
profilo ortogonali alla corda.
Spessore
p
massimo il maggiore
massimo:
gg
dei segmenti intercettati tra il
dorso ed il ventre del profilo
ortogonali alla corda.
Centro di pressione:
pressione è il punto
di applicazione della forza
aerodinamica
di
i ttotale
t l agente
t sull
profilo, la sua posizione è
funzione dell’angolo d’attacco.
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PROFILI ALARI
F
Forze
e momenti
ti
Portanza
Momento
+
V

F
Forza
aerodinamica
di
i complessiva
l i
Resistenza
Vento relativo
Angolo d’attacco ( : angolo tra la velocità relativa e la corda
Note:
1) La portanza è perpendicolare alla velocità della corrente indisturbata
2) Resistenza è parallela
3) Il momento è positivo se cabrante
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PROFILI ALARI
Momento aerodinamico
y
M1
+
V

x
M2
+
Nota: La forza ed il momento possono essere rappresentati
rispetto a qualsiasi punto sulla corda.
La forza non cambia, ma il momento dipende assolutamente dal
punto rispetto al quale si decide di valutarlo
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PROFILI ALARI: Portanza, Resistenza, Forza Normale e Forza Assiale
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PROFILI ALARI
Centro di pressione
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PROFILI ALARI
Il centro di pressione si sposta sul profilo
al variare dell’angolo d’attacco.
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Caratteristiche del profilo
F
F
F
P t di ristagno:
Punto
ristagno
i t
è un
punto sul bordo d’attacco
del profilo dove la velocità
del fluido è nulla.
nulla
All’aumentare dell’angolo
d’attacco tende a spostarsi
sul ventre del profilo in
direzione del bordo
d’uscita.
Downwash: flusso a valle
Downwash
del profilo deviato verso il
basso.
Upwash: flusso a monte del
Upwash
punto di ristagno deviato
verso l’alto.
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PROFILI ALARI
Andamento dei coefficienti aerodinamici
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PROFILI ALARICoeff. Portanza (Lift): cl  l
q S
Nota: coefficienti adimensionali
Coeff. Resistenza (Drag): cd 
d
q S
Coeff. Momento(Moment):cm 
m
q Sc
Il coefficiente di portanza ha un legame lineare con ll’angolo
angolo dd’attacco
attacco fino a che
non sopraggiungono separazioni e si entra in regime non-lineare.
Il gradiente della retta di portanza misura all’incirca 0.10 [1/deg] per quasi tutti i
profili
fili (sottili).
( ttili) Il valore
l
del
d l coefficiente
ffi i t di portanza
t
massimo
i allo
ll stallo
t ll varia
i tra
t 1.3
13
ed 1.7 per profili normalmente usati in aviazione e numeri di Reynolds tra 3 e 9
milioni.
Sempre ad usuali Reynolds di impiego (tra 6 e 9 milioni) il coefficiente di resistenza
di un profilo ha valori compresi tra 0.004-0.005 (profili con elevata estensione di
flusso laminare) e 0.006-0.008 (profili turbolenti).
Il coefficiente di momento rispetto al centro aerodinamico è negativo (cioè
picchiante) per profili a curvatura positiva ed è tanto più forte quanto più il profilo è
profili
f normalmente utilizzati sui velivoli il valore varia tra –0.02 (p
(profili
f
curvo. Per p
poco curvi) e –0.10 (profili abbastanza curvi).
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PROFILI ALARI
ao = circa
i 0.10-0.11
0 10 0 11 [1/deg]
[1/d ]
Alfa zero lift dip. dalla curvatura
(0, -2°, fino a -5°)
alfa di fine linearità (tra 7-10°)
Cl ma
max:: massimo coefficiente di
portanza allo stallo (1.3-2.0),
dipende da curvatura del profilo,
forma del l.e.
l e e Reynolds.
Reynolds
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Effetti del numero di Reynolds
Ad alti numeri di Reynolds lo strato limite riesce a fluire laminare
per una minore estensione. Quindi lo strato limite diventa
turbolento(attraverso la transizione) in posizione anticipata sul
corpo. In generale lo strato limite ad alti Reynolds diventa quindi
ppiù resistente alla separazione.
p z
Ritardata separazione comporta stallo ad alfa maggiori e minore
resistenza di pressione (scia).
cd
cl

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cl
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PROFILI ALARI
PROFILO NACA 4418
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