Winglet spiroidale

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI GENOVA
Allievo:
Dario Maestro
Relatore:
Chiar.mo Prof. Alessandro Bottaro
Correlatore:
Dott. Ing. Joel Guerrero
Tesi per il conseguimento della Laurea Triennale in
INGEGNERIA MECCANICA
Marzo 2011
Vortici di fondo ala
Creano due problemi:
 Resistenza aggiuntiva sull’ala: Resistenza indotta
 Hanno elevata intensità e perdurano nell’aria: Influenzano
la frequenza di decolli e atterraggi degli aerei che seguono
 In natura i vortici vengono contrastati dalle Penne Remiganti
 La
scienza che studia le caratteristiche biologiche e
biomeccaniche della natura, come fonte di ispirazione per
migliorie tecnologiche si chiama Biomimetica
Grazie a studi di biomimetica,
per contrastare i vortici e
ridurre la resistenza indotta
sono state sviluppate le
winglets
Oggi vengono studiate configurazioni innovative di
winglets: multi-winglets e winglets spiroidali
La resistenza indotta diminuisce all’aumentare del numero di
elementi di ogni multi-winglet, ma non se ne possono usare
troppi altrimenti aumenta eccessivamente la resistenza d’attrito:
Winglet Spiroidale
Aviation Partners Inc. studia dal 2001 le winglet spiroidali: ha
rilevato riduzioni del consumo di carburante del 6% in volo di
crociera
Oggetto della tesi
Studiare l’effetto di winglets semplici e spiroidali sulla
riduzione della resistenza indotta e dell’intensità
dei vortici di fondo ala
Studio attraverso simulazioni numeriche mediante l’uso
di calcolatori: Computational Fluid Dynamics
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Creazione della geometria e del dominio computazionale
Generazione della griglia di calcolo (mesh)
Impostazione dei parametri per le simulazioni
Simulazioni numeriche
Analisi e rappresentazione dei risultati (post-processing)
Il software utilizzato è Ansys, che si avvale del codice
commerciale Fluent
Creazione geometria
Utilizzo del software Solidworks
Ala di partenza con:
• Profilo NACA 2412
• Apertura alare 4 m
• Corda variabile tra 1 m e 0.79 m
• Angolo diedro 0.2°
All’estremità alare sono state
applicate tre diverse
configurazioni di winglets
Ala base
Estremità alare arrotondata per
avere forme più simili alla realtà e
avere un passagio più graduale tra
intradosso ed estradosso
Ala con winglet semplice
Caratteristiche della winglet:
• Inclinazione di 25° rispetto alla
verticale
• Corda variabile tra 0.79 m e 0.553 m
• Bordo d’attacco inclinato di 28°
rispetto a quello dell’ala
Ala con winglet spiroidale
Caratteristiche della winglet:
• Inclinazione
rispetto
alla
verticale di 25°
• Forma realizzata prendendo
spunto dalle configurazioni
testate da Aviation Partners
Inc.
Dominio di calcolo
Utilizzo di Ansys Designer
• Il dominio computazionale è un parallelepipedo (22 x 14 x 8) m
• Divisione in 4 zone per la creazione della mesh
Condizioni al contorno:
• Inlet di velocità
• Outlet di pressione
• Pareti con effetto di
strato limite
• Pareti senza effetto
di strato limite
• Parete periodica
Creazione della mesh
Utilizzo di Ansys Mesher
• Utilizzo del Patch Conforming Method e dello Sweep
Method, con suddivisione del dominio in tetraedri
• Impostazione di dimensionamenti e griglia appropriata
per la cattura dello strato limite
• Importazione in Fluent e conversione in poliedri
La conversione in poliedri ha permesso:
• Notevole riduzione di elementi
• Migliore risoluzione dei vortici
Creazione della mesh
• Zona attorno
all’ala: mesh
molto fine
• Zona della scia:
mesh fine ed
orientata
• Zone esterne:
mesh che tende al
grossolano per
limitare il numero
di elementi e
velocizzare i calcoli
Sono state realizzate in totale 21 mesh, composte ciascuna da
un numero di elementi compresi tra i 2 e i 2.5 milioni
Metodo risolutivo
Fluent risolve le equazioni di Navier-Stokes e l’equazione di
continuità discretizzandole con un metodo ai volumi finiti
Essendo il moto turbolento, le equazioni di Navier-Stokes
vengono mediate nel tempo e viene aggiunta un’equazione
di chiusura. Il modello turbolento utilizzato è quello di
Spalart-Allmaras
Simulazioni numeriche
E’ stato impostato un calcolo iterativo stazionario
tridimensionale, inizializzando in tutto il dominio una
velocità del flusso in direzione x tale da garantire un
numero di Reynolds pari a 100000.
Sono state effettuate un totale di 21 simulazioni, 7 per ogni
configurazione d’estremità alare studiata, al variare
dell’angolo d’attacco (-2.5°, -1.5°, 0°, 2.5°, 5°, 7.5°, 10°). Le
simulazioni hanno avuto una durata variabile tra le 10 e le
50 ore ciascuna.
Analisi dei risultati (1)
Riduzione della resistenza indotta
• Fluent fornisce i valori dei coefficienti di portanza e resistenza
• Sono stati interpolati i valori del coefficiente di resistenza
ed è stato calcolato il valore di minimo
• Sono stati calcolati i valori del coefficiente di resistenza
indotta e diagrammati
Induced Drag Polar
Winglet semplice:: riduzione della resistenza indotta del 10.8%
• Bolla di ricircolazione ad
angolo d’attacco di 5° e 10°
• Assenza della bolla
angolo d’attacco di 0°
ad
Induced Drag Polar
Winglet semplice:: riduzione della resistenza indotta del 10.8%
Winglet spiroidale: riduzione della resistenza indotta del 23%
Analisi dei risultati (2)
Riduzione dell’intensità dei vortici
• Calcolo del valore massimo della vorticità su piani paralleli ed
equispaziati
posizionati
posteriormente
all’ala
e
perpendicolari al flusso
• Visualizzazioni della vorticità con il Q-criterion
• Visualizzazione della forma dei vortici tramite le traiettorie del
flusso
La vorticità è definita come:
Vengono presentati i valori di vorticità per angolo d’attacco pari a 5°
Visualizzazione della vorticità per ala base,
angolo d’attacco 5°
Visualizzazione della vorticità per ala con winglet
semplice, angolo d’attacco di 5°
Visualizzazione della vorticità per ala con winglet
spiroidale, angolo d’attacco di 5°
Vorticità massima al variare della distanza dal
bordo d’attacco
Riduzione dell’intensità dei vortici rispetto all’ala base:
• A 2 m dal bordo d’attacco del 20.3% per l’ala con winglet semplice e del 24.2%
per l’ala con winglet spiroidale
• A 15 m dal bordo d’attacco del 13.6% per l’ala con winglet semplice e del 15.2%
per l’ala con winglet spiroidale
Visualizzazione con il Q-criterion per ala base,
angolo d’attacco di 5°
Visualizzazione con il Q-criterion per ala con
winglet semplice, angolo d’attacco di 5°
V
Visualizzazione con il Q-criterion per ala con
winglet spiroidale, angolo d’attacco pari a 5°
Traiettorie per ala base, angolo d’attacco
pari a 10°
Traiettorie per ala con winglet semplice, angolo
d’attacco pari a 10°
Traiettorie per ala con winglet spiroidale, angolo
d’attacco pari a 10°
Conclusioni
 Diminuzione massima della resistenza indotta rispetto
all’ala base del 10.8% per l’ala con winglet semplice (si
riscontra l’instaurarsi di una bolla di ricircolazione) e del
23% per l’ala con winglet spiroidale.
 Riduzione massima dell’intensità dei vortici rispetto
all’ala base del 32.6% per l’ala con winglet semplice e
del 28.7% per l’ala con winglet spiroidale (angolo
d’attacco pari a 10°)
 Aumento massimo del lift to drag ratio rispetto all’ala
base del 3.5% per l’ala con winglet spiroidale; nessun
miglioramento per l’ala con winglet semplice
Sviluppi futuri
 Ottimizzazione della winglet semplice per
evitare l’instaurarsi della bolla di ricircolazione
 Ottimizzazione della winglet spiroidale
 Simulazioni a numero di Reynolds più elevato
 Test su prototipi