Simulazioni numeriche su diverse configurazioni di winglets per la riduzione della resistenza indotta

1. Simulazioni numeriche su diverse configurazioni di winglets per la riduzione della resistenza indotta 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

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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 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 Oggetto della tesi

7. 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

8. Ala base Estremità alare arrotondata per avere forme più simili alla realtà e avere un passagio più graduale tra intradosso ed estradosso

9. 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

10. Ala con winglet spiroidale Caratteristiche della winglet: • Inclinazione rispetto alla verticale di 25° • Forma realizzata prendendo spunto dalle configurazioni testate da Aviation Partners Inc.

11. 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

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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.

16. 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

17. Induced Drag Polar Winglet semplice:: riduzione della resistenza indotta del 10.8%

18. Bolladi ricircolazione ad angolo d’attacco di 5° e 10° • Assenza della bolla ad angolo d’attacco di 0°

19. Induced Drag Polar Winglet semplice:: riduzione della resistenza indotta del 10.8% Winglet spiroidale: riduzione della resistenza indotta del 23%

20. 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°

21. Visualizzazione della vorticità per ala base, angolo d’attacco 5°

22. Visualizzazione della vorticità per ala con winglet semplice, angolo d’attacco di 5°

23. Visualizzazione della vorticità per ala con wingletspiroidale, angolo d’attacco di 5°

24. 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

25. Visualizzazione con il Q-criterion per ala base, angolo d’attacco di 5°

26. Visualizzazione con il Q-criterion per ala con winglet semplice, angolo d’attacco di 5°

27. V Visualizzazione con il Q-criterion per ala con winglet spiroidale, angolo d’attacco pari a 5°

28. Traiettorie per ala base, angolo d’attacco pari a 10°

29. Traiettorie per ala con winglet semplice, angolo d’attacco pari a 10°

30. Traiettorie per ala con winglet spiroidale, angolo d’attacco pari a 10°

31. 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

32. 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