Aerodinamica di strutture lignee centinate
ed intelate
Ing. Raffaele LUGLI da Martin H www.mh-aerotools.de
Introduzione
Nella costruzione amatoriale, i così detti Homebuilt, spesso la tecnologia costruttiva
prevede l’utilizzo di strutture alari e di fusoliera le cui superfici aerodinamiche vengano
realizzate mediante l’intelatura di uno scheletro costituito da centine, ordinate e
longheroni/listelli.
Questa soluzione, usualmente, è economica e semplice da realizzare ed offre strutture
di basso peso ma dal punto di vista aerodinamico tale soluzione può evidenziare
fenomeni insoliti. Infatti, se in corrispondenza delle centine la geometria del profilo
aerodinamico è garantita dalla rigidezza delle centine stesse, altrettanto non si ottiene
fra due centine consecutive. In questa zona intermedia si formano, delle “sacche” la
cui geometria non è ne controllabile ne conosciuta a priori.
Nel seguito, i dati sperimentali e/o numerici riportati faranno riferimento a bassi numeri
di Reynolds e quindi direttamente utilizzabili nel campo del modellismo, in quanto
disponibili in letteratura, ma i concetti di base esposti e la procedura di analisi sono
estendibili anche ai Reynolds usualmente raggiunti dai velivoli ULM nei tradizionali regimi
di volo.
Schematizzazione della Geometria
La tipica architettura strutturale utilizzata, è costituita da centine longitudinali incollate
ad un cassone di bordo d’attacco e ad un longherone di bordo d’uscita. Mentre il
cassone è rivestito spesso in compensato (betulla, okumè) la rimanente superficie alare
è rivestita in un materiale flessibile (Dacron, Tela) supportato solamente dalle centine,
almeno nella zona compresa fra il cassone ed il longherone posteriore.
In realtà, la forma della superficie alare compresa fra due centine successive ed in
corrispondenza dei box di bordo d’attacco e bordo d’uscita, dipende sostanzialmente
dal tipo di materiale utilizzato nel rivestimento.
La via più semplice per simulare la presenza delle “sacche” fra centina e centina è
quella di utilizzare un modello semplificato di quello che accade nella realtà (come
spesso si fa nell’ingegneria). Sul profilo bidimensionale, la presenza della sacca può
essere schematizzata come riportato in figura n°1. Questa sarà la forma del nuovo
profilo aerodinamico compreso fra due centine consecutive.
Fig. 1: Sezione alare, si evidenzia la non linearità della distribuzione della sacca lungo la
corda.
La presenza delle centine, spaziate lungo la direzione dell’apertura alare, impone
all’andamento delle varie sacche una forma del tipo di quella riportata in figura n°2,
la
forma reale delle sacche, non è quindi costante, ne in apertura ne lungo la corda, il
fattore di sacca, sarà quindi compreso fra 0-100%. Nelle successive analisi, riportate in
letteratura [1], si è assunto un fattore di sacca massimo del 60% fra due centine
consecutive.
Fig. 2: Vista frontale dell’ala, illustrazione della distribuzione delle sacche lungo l’apertura
alare
Schematizzazione dell’aerodinamica
Nel seguito verranno descritte due analisi condotte col fine di chiarire alcuni fenomeni
aerodinamici legati alla presenza delle sacche fra centina e centina. Si riporteranno
inizialmente i risultati di un’analisi tridimensionale e successivamente quelli dell’analisi
bidimensionale riportati in letteratura [1].
Analisi Tridimensionale
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Il modello dell’ala.
Per indagare la distribuzione di pressione tridimensionale sull’ala e la possibilità che si
verifichino flussi trasversali (lungo l’apertura alare), è stato modellato un segmento di
ala costituito da cinque centine distanziate fra loro del 25% della corda, figura n° 3.
La superficie così impostata è stata utilizzata per creare una griglia su di essa che
permettesse la soluzione delle equazioni di Eulero, trascurando gli effetti dello strato
limite.
Fig. 3: Porzione di ala rivestita utilizzata per la simulazione numerica..
Distribuzione di pressioni.
Nella figura n°4 è stato riportato il risultato dell’analisi condotta sul segmento alare
all’incidenza di 10°, si possono notare le irregolarità prodotte dalla presenza delle
sacche e delle centine. I risultati dell’analisi tridimensionale confermano quanto ricavato
da quella bidimensionale riportata successivamente.
Le pieghe esistenti fra le sacche e le centine, creano dei forti picchi di aspirazione che
possono essere facilmente individuati nella figura anche in corrispondenza della
discontinuità fra il box di bordo d’attacco e bordo d’uscita e la sacca. Dietro la grossa
depressione di bordo d’attacco, vi è una zona concava nell’andamento delle pressioni
che può comportare un avanzamento della “bolla” di separazione dello strato limite.
Fig. 4: Distribuzione del coefficiente di pressione, cp, sulla superficie del segmento alare esaminato
a
10° di incidenza. Sono visibili diversi picchi di depressione in corrispondenza delle discontinuità
della
geometria.
Flusso trasversale
Come evidenziato dalla figura n°4, delle particelle di fluido che si muovono lungo due
centine, “vedono” al loro fianco due zone a pressione inferiore, questo introduce nel
flusso una tendenza a muoversi verso il centro della sacca. Si genera così un flusso
circolatorio trasversale con componenti di velocità molto piccole, circa il 0.25% della
velocità di volo. Non è del tutto chiaro cosa si verifichi dentro la bolla di separazione
dello strato limite, dove le velocità lungo la corda sono anch’esse piccole e comparabili
con quelle trasversali.
Analisi bidimensionale
Partendo dai risultati dell’analisi tridimensionale, è stata condotta una analisi di
dettaglio bidimensionale in cui è stato incluso l’effetto della viscosità dell’aria
utilizzando il codice numerico XFOIL. L’analisi è stata condotta per lo stesso profilo
a
due Reynolds diversi, i risultati, in forma grafica sono riportati in figura n°5 e sono
commentati di seguito.
Fig. 5: Polari del profilo MH 42 a differenti fattori di sacca e due diversi numeri di Reynoldds.
La linea
tratteggiata fa riferimento alla presenza di un turbolatore (T.U.) posizionato al 25% della corda sul
dorso del profilo originale.
Caso 1: Re=100'000, incidenza = 3° (Cl = 0.55)
· La curva polare per il profilo originale (0% sacca), evidenzia la dipendenza della
separazione laminare ai coefficienti di portanza medi. Questa bolla è presente anche a
bassi valori di CL ma è molto contenuta e quindi causa solamente un piccolo incremento
di resistenza.
· Incrementando il fattore di sacca al 20%, la resistenza addizionale dovuta alla
separazione a bolla decresce e la transizione si muove verso il bordo d’uscita.
· Quando il fattore di sacca è aumentato fino al 40%, la resistenza rimane pressoché inalterata,
si evidenzia invece una piccola riduzione
della resistenza ai bassi valori del CL.
· Ad un valore del 60% del fattore di sacca, cioè nella mezzeria fra le due centine, la
resistenza a bassi valori del CL diminuisce in maniera concreta ma il gradiente
di pressione avverso causa una
separazione laminare in prossimità del box di bordo d’attacco. Questa, si sviluppa in una
bolla di separazione e conseguentemente in una transizione anticipata che causa un
incremento di resistenza a valori più elevati del CL
Nel range di valori del CL intorno a 0.55 e Reynolds di circa 100'000, la presenza
della
sacca non introduce molto disturbo al campo aerodinamico ma agisce invece come un
efficiente turbolatore.
Fig. 6: Separazione e transizione laminare-turbolenta della bolla di separazione per il profilo MH
42 a
differenti fattori di sacca.Il coefficiente di portanza è approssimativamente costante e pari a
0.55.
Integrando i risultati bidimensionali in uno schema spaziale, si può descrivere la
complessità della forma della bolla di separazione indotta dalla presenza della sacca.
(figura n° 7).
Fig. 7: Schema della forma della bolla di separazione in strutture che presentano sacche nel
rivestimento alare
Nonostante la bolla di separazione laminare si muova ed avanzi, a causa della sacca, di
circa il 20% della corda, la variazione del coefficiente di resistenza fra le centine è
ridotta. La resistenza del profilo originale decresce allontanandosi dalle centine, poiché
la bolla avanza e si assottiglia a causa delle discontinuità indotte dalla presenza della
sacca. Avvicinandosi alla mezzeria della distanza fra due centine consecutive, la
resistenza aumenta leggermente.
Caso 2: Re=100'000, incidenza=-2° (Cl=0.05)
Riducendo l’incidenza di prova, la bolla di separazione si sposta verso il bordo d’uscita
del profilo, figure 8. Un incremento del fattore di sacca sembra avere effetti positivi
sulla separazione laminare, che di fatto, pareggiano il disturbo di fattori di sacca
superiori al 40%, ai quali lo strato limite laminare si separa praticamente in
corrispondenza del bordo d’uscita.
Fig. 8: Posizione della separazione e trnsizione con diversi fattori di sacca
La resistenza complessiva è globalmente ridotta a tutti i fattori di sacca,
sorprendentemente anche a valori del 60%. In questi casi, la distribuzione concava
delle pressioni sembra essere responsabile del sottile strato limite laminare che si
estende fino al bordo d’uscita.
Fig. 9: Polare del profilo inalterato (0% sacca) e di quello modificato
Conclusioni
· Non sembra facile trarre conclusioni generali dai risultati riportati in precedenza.
Sembra che la presenza delle sacche fra le centine induca un effetto benefico ai
numeri di Reynolds esaminati.
· Ad alti numeri di Reynolds il coefficiente di resistenza aumenta per un range ampio del
CL.
· E’ importante evidenziare che l’analisi condotta, vale per profili simili a quello
esaminato ma non per altre classi di profili che si discostino radicalmente da questo.
· La variazione del coefficiente di resistenza lungo l’apertura alare risulta trascurabile.
· Analisi future potranno investigare valori più elevati del numero di Reynolds onde poter
trarre delle conclusioni direttamente applicabili ai velivoli Ultraleggeri o dell’aviazione
generale.
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