Analisi numerica delle prestazioni di un profilo laminare di nuova progettazione
Autore
Attilio Marinò - Università degli Studi di Napoli - Federico II - [2002-03]
Documenti
Abstract
In questo lavoro sono state valutate le prestazioni aerodinamiche di un profilo alare laminare progettato per condizioni di crociera transoniche; si tratta di una nuova geometria alare disegnata dalla Piaggio Aero Industries S.P.A. e dal Centro Italiano di Ricerche Aerospaziali, denominato P1xx, da considerarsi come profilo base di una famiglia di ali per un velivolo in progettazione. Le simulazioni sono realizzate con il codice FLOSIM, sviluppato nel corso di questi anni nel Dipartimento di Progettazione Aeronautica dell'Università di Napoli, che effettua la risoluzione delle equazioni di Navier-Stokes mediate alla Reynolds (RANS).
La generazione della geometria e la previsione delle prestazioni hanno richiesto da parte del progettista avanzate tecniche di ottimizzazione e di modellazione dei fenomeni aerodinamici, soprattutto in considerazione del fatto che la collocazione della zona di transizione è di fondamentale rilevanza, come vedremo, durante la progettazione di profili laminari, in quanto dalla posizione della transizione derivano forze d'attrito di diversa entità e rischi di separazione della vena fluida sul bordo d'attacco (bolla laminare) o ai piedi dell'onda d'urto.
A tal riguardo, viene mostrata la peculiarità del codice utilizzato di poter effettuare la previsione della transizione senza necessitare (come avviene in altri codici) di indicazioni esplicite da parte dell'utente; tuttavia per utilizzare questa capacità è stata necessaria una campagna di delicate calibrazioni numeriche. Il lavoro presenta quindi anche parti di carattere prettamente numerico, nelle quali vengono analizzati e paragonati i risultati ottenuti con l'utilizzo di due modelli di turbolenza di attuale interesse per l'aerodinamica computazionale, individuando le impostazioni ottimali per condurre le simulazioni.
In parallelo a questa analisi numerica, viene anche svolta una completa analisi delle prestazioni del profilo Piaggio P1xx, simulando dapprima condizioni di crociera e di alta portanza, indicate come condizioni di design, al fine di valutare il meccanismo di stallo, il massimo valore di Cl, la resistenza aerodinamica in crociera. Successivamente vengono condotte anche simulazioni off design, per la valutazione di curve di drag rise, effetti di comprimibilità, e per la ricerca di eventuali fenomeni instazionari, soprattutto il buffet.
All'interno del presente lavoro indicheremo in breve i vari problemi che bisogna affrontare nel settore aerodinamico ed i metodi di calcolo sviluppati nel corso degli anni per la trattazione teorica dei fenomeni aerodinamici; analizzeremo poi la modellazione matematica delle equazioni che regolano il comportamento dei fluidi, con particolare riferimento alle tecniche per la modellazione dei fenomeni turbolenti, e la corrispondente modellazione numerica eseguita dal codice utilizzato, riportando anche i test cases utilizzati in passato per la validazione del codice stesso in studi di questo tipo. Infine mostreremo ed analizzeremo i risultati ottenuti nello studio del profilo laminare P1xx; tale analisi sarà condotta sulla base di considerazioni fisiche e numeriche, e solo parzialmente su confronti con previsioni di altri codici, disponibili ad oggi solo per poche condizioni di volo simulate; anche confronti con dati sperimentali saranno effettuati in futuro, considerando che il profilo è oggetto, proprio in questi ultimi giorni, di una campagna di prove nella galleria del vento transonica del CIRA.
Le conclusioni a cui si potrà giungere indicheranno una buona corrispondenza tra le prestazioni - low speed ed high speed - del profilo alare e le specifiche richieste nell'ambito del progetto del velivolo, avendo anche previsto un meccanismo di stallo non legato ad esplosione di bolle laminari; tuttavia, le elaborazioni instazionarie eseguite mostreranno la presenza di instabilità del flusso, nel caso in cui la transizione non verrà garantita al 60% a mezzo di chiodature presenti sull'ala. Vedremo poi che il codice, dopo una adeguata fase di calibrazione, ha permesso di simulare tutte le condizioni di volo richieste e che ha fornito previsioni realistiche ed univoche sulla posizione della transizione.
La generazione della geometria e la previsione delle prestazioni hanno richiesto da parte del progettista avanzate tecniche di ottimizzazione e di modellazione dei fenomeni aerodinamici, soprattutto in considerazione del fatto che la collocazione della zona di transizione è di fondamentale rilevanza, come vedremo, durante la progettazione di profili laminari, in quanto dalla posizione della transizione derivano forze d'attrito di diversa entità e rischi di separazione della vena fluida sul bordo d'attacco (bolla laminare) o ai piedi dell'onda d'urto.
A tal riguardo, viene mostrata la peculiarità del codice utilizzato di poter effettuare la previsione della transizione senza necessitare (come avviene in altri codici) di indicazioni esplicite da parte dell'utente; tuttavia per utilizzare questa capacità è stata necessaria una campagna di delicate calibrazioni numeriche. Il lavoro presenta quindi anche parti di carattere prettamente numerico, nelle quali vengono analizzati e paragonati i risultati ottenuti con l'utilizzo di due modelli di turbolenza di attuale interesse per l'aerodinamica computazionale, individuando le impostazioni ottimali per condurre le simulazioni.
In parallelo a questa analisi numerica, viene anche svolta una completa analisi delle prestazioni del profilo Piaggio P1xx, simulando dapprima condizioni di crociera e di alta portanza, indicate come condizioni di design, al fine di valutare il meccanismo di stallo, il massimo valore di Cl, la resistenza aerodinamica in crociera. Successivamente vengono condotte anche simulazioni off design, per la valutazione di curve di drag rise, effetti di comprimibilità, e per la ricerca di eventuali fenomeni instazionari, soprattutto il buffet.
All'interno del presente lavoro indicheremo in breve i vari problemi che bisogna affrontare nel settore aerodinamico ed i metodi di calcolo sviluppati nel corso degli anni per la trattazione teorica dei fenomeni aerodinamici; analizzeremo poi la modellazione matematica delle equazioni che regolano il comportamento dei fluidi, con particolare riferimento alle tecniche per la modellazione dei fenomeni turbolenti, e la corrispondente modellazione numerica eseguita dal codice utilizzato, riportando anche i test cases utilizzati in passato per la validazione del codice stesso in studi di questo tipo. Infine mostreremo ed analizzeremo i risultati ottenuti nello studio del profilo laminare P1xx; tale analisi sarà condotta sulla base di considerazioni fisiche e numeriche, e solo parzialmente su confronti con previsioni di altri codici, disponibili ad oggi solo per poche condizioni di volo simulate; anche confronti con dati sperimentali saranno effettuati in futuro, considerando che il profilo è oggetto, proprio in questi ultimi giorni, di una campagna di prove nella galleria del vento transonica del CIRA.
Le conclusioni a cui si potrà giungere indicheranno una buona corrispondenza tra le prestazioni - low speed ed high speed - del profilo alare e le specifiche richieste nell'ambito del progetto del velivolo, avendo anche previsto un meccanismo di stallo non legato ad esplosione di bolle laminari; tuttavia, le elaborazioni instazionarie eseguite mostreranno la presenza di instabilità del flusso, nel caso in cui la transizione non verrà garantita al 60% a mezzo di chiodature presenti sull'ala. Vedremo poi che il codice, dopo una adeguata fase di calibrazione, ha permesso di simulare tutte le condizioni di volo richieste e che ha fornito previsioni realistiche ed univoche sulla posizione della transizione.
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