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Gurney Flap In Sailing Dott Ing Thesis (Italian version)

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  • 1. Potenziali applicazioni di Gurney flap in un’imbarcazione a vela
  • 2. Organizzazione della ricerca Analisi del problema - studio del Gurney flap su profilo alare - studio della fisica di un’imbarcazione a vela Sintesi e soluzione del problema - individuazione dei possibili usi Approfondimenti - applicazioni di fluidodinamica computazionale sul caso ritenuto più interessante
  • 3. Gurney flap su profilo alare Nasce come striscia di metallo collocata perpendicolare e fissa lungo la coda di spoiler automobilistici con h=0.5÷3.0% la corda. Esempio di Gurney flap su profilo alare A valle del profilo genera una scia di vortici alternati controrotanti meglio nota come scia di Von Karman, il fenomeno si configura come non stazionario. Scia di Von Karman
  • 4. Gurney flap su profilo alare NACA0012 modificato con Gurney flap di varie altezze Il profilo è come se aumentasse la propria curvatura, da cui un notevole incremento del carico aerodinamico. L’aumento di resistenza con l’angolo di attacco si può ritenere trascurabile entro i limiti che interessano il nostro campo d’applicazione, tra 0 e 8°. In particolari configurazioni è stata misurata una riduzione della resistenza totale ed un aumento dell’angolo di stallo.
  • 5. Gurney flap su profilo alare, conclusioni NACA0012 modificato NACA4412 modificato Occorre scegliere l’altezza del Gurney tale che lavori immerso nello strato limite: - il suo funzionamento non ne viene compromesso; - si hanno i migliori vantaggi in termini di efficienza aerodinamica.
  • 6. Possibili usi su barca a vela, 3 aree d’interesse Sullo scafo come sostentatore dinamico. Sulle vele come propulsore aggiuntivo. Sulle appendici, deriva e timone: - come generatore di asimmetria, - per far uso di appendici più piccole.
  • 7. Gurney flap su scafo Lo scafo funziona come un’ ala a metà con il solo lato di pressione. Raggiunta una nota velocità si crea una portanza dinamica L che abbassa il contributo della spinta d’ Archimede B al bilanciamento della forza peso W. La barca si solleva quindi dall’acqua con riduzione di resistenza all’avanzamento ed incremento immediato di velocità. Ci si chiede quanto e in che modo un Gurney sulla poppa dello scafo, possa contribuire alla formazione di tale portanza.
  • 8. Gurney flap su vele In una barca che risale il vento, le vele agiscono come delle ali generando portanza. Relativamente alla direzione di rotta, tale forza Fs è scomponibile in una componente propulsiva FR ed una di sbandamento FH . Il grafico polare mostra come, aumentando la freccia della vela, può crescere la spinta propulsiva. Il Gurney, il cui effetto è proprio come quello di un incremento di curvatura, produrrà una spinta aggiuntiva con il minimo di resistenza in più.
  • 9. Gurney flap su deriva Funzione della deriva: ha un profilo alare simmetrico che fa nascere la forza Fh che bilancia l’azione del vento sulle vele Fs. Affinchè Fh si mantenga, è necessario che la barca navighi con angolo d’attacco λ sulla deriva non nullo; angolo detto di deviazione dalla giusta rotta o di scarroccio.
  • 10. Gurney flap su deriva, come generatore di asimmetria Aggiungendo un Gurney ad una deriva tradizionale si può ottenere quanto meno una riduzione di λ con duplice effetto: - minor deviazione dalla giusta rotta, - indirettamente miglior angolo d’incidenza del vento sulle vele ossia incremento di spinta.
  • 11. Gurney flap per ridurre le dimensioni delle appendici Una deriva più piccola, se fornita di Gurney flap, genera la stessa portanza di una più grande; si possono quindi ridurre superficie bagnata e peso dell’appendice. Per distribuzione di portanza ellittica, un Gurney flap su deriva con profilo NACA incrementa la portanza massima di oltre il 25%. Ciò significa a parità di portanza una pari riduzione di area nominale quindi resistenza. Pur trattandosi di situazione ideale, l’entità del risparmio è tale da meritare ulteriori studi.
  • 12. Approfondimenti: applicazioni di fluidodinamica computazionale Si vuole dimostrare che la fluidodinamica computazionale può aiutare nella progettazione di un Gurney flap su profilo alare. A tal fine occorre prima produrre un metodo di simulazione ossia: - creare un modello del flusso attorno al profilo alare modificato - trovare la migliore soluzione per il flusso. Poi, andare alla ricerca della validazione ossia rappresentare la soluzione numerica in termini di grafici e confrontarli con quelli sperimentali traendone le opportune conclusioni.
  • 13. Approfondimenti: applicazioni di fluidodinamica computazionale Si è simulato il comportamento di un NACA0012 con Gurney flap alto 2% la corda, di cui si ha in letteratura un’ampia analisi sperimentale in galleria del vento [Li, Y., Wang, J. and Zhang, P., “Effects of Gurney Flaps on a NACA0012 Airfoil,” Flow, Turbulence and Combustion, Vol. 68, No.1, 2002, pp. 27-39.]. Si sono ricercati, in sequenza, i tre migliori modelli di flusso stazionario corrispondente ognuno ad un diverso angolo d’attacco λ pari a 0, 6 e 10°. Per ogni modello tre diversi grafici rappresentanti il flusso sono stati ricavati e confrontati con i relativi sperimentali: 1) distribuzione di pressione sul profilo alare 2) velocità di strato limite sul lato d’aspirazione del profilo ad una distanza dalla testa pari al 90% la corda 3) velocità di scia ad una distanza dalla coda pari al 70% la corda.
  • 14. Fluidodinamica computazionale Creazione del modello: mesh strutturata del flusso attorno al profilo Software di pre-processing: Gambit
  • 15. Fluidodinamica computazionale Flusso medio stazionario a valle del profilo per λ=0° Risoluzione del flusso e visualizzazione vettori velocità in Fluent: sono riconoscibili il vortice a monte e i due vortici controrotanti a valle del flap, come nella prova in galleria del vento. Rappresentazione grafica del flusso medio stazionario individuato in galleria del vento. Simulazione in Fluent
  • 16. Fluidodinamica computazionale Distribuzione di pressione sul profilo per λ=0, 6 e 10° Andamento sperimentale La simulazione in Fluent ripropone lo stesso andamento qualitativo dei grafici ottenuti in galleria
  • 17. Fluidodinamica computazionale Profilo di velocità sullo strato limite per λ=0, 6 e 10° Andamento sperimentale Grafici di nuovo simili agli sperimentali
  • 18. Fluidodinamica computazionale Profilo di velocità sulla scia per λ=0, 6 e 10° Andamento sperimentale Anche la scia è qualitativamente accettabile
  • 19. Obiettivi raggiunti E’ stato compreso il funzionamento del Gurney flap e di un’imbarcazione a vela. E’ stato individuato un nuovo ed ampio campo di ricerca nell’aumento delle prestazioni, a basso costo, di un’imbarcazione a vela. E’ stato validato un metodo di simulazione del flusso, stazionario, attorno ad un profilo alare simmetrico con Gurney flap: - il flusso simulato può infatti prevedere con buona approssimazione gli effetti qualitativi del flap sul profilo; - il modello di flusso ottenuto è pronto per una più approfondita analisi non stazionaria dopo la quale avrà senso valutare la simulazione in termini quantitativi.