Potenziali applicazioni di Gurney flap
     in un’imbarcazione a vela
Organizzazione della ricerca
  Analisi del problema
- studio del Gurney flap su profilo alare
- studio della fisica di un’...
Gurney flap su profilo alare
Nasce come striscia di
metallo collocata
perpendicolare e fissa
lungo la coda di spoiler
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Gurney flap su profilo alare



        NACA0012 modificato con Gurney flap di varie altezze

Il profilo è come se aumenta...
Gurney flap su profilo alare,
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Possibili usi su barca a vela,
      3 aree d’interesse
Sullo scafo come sostentatore dinamico.

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Gurney flap su scafo
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Approfondimenti: applicazioni di
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Fluidodinamica computazionale
Creazione del modello: mesh strutturata del flusso
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Fluidodinamica computazionale
 Flusso medio stazionario a valle del profilo per λ=0°
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Fluidodinamica computazionale
Distribuzione di pressione sul profilo per λ=0, 6 e 10°




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Fluidodinamica computazionale
Profilo di velocità sullo strato limite per λ=0, 6 e 10°




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Fluidodinamica computazionale
Profilo di velocità sulla scia per λ=0, 6 e 10°




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Obiettivi raggiunti
E’ stato compreso il funzionamento del Gurney flap e
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Dott. Ing. Thesis

  1. 1. Potenziali applicazioni di Gurney flap in un’imbarcazione a vela
  2. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 14. Fluidodinamica computazionale Creazione del modello: mesh strutturata del flusso attorno al profilo Software di pre-processing: Gambit
  15. 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. 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. 17. Fluidodinamica computazionale Profilo di velocità sullo strato limite per λ=0, 6 e 10° Andamento sperimentale Grafici di nuovo simili agli sperimentali
  18. 18. Fluidodinamica computazionale Profilo di velocità sulla scia per λ=0, 6 e 10° Andamento sperimentale Anche la scia è qualitativamente accettabile
  19. 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.

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