Università degli studi di Genova
Ali biomimetiche per
l'ottimizzazione della portanza
Relatori:
Chiar.mo Prof. Alessandro Bottaro
Ing. Joel Guerrero
Allievo:
Francesco Bavassano
Tesi per il conseguimento della Laurea Triennale in Ingegneria Meccanica
Ottobre 2010
La Biomimetica (dal Greco bioù mìmesis, imitazione della vita) è la
scienza che prende spunto dalle migliori “idee” della Natura per
trarre migliorie tecnologiche da caratteristiche degli esseri viventi.
Le pinne pettorali della Megattera sono
dotate di protuberanze poste sul bordo
d'attacco.
I tubercoli migliorano le prestazioni
fluidodinamiche.
La Megattera per nutrirsi compie
rapidissime svolte a U.
(Bubble-feeding).
Questi movimenti richiedono
un'adeguata forza centripeta: le
protuberanze migliorano la portanza.
La ricerca intende trasferire i benefici
apportati dalle “protuberanze” sul bordo
d'attacco ad applicazioni tecnologiche
quali ali e palette di turbomacchina.
Portanza FL e resistenza FD sono componenti della forza risultante
FR agente su un generico profilo alare.
Negli esperimenti sui modelli di pinna di Megattera sono stati studiati
i rispettivi coefficienti adimensionali CL e CD.
ρ è la densità del fluido, V la velocità del
flusso imperturbato e A è l'area dell'ala in
pianta per =0°.
CL e CD sono riportati in funzione dell'angolo d'attacco α.
La curva della portanza ha un massimo per  = c detto angolo d’attacco critico.
Successivamente avviene il fenomeno di stallo, con la
rapida discesa della portanza.
c dipende da:
Geometria del problema
Numero di Reynolds
U è la velocità del flusso imperturbato, L è una lunghezza caratteristica
del problema studiato,  è la viscosità cinematica.
I primi risultati
Miklosovic et al. nel 2004 hanno costruito due
modelli di pinna di Megattera per confrontare il
bordo d'attacco liscio con quello dotato di
protuberanze.
I risultati sono stati sorprendenti:
Portanza massima più elevata.
Stallo fortemente ritardato.
Resistenza inferiore.
I tentativi di validazione
Johari et al., Stanway, Custodio, Van Nierop et al. ed altri non hanno riprodotto
i risultati di Miklosovic et al. ma hanno riscontrato:
Stallo completamente mutato e molto più graduale.
Portanza nella fase post-stallo fino al 50% più elevata.
La Computational Fluid Dynamics
Si avvale dei calcolatori per studiare la fluidodinamica.
I calcolatori forniscono la potenza di calcolo necessaria a
simulare fenomeni reali con grande precisione.
Per studiare l'effetto delle protuberanze sul bordo d'attacco si è trattato di:
Creare la geometria e il dominio computazionale.
Generare la griglia di calcolo.
Scegliere il metodo risolutivo.
Effettuare i calcoli.
Analizzare i risultati (post-processing).
Creare la geometria e il dominio
computazionale
(Solidworks e Ansys Geometry)
h
Sono state create due ali con un codice CAD basate
sul profilo NACA 0012.
Corda = 1 m
Apertura alare = 1 m
Ampiezza sinusoide= 0,05 m
Creare la geometria e il dominio
computazionale
E’ stato creato il dominio computazionale (35x20x1)
Inlet di velocità
Pareti senza effetto
di strato limite.
Pareti con effetto di
strato limite.
Pareti periodiche
Outlet di pressione
Generare la griglia di calcolo
(Ansys Mesher)
La griglia è stata generata dopo uno studio di convergenza dei
risultati per scegliere il miglior compromesso tra precisione e
tempo di calcolo.
Generare la griglia di calcolo
(Ansys Mesher)
Visualizzazione della griglia su una faccia periodica;
si noti l’affinamento della griglia nel rettangolo.
Generare la griglia di calcolo
 Suddivisione del
dominio in volumi di
controllo.
 1,9 milioni di celle.
 E’ stato utilizzato lo
Sweep Method.
 La griglia è più fine
in prossimità delle
superfici dell'ala
e nella zona di scia.
Scegliere il metodo risolutivo
(Ansys Fluent)
Fluent risolve le equazioni di Navier-Stokes
insieme a quella di continuità discretizzandole
con un metodo a volumi finiti.
E’ stato impostato un calcolo iterativo non
stazionario con tecnica implicita e passo di tempo
t=0.2 s.
Effettuare i calcoli
(Ansys FLuent)
 Sono state effettuate 18
simulazioni, per una
durata media di 120 ore
ciascuna.
 9 simulazioni
per l’ala standard,
con bordo d’attacco
liscio.
 9 simulazioni
per l’ala sinusoidale,
con protuberanze.
 E’ stata inizializzata in
tutto il dominio una
velocità che garantisse
Re=1100 (UAV).
Coefficiente di portanza, ala standard, =40°
Analizzare i risultati
Analizzare i risultati
Analizzare i risultati
Analizzare i risultati
Il profilo con protuberanze, in sintesi, fornisce:
Portanza più elevata fino all’11% nella zona di
stallo e fino all’8% nella zona post-stallo.
Portanza diminuita nella zona pre-stallo, in
accordo con la letteratura.
Resistenza invariata, se non lievemente
inferiore.
Analizzare i risultati
Si formano vortici in corrispondenza delle
protuberanze.
Trasferimento di quantità di moto nello strato
limite.
Nascono zone di bassa pressione che
generano portanza.
La presenza dei vortici, però, influisce
negativamente sulla resistenza aerodinamica.
Visualizzazione con il Q-criterion
del profilo standard con  =20°
(Tecplot360)
Si notano effetti
tridimensionali: le linee di
corrente si destabilizzano,
non sono più monodirezionali
e danno luogo a fenomeni
tempovarianti.
Le linee di
corrente
mostrano
andamento
simile a quelle
riscontrate da
Custodio con
il colorante.
Le quattro
visualizzazioni
sono di ali ad =0°
Visualizzazione della scia, per il profilo sinusoidale, =20°.
=20°
=70°
Visualizzazione della scia, per il profilo sinusoidale, =70°.
Conclusioni
Risultati
 Portanza notevolmente maggiore (10%) nella fase
post-stallo.
 Resistenza invariata.
Si prospetta un utilizzo in micro-velivoli o in
applicazioni che debbano necessariamente passare
attraverso lo stallo.
Sviluppi futuri
 Simulazioni per numero di Reynolds più elevato.
 Studi sull’effetto della lunghezza d'onda e
dell'ampiezza delle protuberanze.
Conclusioni
La WhalePower Co.
attualmente produce
ventilatori industriali e
pale eoliche con la
tecnologia dei
tubercoli. La richiesta
sta rapidamente
crescendo.
Tensore della velocità di rotazione
Tensore della velocità di deformazione
Q è indice della “competizione” tra la velocità di rotazione e deformazione.
Se Q>0, domina l’effetto della rotazione locale.
Estrapolazione di Richardson
r : grado di raffinamento.
p : ordine di convergenza.
f : valori associati alle griglie 1 e 2.