SULLA DIMlN UZroNE DI RESISTENZA DI PROFILO
DEI CILINDRI ROTANTI
OT1'ENUTA CON UNA PARE'l'E COASSIALE FISSA.
Dott. GIAN DOMENICO MATTIOLI
RIASSUNTO. - La grande resistenza. di profilo {'he presentano i cilindri
rotanti in una eorrante dipende in notevole parte da] fatto che una. porzione della Ruperficie rotante ha. velocità. opposta a. quella del fluido in
immediato contatto, ciò che produce in questo un rallentamento, al quale
consegue la formazione di una scia vortieosa.
Per eliminare questo inconveniente l'A. ha pensato di masehel'are 1a.
suddetta porzione del cilindro ('on una superficie coassiaJe fissa, che impedisca il diretto contatto del Buido col cilindro.
Le esperienze eseguite in un piccoJo tunnel, per quanto condotte con
mezzi imperfetti, mostrano in modo evidente l'efficacia. del dispOl~.itivo.
I cilindri rotanti in una conente fluida. prodncono, come è
ben noto, una rilevante forza portante (ortogonale alla velocità
del fluido), ma accompagnata da una notevole resistenza diretta,
tale che il loro rapporto è senza confronti più piccolo dell'analogo
rapporto relativo alle comuill ali d'aeroplano. È assai probabile
che con nessun mezzo si riesca. a portare il rendimento aerodinamico
d un cilindro rotante nelle vicinanze <li quello delle ali ordinarie,
perchè essendo il cilindro rotante un elemento a grande portanza,
la sua resistenza indotta (proporzionale al quadrato della portanza)
sarà sempre grande malgrado si possa dJminuiria alquanto, ad esempio a,p plicando alie estremità del cilindro opportuill <lischi, i quali
diffondono in una regione più ampia il vortice portante che ivi esce
nel mezzo fluido, diminuendone ('osì l'energia.
Ma oltre ad avere una notevole resistenza indotta, il cilindro
(rotante o no) essendo, quale profilo aerodinamico, assai scadente,
presenta anche una grande resistenza di profilo dovuta alla produ·
zione di vortici nella sua scia. Questa parte della resistenza tot,ale
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è più facilmente intaccabile della prima, e già il Prandtl (1) ha
preso in considerazione il problema di impedire, od almeno ostacolare
le formazioni vortico8e nella scia dei cilindri fissi o rotanti investiti
da una corrente fluida, e indica alcuni espedienti, purtroppo non
pratici, che servono allo scopo.
La vorticosità della scia nel caso che ci interessa (cilindro rotante) è dovuta certamente a queste due circostanze: i filetti a coutatto con la snperficie cilindrica decollano prima del punto loro assegnato dalla idrodinamica dei fluidi perfetti; inoltre la superficierota,nte
ha, per una sua porzione, una velocità opposta a quella del fluido
in immediato contatto: ciò che produce un rallentamento di queste
masse fluide e conseguente produzione di scia vorticosa. L'esame di
fotografie dei filetti flnidi che contornano un cilindro rotante, mostra
che l'influenza relativa delle due precedenti cause di resistonza è
diversa alle varie velocità di rotazione: lllle piccole velocità (piccole
portanze) predomina la prima: alle maggiori (grandi portanze)
sembra che esclusivamente la seconda circostanza entri in gioco. Ove
si voglia cercare di migliorare il rapport,o tra portanza e resistenza,
conservando al cilindro rotante il suo requisito essenziale di foruire
una grande portanza relativamente all'area della sua sezione assiale,
si deve cercare di eliminare la seconda causa, senza diminuire la
circolazione a.ttorno al cilindro.
CILINDRO ROTANTE CON SUPERFICIE PAllZIALlIENTE MASCHERATA
Un modo assai semplice di
ottenere gran parte del risultato richiesto, e facilmente realizza bile
in pratica, si ha disponendo in vicinanza della superficie cilindrica
lilla parete coassiale fissa (fig. 1) e in modo da esclurlere dall'immediato contatto con le masse fluide in moto quella parte deUa superficie del cilindro la cui velocità è oppost,a alla velocità del fluido. Le
esperienze fatte con una simile disposizione, riferite più avanti.
confermano la presunzione sulla cansa della vorticosità, ed affermano l'efficacia del metodo qai proposto per eliminarla.
Sono già stati fatti replicati tentativi, con prove sperimentali,
per rliminuire la resistenza dei cilindri rotanti accoppiandoli con
superficie portanti (di cui cost-itui,cono l'orlo d'attacco). I ri8nlDA UNA PARETE COASSIALR FISSA. -
(1) Ergebni88e
der
III Lieferung, pago 6.
nerodYllam.i8chen
Versuchsan8talt
Zfl.
Gott·ingen.
{VoI. IX, fasc. 4, 1929]
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tati, come è noto, furono sfavO'revoli. È bene notare fin d'ora,
che il criterio informatore della mia disposizione è totalmente
diverso di quello che porta ad assoriare il cilindro rotante all'ala.
L'apvlicazione della parete fissa non modifica apprezzabilmente
la forma geometrica del sistema portante (il cilindro ruotante),
il quale conserv~ pressochè inalterata la capacità di produrre una
circolazione giacchè questa è provocata essenzialmente da quella
porzione della superficie del cilindro che si muove con il fluido.
TI cilindro rotante (semplice), per il fatto che una porzione
<Iella sua superficie si muove contro il fluido, è paragonabile ad una
ala scabra sulla faccia inferiore. Si sa che lm'ala siffatta, mentre
presenta una resistenza molto maggiore dell'eguale ala liscia slùle
due faccie~ forni8ce lma portanza. massima che è anche inferiore a
quella di quest'ultima (I\. L'eliminazione della rugosità porta dunque il duplice va,ntaggio di diminuire la resistenza dirotta e di aumentare la portanza massima: Il naturale aspettarsi lo stesso riaultrtto dal sistema cilinrlro-parete, perchè l'applicazione (Iella parete
neUa regione indicata, equivale a trasformare (in certa guisa) da
scabra la liscia a porzione di superficie che essa maschera.
DESCRIZIONE nELLE ESPERIENZE. - Le esperienze con il dispositivo indica,t o sono state eseguite in un piccolo tunnel della sezione
25 X 25 cm. in correnti d'aria variabili da 2,5 a 4,5 tn. /sec. circa. Il
cilindro usato era del diametro di 5 cm. e provvisto di dischi laterali di 9 cm. di diametro. La parete, a sezione circolare ricopriva
poco più rli 1 /1 della superficie cilindl'ica: precisamente 96°, e ne
distava da l a 3 mm . secondo l'esperienza.
Ove si trattasse di misure assolute, le rlimensioni e la velocità
ùel vento adottate sarebbero nettamente da rigettarsi (il numero
di Reynolds è troppo piccolo): ma le presenti esperienze non hanno
altro scopo se non quello di confrontare il comportamento qualitativo (e con una c,erta approssimazione, anche quantitativo) del semplice cilindro rotante con lo stesso provvisto di parete fissa: perciò
si pnò tollerare una disposizione speriment,ale non del tutto razionale.
La bilanci" adoperata è a due componenti: quanto basta per le
misure in questionc; ed è costituita da due telai: uno orizzontale
(1) PRAKDTL. Ergebnis8c .... III Lief., pago 112.
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girevole attorno ad un fulcro 6.880, l'altro ve-.rticale e girevole attorno
ad un'estremità del primo. Opportune maBse perme.ttono di equilibrare il sistema e di raggiungere una sensibilità sufficiente, I pesi
necessari ad equilibrare durante ]e misure, vengono collocati su due
appositi piatti.
Il cilindro in esperienza è fissato ad un aSBe sostenuto dal telaio
verticale mediante cuscinetti a sfere e che passa attraverso due fessure praticate nelle pareti verticali del tunnel. Alla rotazione del
cilindro serve un motorino elettrico collocato nella parte superiore
del telaio verticale: la trasmissione è a fune.
La parete veniva collocata nella posizione voluta mediante
due sostegni ad U imperniati sull'asBe di rotazione (allo scopo di
ben centrare la parete) e fissati al telaio verticale della bilancia.
Non disponendo di un tubo Pitot, la velocità del vento venne
valutata su di un piccolo anemometro preventivament.e tarato.
Per indicare la posizione della paret.e rispetto alla direzione del
vento, indichiamo con a. l'angolo che la retta m di simmetria, per
In. sua sezione, Iorma con la normale n alla direzione della corrente,
contato po.itivamente, se m è spostata riBpetto ad n nella direzione del vento.
Tra le numerose miBure fatte è Bufficiente che ne riporti trp: e precisamente
le polari del: cilindro semplice (cur,a I):
cilindro con parete nelle posizioni: , = _7°
(curva II), e • = + 27° (curva lII).
I numeri scritti lungo le polari sono
Fig. l.
i valori del rapporto:: , tra la velocità pe-
v
riferica " del cilindro e quella, v del vento,
che si riferiBcono ai punti indicati.
I punti rappresentativi delle misure BOUO, qua e là, un po'
discosti dalla relativa polare: ciò è dovuto al gran numero di perturba7.ioni accidentali che in quest'ordine di esperienze intervengono, e principalmente alle vihrazioni del sistema (specie della paret.e), variabili di entità da prova a prova, che avevano una grande
ripercussione sulla struttura della vena fluida.
Ad ogni modo la caratteristica della parete, quale riduttrice
della resistenza. di profilo, balza evidente dal confronto delle tre
polari della fig. 2. Le quali dicono inoltre che quando ci si linlita
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~13
ad una l'idmdolle- che non è la mR.ssima, le grandi portanze vengono raggiunte con un rapporto ~ minore di quello necessario con
il 8010 cilindro. Ilo esperimentato anrhe nna parete-di ruta sottilissima (montata sn telaio rigido di
li lo di ferro): il suo comportamento
'I.
è uguale a quello clelia parete me·•
taillca, e, sotto certi aspetti, ancbe C.
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migliore perchò non vibra come 6. r--- 6
DI
D
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quest'ultima: essa, semplicemente
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trattenuta dai due latJ, .i gonfia r
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IQ 1/
disponendosi automaticamente di
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fronte, e non a contatto, alla Su- 6
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perficie rotante.
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~
Allo scopo di esplorare tutte le
1.1
possibilità, della disposizione adot~
.ciAi/f/ru
t ata, ho fatto plll'e dene prove con
il;
la parete, sempre collocata nella
odl+pv.a=--i_O
stessa regione, ma provvista di J
una breve appendice poppiera
6cil+ptr.a= 24
avente lo scopo di guidare alricongiungimento le masse d'aria che
banno circuito il cilindro dall'una I
e dall'altra parte. La bilancia adoperata non si presta a questo tipo
O
. ,f
:/
3
di misure (sarebbe neceRsaria nna
Fig. 2.
bilancia a tre componenti) che
furono compiute quindi ricorrendo
a particolari espedienti: dai risultati semb,.,. cbe la riduzione della
resistenza sia ancora più cospicua di quella realizzata con la parete
semplice, ma si ha pure una rilevante diminuzione di portanza.
Sarebbe desiderabile che in qualcbe Istituto Aerodinamico si
riprendessero le esperienze indicate nella presente comunicazione,
conducendole con intenti quantitativi, dato l'interesse clelle applicazioni note e possibili del cilindro rotante a bassa resistenza.
Ringrazio il dotto Antonio Longo cbe mi fu 'valido colloboratore nella esecuzione delle esperienze e a cui (levo la costruzione •
dei modeill e del dispositivo sperimentale.
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