advertisement

Dott. Ing. Thesis-Bologna prize

40 %
60 %
advertisement
Information about Dott. Ing. Thesis-Bologna prize
Design

Published on November 19, 2008

Author: FlorianoB

Source: slideshare.net

Description

Gurney flap in sailing, do they help? (Italian version)
advertisement

DAL TORNIO AL COMPUTER Prima Edizione del Premio all’Innovazione Industriale Come utilizzare una striscia di materiale rigido (Gurney flap) per incrementare le prestazioni in un’ imbarcazione a vela Gurney flap 1

Organizzazione della ricerca Il Gurney flap Possibili usi di Gurney flap in una barca a vela: I. su deriva: i. come generatore di asimmetria ii. per far uso di derive più piccole II. su randa. Applicazioni di fluidodinamica computazionale 2

Il Gurney flap 3

Cenni storici Nasce come striscia di metallo modellata ad L collocata perpendicolare e fissa lungo la coda di spoiler automobilistici alta 0.5÷3.0% la corda [2]. Attualmente può essere realizzata per estrusione d’alluminio o in materiali compositi. A differenza di qualsiasi altra configurazione di flap, la striscia riusciva ad aumentare il carico aerodinamico a terra senza incrementi significativi di resistenza. 4

Gurney flap su profilo alare NACA0012 modificato con Gurney flap di varie altezze[3] Il profilo modificato è come se aumentasse la propria curvatura, da cui un notevole incremento del carico aerodinamico, grafico a sinistra. Carico valutato dal coefficiente adimensionale Cl. L’aumento di resistenza con l’angolo di attacco si può ritenere trascurabile entro i limiti che interessano il nostro campo d’applicazione: grafico al centro con angolo α Є [0;8°] entro il quale il coefficiente adimensionale di resistenza Cd rimane pressoché costante. Per Cl≥1.2 l’efficienza aerodinamica complessiva del profilo modificato aumenta per qualsiasi altezza del Gurney; ovvero a parità di Cl/Cd si hanno coefficienti di portanza Cl maggiori rispetto alla configurazione originaria (None). Grafico di sinistra. 5

Conclusioni Nel sistemare sulla coda del profilo il Gurney flap più opportuno, occorrerà scegliere quello con altezza tale che lavori immerso nello strato limite turbolento[4]; strato generato sulla superficie del profilo a causa della viscosità del fluido. Infatti si è dimostrato che - il suo funzionamento non ne viene compromesso; - si hanno i migliori vantaggi in termini di efficienza aerodinamica. Le nuove tecniche al calcolatore della fluidonamica computazionale (CFD) possono aiutare a valutare lo spessore dello strato limite turbolento sulla coda di un profilo alare senza che questo venga realmente realizzato e facendo quindi a meno di lunghe e costose prove sperimentali in galleria del vento. Occorrerà prima validare un processo di simulazione al calcolatore ovvero dimostrare valida una procedura di sperimentazione virtuale confrontando dati da prove sperimentali già esistenti con quelli ottenuti al calcolatore. 6

Possibili usi di Gurney flap in una barca a vela 7

2 aree d’interesse I. Sulla deriva o chiglia: i. come generatore di asimmetria, ii. per far uso di un’ appendice idrodinamica più piccola. deriva II. Sulla randa come propulsore aggiuntivo. randa 8

Teoria della navigazione[5], funzione di una deriva Con il suo profilo alare simmetrico deve far nascere una forza Fh che equilibri l’azione del vento sulle vele Fs. Ma affinchè Fh si mantenga, è necessario che la barca navighi seguendo la linea tratteggiata in figura e non la giusta rotta (course) indivuduata dalla linea continua. Infatti solo così il profilo simmetrico, incontrando il flusso d’acqua con angolo d’attacco λ non nullo, potrà generare Fh. Angolo λ detto di deviazione dalla giusta rotta o di scarroccio. 9

Gurney flap su deriva, come generatore di asimmetria Aggiungendo quindi un Gurney ad una deriva tradizionale si avrà una portanza, sotto il livello dell’acqua, maggiorata. Quest’incremento sarà come se utilizzato dall’imbarcazione per risparmiare in rotazione su se stessa nel generare l’angolo λ, raggiungendo prima la condizione di equilibrio Fh=Fs. I vantaggi di un minor angolo di scarroccio λ sono quindi: - barca più “manovriera” ovvero più agile in manovra raggiungendo prima la condizione d’equilibrio; - minor deviazione dalla giusta rotta e cioè Vmg (velocity made good o velocità di risalita contro il vento) maggiore. - indirettamente miglior angolo d’incidenza del vento sulle vele ossia incremento di spinta. 10

Gurney flap per ridurre le dimensioni della deriva Una deriva più piccola, quando fornita di Gurney flap, genera la stessa portanza di una più grande [6]. Si possono quindi ridurre superficie bagnata e peso dell’appendice con evidenti aumenti di efficienza idrodinamica sull’intera imbarcazione. Per distribuzione di portanza ellittica, un Gurney flap su deriva con profilo NACA incrementa la portanza massima di oltre il 25% [7]. 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 approfomdimenti. 11

Gurney flap su deriva, conclusioni 1. Si è dimostrato come una nuova deriva modificata semplicemente incernierando una striscia di materiale rigido sulla sua coda possa incrementare le prestazioni di un’imbarcazione a vela. 2. Il flap sarà quindi comandato da bordo e dovrà occupare solo tre posizioni: le due opposte a 180° l’una dall’altra, per fissarlo perpendicolare al lato di pressione della deriva (che cambia ad ogni cambio di mura dell’imbarcazione) e quella centrale di riposo. 12

Gurney flap su deriva, conclusioni 3. La foto mostra come attualmente esistano derive asimmetriche (flapped centerboard) che possono essere comandate semplicemente dalla coperta. Analogo sisitema si può prevede per il Gurney flap. Per gentile concessione di Bob Lewis, Ontario, Canada. 13

Teoria della navigazione[5], le vele In una barca che risale il vento, le vele agiscono come delle ali di spessore nullo 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 ossia la sua curvatura, può crescere la spinta propulsiva. 14

Gurney flap sulla vela Ma il Gurney applicato lungo la coda del profilo, è proprio come se ne aumentasse la curvatura. balumina Posta tale striscia di materiale rigido lungo la balumina della randa, si avrà come una nuova vela capace di una spinta superiore con il minimo di resistenza all’avanzamento in più. Infatti minime sono le dimensioni in altezza di cui ha bisogno tale flap per funzionare al meglio. Si può prevedere la striscia di materiale composito, inserita in una lunga feritoia o sacca cucita sulla vela, come avviene per le usuali stecche poste orizzontali e Stecche orizzontali adibite a modellare la concavità della randa. Analogamente si dovrà prevedere un sistema per cui la feritoia possa cambiare lato in modo tale da essere sempre perpendicolare sulla vela dal lato di pressione, lato da cui arriva il vento. 15

Applicazioni di fluidodinamica computazionale 16

Approfondimenti: applicazioni di fluidodinamica computazionale Si dimostra di seguito che la fluidodinamica computazionale può aiutare nella progettazione di un Gurney flap su profilo alare con i vantaggi già elencati a pag. 5. A tal fine si è realizzato un metodo di simulazione ossia: - si è creato un modello del flusso attorno al profilo alare modificato, - si è trovata la migliore soluzione per il flusso. Poi, si è andati alla ricerca della validazione ossia si è rappresentata la soluzione numerica in termini di grafici e dal confronto con quelli sperimentali si sono tratte le opportune conclusioni. Vale la pena ricordare che tali risultati sono stati ottenuti con software attualmente in commercio quindi disponibili a tutti (Fluent© e Gambit©) e potenza di calcolo comune a quasiasi computer da tavolo di media potenza. 17

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[3]. 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. 18

Fluidodinamica computazionale Flusso medio stazionario a valle del profilo per λ=0° Rappresentazione grafica del flusso medio stazionario individuato in galleria del vento. 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. Il fusso risulta perciò prevedibile con buona approssimazione. 19

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 20

Fluidodinamica computazionale Profilo di velocità sullo strato limite per λ=0, 6 e 10° Andamento sperimentale Grafici di nuovo analoghi agli sperimentali 21

Fluidodinamica computazionale Profilo di velocità sulla scia per λ=0, 6 e 10° Andamento sperimentale Anche la scia è qualitativamente accettabile 22

Obiettivi raggiunti dalla ricerca 23

E’ stato individuato un nuovo ed ampio campo di ricerca nell’aumento delle prestazioni di un’imbarcazione a vela. Quest’ultimo può avvenire in maniera molto semplice ed economica modificando opportunamente la deriva e/o la randa già esistente dell’imbarcazione stessa. Principalmete si tratterà d’incernierare in coda una striscia di materiale rigido di banale realizzazione. Le forme di brevetto potranno riguardare una nuova deriva e una nuova vela forniti di Gurney flap opportunamente dimensionato oppure solamente il sistema d’incernieramento su tali componeti. Con l’utilizzo di software commerciale e computer di uso comune, si è validato un metodo di simulazione del flusso stazionario attorno ad un profilo alare simmetrico modificato con Gurney flap: il flusso simulato può infatti prevedere con buona approssimazione gli effetti qualitativi del flap sul profilo. Tale procedura può quindi rendere la progettazione dell’opportuno Gurney flap molto rapida ed economica, limitando al minimo il comunque necessario ricorso all’analisi sperimentale in galleria del vento o in vasca. 24 24

Bibliografia 1. Bonfigli, F. (2004) Potenziali applicazioni di Gurney flap in un’imbarcazione a vela, Bologna, Università degli Studi, Facoltà d’Ingegneria, Meccanica. 2. Liebeck, R. H., “Design of Subsonic Airfoils for High Lift,” Journal of Aircraft, Vol. 15, No. 9, 1978, pp. 547-561. 3. 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. 4. Good, M. C., and Joubert, P. N., “The Form Drag of Two- Dimensional Bluff-Plates Immersed in Turbulent Boundary Layers,” Journal of Fluid Mechanics, Vol. 31, Pr. 3, Feb. 1968, pp. 547-582. 5. Garret, R. (1987) The symmetry of sailing, London, Adlard Coles Ltd. 6. Bethwaite, F. (1996) High performance sailing, Shrewsbury, Waterline Books. 7. Storms, B. L. and Jang, C. S., “Lift Enhancement of an Airfoil Using a Gurney Flap and Vortex Generators,” Journal of Aircraft, Vol. 31, No. 3, 1994, pp. 542-547. 25

Add a comment

Related presentations

My Music Magazine Pitch

My Music Magazine Pitch

October 30, 2014

music mag pitch

Questionaire charts

Questionaire charts

November 4, 2014

bk

Final research

Final research

November 5, 2014

final research

Cersaie 2014

Cersaie 2014

October 30, 2014

allestimento in cartone per il Cersaie 2014 alberi in cartone scultura in cartone

Quarta turma do workshop de Infografia, ministrado por Beatriz Blanco e Marcos Sin...

Related pages

Preisträger - Schweighofer Prize

Dott. Ing. Federico Giudiceandrea. Dott. Ing. Federico Giudiceandrea . ... (bereits mit dem Schweighofer Prize 2009 ausgezeichnet) ...
Read more

Solar Bioclimatic Architecture: Prof. De Herde, Dott Ing ...

Price New from Used ... Dott. Ing. Paola Bonato, University of Padova, Italy has contributed to the assembling and conversion of the data supplied.
Read more

DOTT. ING. PROF. ALFREDO RAIMONDI SRL (Branch) - Milano ...

DOTT. ING. PROF. ALFREDO RAIMONDI SRL (Branch) Price US$ 400.00 | ...
Read more

Dott. Ing. Federico Falck – Falck Renewables

Share price; Financial calendar; Reports; Presentations; Analysts coverage; Company notices; ... Dott. Ing. Federico Falck Born in Milan on 12 August 1949, ...
Read more

Dott. Ing. C.A. Carutti - MachineTools.com

Package (Maximum) Price; Package 5: $69.00 USD: Package 10: $129.00 USD: Package 15: $179.00 USD: Package 20: $229.00 USD: Package 25: $279.00 USD: Package ...
Read more

Schweighofer Prize in Wien verliehen › mikado

Schweighofer Prize in Wien verliehen. Die Gewinner stehen fest: ... Der Hauptpreisträger 2013 ist Dott.Ing. Federico Giudiceandrea aus Brixen, Italien.
Read more

Francesco Iachello Curriculum vitae - centrovolta.it

Francesco Iachello . Curriculum vitae. ... Dott. Ing. Nucl. ... Bonner Prize, American Physical Society, 1993 .
Read more

Scandura Instruments | Scandura Instruments | SIMPLY THE BEST

Dott. Ing. Scandura, recently ... The technology manufacturer scooped first prize in the ‘Best User Application’ category ... Copyright 2011 Scandura ...
Read more