3.3.1 Geometria del problema
Le simulazioni in condizioni analoghe a quelle di galleria sono state svolte utilizzando due diversi schemi: uno costituito dal modello del velivolo in scala 1:4 e dal pilone di supporto (Figura 61), l’altro con l’aggiunta delle pareti della camera di prova (Figura 62).
Figura 61 – Problema con pilone
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In Figura 62 sono state nascoste due pareti della galleria nella visualizzazione per consentire la visibilità del modello, mentre i piani a destra e a sinistra del velivolo sono rispettivamente l’inlet e l’outlet della camera di prova simulata.
Come evidenziato dalla Figura 64, particolare attenzione è stata prestata alla mesh della giunzione tra il pilone e la fusoliera, in quanto dal pilone, a sezione circolare, si stacca una spessa scia turbolenta che va a investire lo scalino dello scafo, il quale a sua volta introduce molta turbolenza nella scia. Inoltre, per il numero di Reynolds del caso ( ) la scia del pilone è non stazionaria ed ha un aspetto come quello mostrato in Figura 63.
Figura 63 – Scia del pilone con interferenza della fusoliera, α = 12°
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Figura 65 – Infittimento progressivo del pilone
La geometria del volume di controllo deriva invece dalla traslazione della parete da una distanza anteriore al velivolo di ad una posteriore al velivolo di , secondo i parametri forniti dall’ analisi di sensibilità condotta nel Capitolo 2.
L’impostazione fisica del problema è coincidente con quella esposta al paragrafo 3.2.1 . 3.3.2 Impostazione della mesh di volume
Il settaggio per la generazione della mesh di volume coincide con quanto visto in precedenza. In questo caso, variando le dimensioni uniformemente, è stato sufficiente
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stabilire una nuova grandezza di riferimento (Base Size). Come mostrato in Figura 66, le altre grandezze sono definite come percentuale della grandezza di riferimento.
Figura 66 – Settaggio della mesh di volume in scala ¼
Per quanto riguarda il pilone, invece, si è scelto di adottare un tipo di mesh uguale a quella generata per la fusoliera, adottando uno spessore relativo Percentage base pari a 4.0 . Sono stati replicati i volumi di infittimento, centrandoli rispetto al baricentro e scalandoli poi dell’ opportuno fattore, fino ad ottenere una situazione equivalente a quella esposta al paragrafo 3.2.3 .
3.3.3 Impostazione delle condizioni al contorno
Le condizioni al contorno applicate anche in questo caso sono:
Inlet di velocità
Outlet di pressione
Parete no-slip
Tuttavia, è stato necessario distinguere i casi con e senza pareti, in quanto la presenza di queste ultime influisce non solo sulla definizione delle condizioni al contorno, ma anche sulla geometria.
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3.3.3.1 Condizioni al contorno nel caso di solo pilone
Figura 67 – Condizioni al contorno nel caso di solo pilone
In questo caso le dimensioni del volume di controllo sono multipli della lunghezza del modello, in modo analogo a quanto visto per il caso del velivolo in scala 1:1 e anche la definizione fisica delle condizioni al contorno è identica, con la necessità di definire sistemi ausiliari di riferimento per la direzione degli assi vento.
3.3.3.2 Condizioni al contorno nel caso di pilone e pareti
La presenza delle pareti di galleria modifica la geometria del volume di controllo, come detto in precedenza per cui si ottiene la situazione rappresentata in Figura 68.
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In questo caso il settaggio dell’ inlet cambia, in quanto nelle condizioni di galleria il flusso che entra in camera di prova è parallelo alle pareti. È stato creato un sistema di assi vento da utilizzare per tutte le prove, , ottenendo un’ impostazione del tutto simile a quella dei casi precedenti.
Figura 69 – Settaggio inlet per condizioni di galleria
Come mostrato in Figura 69, si può notare che è stata variata anche l’intensità di turbolenza, secondo i dati forniti dalla galleria. Per quanto riguarda invece le altre grandezze caratteristiche del flusso, come ad esempio il viscosity ratio, non è stato possibile ottenere i dati relativi, per cui si è deciso di lasciare lo stesso valore delle prove precedentemente eseguite.
Rispetto ai casi precedenti rimangono invariate le impostazioni fisiche del pressure outlet e delle pareti.
3.3.4 Raccolta dei risultati
Il metodo utilizzato per la raccolta dei risultati è identico al precedente. Una particolarità invece deriva da una caratteristica dei risultati di galleria. Questi sono stati raccolti
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impostando un diverso sistema coordinate, con origine traslato verso il basso lungo l’asse corpo Z di 230mm come mostrato in Figura X.
Figura 70 – Sistema baricentrico (sopra) e utilizzato dalla galleria (sotto)
Infine, il criterio di convergenza è stato definito in maniera del tutto analoga a quanto esposto in precedenza.
3.3.5 Risultati
I risultati ottenuti sono riportati nei trittici seguenti, divisi a seconda del piano considerato. L’aggiunta del solo pilone non ha mostrato effetti rilevanti nel piano latero-direzionale, mentre le pareti hanno avuto nel medesimo caso un effetto importante.
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3.3.5.1 Risultati nel piano longitudinale
Il trittico CL, CD, Cm relativo al piano longitudinale è di seguito mostrato:
-0.40 -0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 -10 -5 0 5 10 15 20 CL alpha [deg]
EXP CFD 1:1 CFD Pilone CFD Pilone + Pareti
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 -10 -5 0 5 10 15 20 CD alpha [deg]
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Figura 71 – Trittico CL, CD, Cm Per i vari coefficienti è possibile fare diverse osservazioni:
CL: le simulazioni di crociera in aria libera e in presenza del pilone presentano un
andamento sostanzialmente identico a quello di galleria, fatta eccezione per la traslazione verticale dei valori di una certa quantità all’ incirca costante. L’introduzione delle pareti modifica la pendenza della curva, preservando la linearità e incrementando il valore del .
CD: i dati numerici mostrano un (dovuto alle forze d’attrito) minore,
mentre ancora una volta i contributi di pressione sembrerebbero simulati in maniera poco accurata, poiché la resistenza di pressione cresce più velocemente nel caso simulato rispetto a quanto misurato in galleria.
Cm: risulta in questo caso decisivo il contributo del pilone, prima, e delle pareti, poi.
In particolare il pilone modifica tutto il flusso che agisce sulla parte inferiore della fusoliera, come mostrato in Figura 72. In seguito, l’aggiunta delle pareti, coi relativi effetti di bloccaggio, ma soprattutto con l’effetto suolo che ne deriva, aggiunge un ulteriore e decisivo contributo al valore del momento di beccheggio. Importante anche la scelta di modificare il polo dei momenti, che contribuisce all’ avvicinamento ai risultati di galleria.
-0.40 -0.30 -0.20 -0.10 0.00 0.10 0.20 0.30 -10 -5 0 5 10 15 20 Cm alpha [deg]
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Si ricorda che il valore di Cm in fluidodinamica computazione ha sempre un aspetto “aleatorio” per cui il fatto di aver colto anche solo il comportamento qualitativo del coefficiente da un’ indicazione su quanto siano in questo caso importanti e decisive le presenze di parete e pilone. Si mostrano di seguito i campi di velocità che si generano sotto la fusoliera in condizioni libere e in presenza di pilone, in condizioni :
Figura 72 – Distribuzione del Coefficiente di pressione in flusso libero e in presenza del pilone Come si poteva intuire è evidente il rallentamento che il pilone cilindrico causa nel flusso a valle (tutto posto all’indietro del baricentro) che investe poi metà della fusoliera inferiormente.
Un flusso mediamente più lento porterà ad un aumento della pressione statica nella zona, che fornirà una maggiore spinta verso l’alto. Da questa poi deriverà una maggiore tendenza picchiante del momento.
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3.3.5.2 Risultati nel piano laterodirezionale
Il trittico CY, Cl, Cn relativo al piano latero-direzionale è mostrato nei grafici seguenti. Gli andamenti del caso con pilone e del caso con pilone e pareti sono stati condensati in quanto sostanzialmente coincidenti.
-0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0 2 4 6 8 10 12 14 CY Beta [deg] EXP CFD 1:4 CFD 1:1 0.00 0.01 0.01 0.02 0.02 0.03 0.03 0.04 0.04 0 2 4 6 8 10 12 14 Cl Beta [deg] EXP CFD 1:4 CFD 1:1
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Figura 73 – Trittico CY, Cl, Cn
I comportamenti di CY e Cn risultano identici a quanto già osservato nel caso di flusso libero.
Si rispecchia invece il comportamento del Cl, fortemente dipendente dalla portanza sviluppata sulle ali, che a causa dell’ effetto delle pareti aumenta il proprio contributo avvicinandosi notevolmente al grafico di galleria.
Il comportamento del Cn tuttavia rimane ancora troppo distante da quello reale, ed il fatto che nemmeno l’introduzione degli elementi geometrici sia servita a raggiungere una similitudine di condizioni lascia come unica opzione libera il cambio della fisica che governa la simulazione. -0.009 -0.008 -0.007 -0.006 -0.005 -0.004 -0.003 -0.002 -0.001 0.000 0.001 0 2 4 6 8 10 12 14 Cn Beta [deg] EXP CFD 1:4 CFD 1:1
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3.4 Prove in condizioni di galleria: simulazioni con modello k-ω a