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Il presente lavoro di tesi costituisce la prima esperienza svolta presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dell’Università di Pisa (DIA) sullo sviluppo di modelli di simulazione numerica fluidodinamica (Computational Fluid
Dynamics, CFD) per l’analisi del flusso interno a servovalvole elettroidrauliche.
Tale lavoro si inserisce nell’ambito delle attività di ricerca in corso presso il DIA finalizzate allo studio dei moderni sistemi di controllo del volo Fly-By-Wire con attuazione idraulica.
Nei sistemi Fly-By-Wire, la regolazione di potenza idraulica per gli attuatori relativi alle superfici primarie di controllo è spesso realizzata mediante servovalvole elettroidrauliche ad azionamento diretto (Direct-Drive Valve, DDV), dotate di motore elettrico lineare a magneti permanenti (Linear Force Motor, LFM) per la movimentazione del cassetto di distribuzione (spool) della sezione idraulica. Per questo tipo di applicazione, le servovalvole con tecnologia DDV si sono rivelate più convenienti rispetto alle altre architetture, poiché consentono di ridurre notevolmente il numero di componenti e di implementare in modo indipendente le ridondanze elettriche da quelle idrauliche.
Gli obiettivi delle presente tesi sono da un lato la caratterizzazione sperimentale del flusso idraulico attraverso una servovalvola a quattro vie, dall’altro lo sviluppo e la convalidazione di modelli di simulazione CFD relativi alla servovalvola stessa. In particolare, si sono verificate le potenzialità offerte dal software STAR-CD®
(versione 3.150) per la realizzazione di modelli CFD relativi a flussi interni.
Nella prima parte del lavoro, dopo uno studio dei modelli teorici forniti in letteratura per lo studio e la caratterizzazione delle prestazioni di servovalvole a
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quattro vie (forza di flusso, coefficienti di trafilamento, guadagno di portata, guadagno di pressione), si è passati alla progettazione di un banco prova per la caratterizzazione sperimentale del flusso attraverso una servovalvola a quattro vie di impiego industriale (modello MOOG D633-313B). Tale banco, appositamente realizzato presso l’officina meccanica del DIA, ha consentito di ricavare in modo diretto alcune delle prestazioni idrauliche caratteristiche della servovalvola, quali i coefficienti di trafilamento, il guadagno di pressione ed il guadagno di portata. Per quanto concerne la forza di flusso, essa è stata invece valutata in modo indiretto, usando i dati relativi alla caratterizzazione elettrica del motore DDV, ottenuti nel corso di una precedente attività di ricerca.
La seconda parte del lavoro è stata dedicata allo sviluppo di modelli CFD.
A causa della mancanza di informazioni dettagliate sulla geometria interna della servovalvola, è stato necessario acquisire la geometria della stessa mediante misurazioni di precisione dello spool e del relativo alloggiamento (sleeve). Il modello CAD tridimensionale della servovalvola è stato realizzato con il software CATIA® (versione 5.12) e successivamente importato in ambiente STAR-CD® per le successive elaborazioni.
La geometria della servovalvola oggetto di studio è caratterizzata da tolleranze estremamente ridotte (sia il gioco radiale fra spool e sleeve che il ricoprimento delle luci di trafilamento hanno dimensioni dell'ordine del micron), per cui il problema dell’implementazione CFD (grigliatura del dominio e successiva risoluzione) è risultato particolarmente critico. In questo contesto, è stata dunque sviluppata e messa a punto un'apposita procedura per la realizzazione di griglie di calcolo di qualità soddisfacente anche in meati estremamente piccoli.
La simulazione numerica del flusso interno alla servovalvola è stata ottenuta utilizzando la metodologia RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes equations)
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con modello di turbolenza "K-ε Cubic-Low Reynolds Numbers". L'uso di questo metodo numerico per la risoluzione del campo fluidodinamico è parso il più adatto per l'applicazione in esame, dato che l'efflusso attraverso la servovalvola è tipicamente caratterizzato da bassi numeri di Reynolds (dell'ordine di 1000).
L’ultima parte del lavoro è stata infine dedicata al confronto dei dati ottenuti dalla campagna sperimentale con i risultati di simulazione CFD, al fine di valutare in modo critico la correttezza e la congruenza dei modelli sviluppati.
