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Capitolo 6
Impostazione del modello aerodinamico per le analisi delle
ali rigide in Star-CCm+
®6.04.014
6.1 Modello per l’ala curva e per l’ala a freccia
Dopo che la griglia del modello riguardante il campo aerodinamico attorno all’ala curva è stata completata in Gambit® 6.26, si importa il file “modello ala curva.mesh” in Star-CCm+® 6.04.014 per configurare il software per l’analisi fluidodinamica.
Di seguito si riportano i passaggi cruciali di tale configurazione allegando immagini utili alla comprensione del programma Star-CCm+® 6.04.014 e delle sue funzioni più importanti. Per prima cosa si fa una introduzione al programma CFD utilizzato. Quando si avvia il software compare una finestra come di seguito riportata;
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Si individuano tre finestre principali, quella in alto a sinistra contiene il menù principale dove sono impostate tutte le condizioni al bordo relative al campo aerodinamico e al modello solido e dove si impostano le condizioni fisiche del flusso e le proprietà relative al suo moto.
Si elencano i passi salienti dell’impostazione del modello CFD per la simulazione aerodinamica, relativa al modello ala curva :
Si importa il “file.mesh” relativo al modello di campo che circonda l’ala curva tramite il comando rappresentato nella seguente immagine;
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Si crea, a questo punto, il campo aerodinamico attorno all’ala con il comando Continua_New_Physic Continuum, come riportato in figura seguente;
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Ora in Physic_Model si attribuiscono le caratteristiche fondamentali che il campo aerodinamico deve possedere affinché la simulazione rispecchi sufficientemente la realtà. Appare una serie di finestre che permette di impostare le proprietà del flusso in questione, come quella sotto riportata;
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Alla fine si ottiene nel menù in alto a sinistra, del workspace del software, la seguente situazione, che illustra come sono state scelte le caratteristiche fisiche fondamentali del flusso che si muove nel campo attorno all’ala;
Fig.6.5 Impostazione completa delle proprietà fisiche del flusso
Il Flusso è tridimensionale (Three dimensional) e turbolento (Turbulent), costituito da un gas ideale (Ideal Gas). Le equazioni della fluidodinamica del bilancio della quantità di moto e dell’energia, che descrivono il moto del flusso, sono considerate accoppiate (Coupled Flow) e il modello risolutivo è implicito e non stazionario (Implicit Unsteady). Il modello scelto per rappresentare gli effetti della turbolenza e’ il “k-ε” (k-Epsilon Turbulence). Questi sono i parametri principali che sono stati impostati per la realizzazione dell’analisi aerodinamica.
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Uno sguardo, ora, anche ai parametri che caratterizzano il gas ideale, aria, che sono riportati nell’immagine seguente;
Fig. 6.6 Parametri fondamentali che caratterizzano il gas ideale aria
Particolare attenzione va data al parametro viscosità cinematica ν (Cinematic Viscosty) che varia al variare della quota h e della temperatura T.
Si impongono, ora, i parametri di riferimento del flusso. Il più importante è quello che identifica la pressione di riferimento del flusso indisturbato (Reference Pressure). E’ importante ricordare che, tutti i valori di pressione che sono successivamente impostati nelle condizioni al contorno sono le variazioni di pressione statica rispetto alla pressione di riferimento assoluta identificata dal parametro prima citato. L’immagine seguente riporta tale impostazione;
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Fig.6.7 Impostazione delle pressione di riferimento del flusso indisturbato
Si settano ora le condizioni iniziali della simulazione. Una corretta scelta delle condizioni iniziali, per esempio sul vettore velocità, fa si che la soluzione arrivi a convergenza più velocemente. Si riporta di seguito la figura relativa;
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Tali condizioni iniziali sono impostate per il vettore velocità, per la pressione statica, per la temperatura e per altri parametri relativi alla turbolenza per il flusso indisturbato. Bisogna subito vedere che il valore corretto della pressione da inserire è 0Pa, perché ci si riferisce alla differenza rispetto alla valore di riferimento della pressione precedentemente impostato (Reference Pressure).
Si impostano le condizioni al contorno che sono fondamentali per la corretta rappresentazione degli eventi aerodinamici studiati. Bisogna imporre le condizioni al contorno per il flusso sulle superfici di contorno del campo aerodinamico e le condizioni sul flusso in corrispondenza delle superfici solide dell’ala. Inoltre, si impongono le condizioni sulla parete di simmetria del modello . Dalla condizione di non scorrimento alla parete deriva che il flusso in contatto con la parete solida dell’ala deve avere velocità locale uguale a zero. Inoltre, si impone che non ci sia scambio termico fra flusso e parete solida del modello, ipotizzando le superfici dell’ala adiabatiche.
Per quanto riguarda, invece, le condizioni del flusso all’estremità del campo aerodinamico si settano i coseni direttori che identificano le direzioni del vettore velocità asintotica del flusso. Si imposta la temperatura assoluta e la pressione statica relativa alla quota a cui si effettuata la simulazione. Il vettore velocità cambia ogni volta che si effettua una simulazione a differenti angoli d’incidenza aerodinamica (α) e a differenti Mach di volo (M∞).
In realtà non è fornito il valore della velocità ma il valore del Mach di volo (M∞). Nel
seguito si riportano i passi fondamentali per la corretta impostazione delle condizioni al contorno.
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L’immagine sotto mostra tutte le condizioni al contorno che devono essere assegnate e le rispettive zone;
Fig.6. 9 Zone del campo dove si impongono le condizioni al contorno
Le condizioni di non scorrimento del flusso alla parete e di adiabaticità delle superfici dell’ala sono assegnate nelle voci Dorso, Ventre, Tip, Nose del menù sopra riportato. Le condizioni al contorno riguardanti il flusso sono inserite in Far Field, Simmetry, e Pressure Outlet. Nel seguito si specificano le differenze fra quest’ultime tre.
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Si imposta la condizione al contorno Far Field. Tale condizione si attribuisce alla faccia laterale, frontale, superiore ed inferiore del parallelepipedo esterno costituente il volume fluido globale del modello. L’immagine seguente rappresenta tutti parametri necessari per imporre la condizione al contorno sul flusso;
Fig. 6.10 Parametri fondamentali per il settaggio della condizione al contorno Far Field
Si imposta la direzione del flusso asintotico (Flow direction), si imposta il numero di Mach di volo (M∞) (Mach number), si imposta la pressione statica (Pressure) che è una differenza
rispetto al valore di riferimento (Reference Pressure), la temperatura statica (Static temperature) e gli altri parametri rappresentati relativi al modello della turbolenza.
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Si imposta la condizione al contorno Pressure Outlet che viene assegnata alla faccia posteriore del volume fluido esterno. L’immagine seguente riporta le principali caratteristiche di tale condizione al contorno;
Fig. 6.11 Impostazione della condizione al contorno Pressure Outlet
Si nota che tale condizione al contorno non vincola il vettore velocità sulla faccia posteriore del campo aerodinamico, a valle dell’ala, se si considera la direzione del flusso.
La condizione di Symmetry non richiede particolari accorgimenti si considerano sufficientemente accurati i parametri di default impostati dal programma.
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Adesso, prima di impostare i criteri del “solver” relativo alla simulazione, si generano delle curve e delle superfici, sul dorso, sul ventre dell’ala e sul naso, sulle quali, si andrà, nel seguito a visualizzare i risultati. Tramite il comando Derived Parts si interseca la superficie del dorso, ad esempio, con un piano parallelo alla faccia di simmetria del modello, chiamata symmetry, posto ad una distanza da quest’ultima variabile in apertura alare. Si ottiene una curva sul profilo del dorso che identifica nodi ben precisi della griglia aerodinamica. Si fa la stessa operazione per il naso e per il ventre del profilo. Ciò rende possibile conoscere le proprietà del flusso, ad esempio CP
locale e Mach locale sul generico profilo alla fissata posizione in apertura alare. Tali visualizzazioni rendono possibile una maggior approfondimento sulla tipologia del flusso;
Fig. 6.12 Elaborazione di curve sul profilo alare, tramite il comando Derived Parts, dove sono visualizzate le proprietà del flusso CP locale e Mach locale
Adesso si impostano, sotto il menù Solver, i criteri che permettono di realizzare la simulazione. I parametri principali si lasciano di default.
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Il passo successivo consiste nel settare i Stopping Criteria, grazie ai quali si fissa la durata della simulazione sia in termini di iterazioni sia in termine di tempo fisico curando, di conseguenza, più o meno l’accuratezza della convergenza dei parametri fisici principali trattati nel modello;
Fig. 6.13 Impostazione dei Stopping Criteria
Si Imposta il numero di steps in cui vogliamo che la simulazione sia divisa con il comando Maximum Steps. E’ importante che la simulazione sia divisa in diversi steps perché alla fine di ogni step il calcolo CFD riparte dall’inizio e il tempo finale di convergenza risulta minore. Si ha, dunque, un risparmio di potenza di calcolo. Per le analisi relative al modello ala rigido si sono pensati sufficienti 5 steps;
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Fig. 6.14 Impostazione del numero massimo di steps che la simulazione effettua
Successivamente con il comando Maximum Inner Iteration si imposta il numero di iterazioni all’interno di ogni step;
Fig.6.15 Impostazione del numero di iterazioni all’interno del singolo step di lavoro del software CFD
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Alla fine si setta il comando Stop File che fissa quando la simulazione deve essere conclusa. La simulazione deve terminare quando sono ultimate le iterazioni all’interno di tutti gli steps impostati;
Fig. 6.16 Impostazione dei criteri di arresto della simulazione aerodinamica
Ora che la simulazione è pronta per essere inizializzata bisogna impostare le grandezze che si vuole che il software dia in uscita. Ciò si effettua con il comando Reports. Nel menù, riportato in figura seguente, sono rappresentati i coefficienti aerodinamici globali CD , CL e le rispettive forze agenti sull’ala;
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Nell’immagine sotto riportata si vede come si fà ad ottenere uno dei coefficienti aerodinamici, ad esempio il CD.
Fig. 6.18 impostazione dei parametri per ricavare il CD
Bisogna impostare l’area di riferimento in pianta S, la densità ρ relativa alla quota di volo h, il modulo del vettore velocità V∞ , inoltre sia le componenti del versore che
identificano la direzione parallela al vettore velocità sia quelle normali per il calcolo del CD per il calcolo del CL globale agente sull’ala. Come si vede dalla fig. 6.16 si
imposta che tutte le componenti di pressione, normali e tangenziali, identificate da (Presssure + Shear), devono essere considerate nel computo del coefficiente aerodinamico CD. Infine, si impostano le parti del modello alare rigido, dorso ventre e
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A questo punto si elaborano dei grafici, con il comando Plot, riportanti gli andamenti del CL , del CD e dei residui, relativi alla convergenza della soluzione all’aumentare
delle iterazioni. Oltre a questi si possono realizzare, ad esempio, la distribuzione del CP, coefficiente di pressione locale, o del numero di Mach locale sul generico profilo
dell’ala;
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Fig. 6.20 Plot del CD che varia duranti la simulazione
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Fig.6.22 Plot della distribuzione del CP locale in corda ad una fissata posizione dell’apertura alare
Per impostare i valori di riferimento per il coefficiente di pressione locale sul profilo CP, bisogna andare sotto il menù Tolls_Field Functions_Pressure Coefficient.
Il modello CFD in Star-CCm+® 6.04.014 è, dunque, impostato e pronto per la simulazione.
L’impostazione del modello aerodinamico in Star-CCm++®
6.04.014 per l’ala a freccia e del tutto analogo a quella appena esposto riguardante l’ala curva.
