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Il presente lavoro di tesi è parte integrante delle attività svolte dal Dipartimento di Inge‐
gneria Aerospaziale di Pisa nell’ambito del progetto IDINTOS, che ha come scopo la realizza‐
zione di un idrovolante ultraleggero ed innovativo caratterizzato da minori consumi e mag‐
giore sicurezza. Il prototipo è pensato in configurazione “Prandtlplane”, la cui caratteristica peculiare è un sistema alare costituito da due ali le cui estremità laterali sono collegate da due paratie verticali (v. Figura 1).
Figura 1. Prototipo Idintos Racer
Questa configurazione deriva dagli studi di Prandtl che, nel 1924, introdusse il concetto di
“best wing system” [1] ovvero un sistema alare che, a parità di apertura alare e portanza globale, genera la minor resistenza indotta. I risultati di tale teoria dimostrano che la confi‐
gurazione denominata “best wing system” è quella corrispondente ad un “n‐plano”, in cui il
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2 numero delle ali (n) tende ad infinito. Dal punto di vista aerodinamico, questo multiplano equivale a un biplano le cui estremità laterali, collegate da due paratie verticali, inducono il campo dato dai vortici di estremità di infinite ali intermedie tra quella più bassa e quella più alta. Il grafico sottostante (Figura 2) mostra il rapporto tra la resistenza indotta di diversi si‐
stemi alari e quella del monoplano corrispondente in funzione del rapporto G/b, dove G rap‐
presenta la distanza verticale tra le ali e b l’apertura alare.
Figura 2. Resistenza indotta di un biplano e di un "best wing sistem" come rapporto di un monoplano equivalente
Secondo quanto descritto in [2] e come successivamente mostrato nella Figura 3, la di‐
stribuzione di portanza sulle ali è composta da una parte ellittica e da una parte costante mentre, sulle paratie verticali, ha una distribuzione a farfalla.
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Figura 3. Distribuzione di portanza sulle ali e sulle paratie verticali
Come è possibile osservare nella Figura 2, per valori di G/b compresi tra 0,1 e 0,2, la di‐
minuzione di resistenza indotta è intorno al 30%. Ciò si traduce in un potenziale minor con‐
sumo di carburante e quindi in un minor impatto ambientale del velivolo. A parità di tratta, la diminuzione dei consumi si traduce in un minor peso massimo al decollo e, pertanto, in un minor peso a vuoto. I suddetti benefici sono rilevanti per velivoli di medie e grandi dimen‐
sioni, per i quali una riduzione dei consumi di carburante si traduce in guadagno per la com‐
pagnia aerea e un minor impatto ambientale. Tuttavia, al fine di facilitare il processo di tra‐
sferimento tecnologico dell’idea del Prandtlplane dalla ricerca all’industria aeronautica, da diversi anni l’applicazione di tale configurazione a velivoli ultraleggeri (ULM) è oggetto di studio presso il DIA di Pisa. La configurazione Prandtlplane, adottata su velivoli ULM, non comporta grandi benefici in termini di riduzione dei consumi, ma presenta vantaggi in termi‐
ni di sicurezza e manovrabilità del velivolo, nonché grande flessibilità di utilizzo.
L’applicazione ad una configurazione idrovolante, oggetto di studio di questo lavoro, ne è un esempio.
Questa tesi si pone l’obiettivo di analizzare le manovre di decollo dall’acqua e ammarag‐
gio, due fasi molto delicate che richiederebbero sperimentazioni in vasca navale. Tali prove, tuttavia, risultano essere complesse, costose e richiedono tempi di implementazione relati‐
vamente lunghi, per cui si rivela indispensabile l’utilizzo di simulazioni numeriche mediante codici CFD. La possibilità di analizzare in tempi relativamente brevi e con costi contenuti di‐
verse configurazioni di scafo, in diverse condizioni operative, diventa un vero vantaggio ai fi‐
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4 ni della progettazione nel momento in cui lo strumento utilizzato può essere validato attra‐
verso prove sperimentali.
In accordo con la suddetta filosofia progettuale, l’attività sperimentale svolta presso una vasca navale resta un nodo cruciale del progetto che, più che influenzare l’oggetto della pro‐
gettazione, consente la verifica degli strumenti che consentono la progettazione stessa.
Lo scopo principale di tale lavoro di tesi è dunque quello di esplorare le caratteristiche del codice numerico STAR‐CCM+ della CD‐ADAPCO, utilizzato già in lavori precedenti su questo progetto [3], al fine di preparare il terreno per le attività di validazione che seguiranno quelle sperimentali, svolte presso la vasca navale INSEAN di Roma.
Per quanto riguarda il decollo, l’obiettivo principale è la definizione di un modello nume‐
rico adatto all’analisi di diverse tipologie di scafi, frutto di analisi precedenti di natura preli‐
minare [3]. In questa fase del lavoro, gran parte delle analisi sono state finalizzate allo studio di sensibilità del modello numerico ai parametri che lo definiscono, quali le dimensioni del dominio di calcolo, la discretizzazione spaziale e temporale (time step).
Circa l’ammaraggio, vengono condotte analisi di impatto con l’acqua, sia in condizioni operative normali che di emergenza, al fine di ricavare risultati circa i carichi agenti sullo sca‐
fo.
