Nella presente tesi viene studiato il problema dell’interferenza tra un corpo tozzo provvisto di boat-tail ed opportuni profili alari, mediante analisi numeriche con il software di calcolo Fluent.

SOMMARIO

Nella presente tesi viene studiato il problema dell’interferenza tra un corpo tozzo provvisto di boat-tail ed opportuni profili alari, mediante analisi numeriche con il software di calcolo Fluent.

Scopo delle analisi è la valutazione della possibilità di ridurre la resistenza mediante superfici portanti opportunamente disposte intorno al corpo e la caratterizzazione dell’evoluzione dello strato limite in presenza dei profili.

Una possibile applicazione di tale studio è il progetto dei diffusori delle auto ad alte prestazioni: la particolare forma del corpo tozzo utilizzato, ma in particolare il boat-tail scelto, descrivono bene, in prima approssimazione, la geometria del fondo delle suddette auto.

Nella prima parte del lavoro è descritto il corpo tozzo, la geometria del boat-tail e i parametri d’impostazione del risolutore numerico.

Nella seconda parte è introdotta l’analisi dell’interferenza tra il corpo tozzo e diverse tipologie di profili alari, nella configurazione assialsimmetrica, valutando l’evoluzione delle forze aerodinamiche al variare della posizione dei profili.

Nell’ultima parte della tesi, la terza, si analizzano le configurazioni bidimensionali:

ancora una volta si valuta l’interferenza tra il corpo tozzo e i profili alari e le forze aerodinamiche sviluppate.

Infine, sono presentate alcune proposte d’analisi per le ricerche future in tale ambito.

L’analisi condotta in questa tesi ha per oggetto lo studio dell’interferenza tra un corpo tozzo e opportuni profili alari ed è eseguita tramite un risolutore numerico. Data l’impossibilità di risolvere le equazioni complete della dinamica del flusso attorno ad un corpo, salvo che per semplici casi non applicabili in questo contesto, si procede ad analizzare le configurazioni in questione con un risolutore delle equazioni RANS.

Lo scopo del presente lavoro è cercare di scoprire le potenzialità dell’interferenza tra un corpo tozzo provvisto di boat-tail e superfici portanti opportunamente disposte:

l’idea guida, alla base di questo studio, è la possibilità di ottenere riduzioni di resistenza posizionando, attraverso determinati criteri, dei profili alari attorno al boat-tail del corpo stesso, come visualizzato in figura I.1.

Profilo alare

Boat-tail

Figura I.1 Possibile interferenza tra corpo tozzo e profili alari

L’interferenza tra i due corpi produrrà una riduzione di resistenza se la componente di

trazione sui profili è maggiore dell’aumento di resistenza globale dovuto alla loro

introduzione. I profili introdotti hanno anche lo scopo di controllare la separazione dello

strato limite sul boat-tail: il corpo tozzo studiato incorre, infatti, in una separazione

Introduzione

anticipata del flusso, a causa delle sue caratteristiche geometriche che provocano un gradiente avverso di pressione troppo forte sul boat-tail.

I risultati trovati in quest’attività di ricerca trovano una loro congeniale applicazione nel campo automobilistico: la particolare forma del corpo tozzo studiato può rappresentare, in prima approssimazione, la geometria del fondo di un’automobile ad alte prestazioni. Le automobili appartenenti a questa categoria non sono definibili né come corpi aerodinamici, né propriamente come corpi tozzi, ma sono identificate come corpi tozzi affusolati: la geometria del corpo tozzo studiato in questa tesi è particolarmente rappresentativa di tale categoria di corpi. Il boat-tail, in particolare, ricorda da vicino il diffusore presente nella parte finale dei suddetti fondi (vedi figura I.2).

Figura I.2 Idea di utilizzo dei profili sui diffusori delle auto ad alte prestazioni

Rimanendo nell’ambito automobilistico, l’introduzione dei profili alari è anche vantaggiosa perché rappresentano dei volumi in più e possono quindi risultare utili per determinate applicazioni.

Le configurazioni analizzate sono suddivise in due particolari categorie: le prove assialsimmetriche e quelle bidimensionali. In entrambi i casi si è valutata l’evoluzione del coefficiente di resistenza legato all’introduzione di profili alari, posti in maniera deportante, in configurazione portante e presenti contemporaneamente. Parallelamente all’attività d’analisi della resistenza, è stata valutata, per ogni configurazione, la portanza e, di conseguenza, l’efficienza, al fine di avere un raffronto sull’indiretta evoluzione di tali grandezze al variare della posizione dei profili: in particolare, nel caso

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assialsimmetrico, si è ricorso ad una procedura approssimata mentre, nel caso bidimensionale, è lo stesso risolutore numerico a fornire le indicazioni cercate.

Presentazione del lavoro

Il lavoro affrontato in questa tesi si articola sostanzialmente in tre parti: una prima parte in cui si descrivono le geometrie del corpo tozzo, le caratteristiche del risolutore numerico e dei parametri impostati per la sua configurazione, ed infine la geometria del boat-tail scelta; una seconda parte dedicata allo studio delle configurazioni assialsimmetriche, ed una terza ed ultima in cui vengono analizzate le prove bidimensionali. Infine, è presente un ultimo capitolo nel quale si evidenziano le conclusioni cui si è giunti nell’ambito dell’indagine e, soprattutto, nel quale si propone in quale direzione sia più conveniente indirizzare le ricerche future.

Questo lavoro è quindi l’inizio di una serie di analisi con lo scopo di capire, attraverso numerose prove, gli effetti dell’interferenza tra corpi molto vicini fra loro. Si intuisce, per questo, come lo strumento principe per condurre questa tipologia di studio sia l’analisi numerica. Le possibilità offerte dal mondo computazionale sono ovviamente moltissime, dai metodi potenziali più semplici quali sono i codici a pannelli, ai moderni risolutori delle equazioni di Navier-Stokes non stazionarie. Ai fini del presente lavoro è sufficiente un buon risolutore delle equazioni RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes), che coniughi al meglio l’esigenza di un’adeguata precisione numerica con una certa rapidità d’esecuzione dei calcoli. A tale scopo verrà utilizzato il programma Fluent (versione 6.2.16, della Fluent Inc. ©), con il quale vengono spesso analizzati, con buoni risultati, i flussi esterni alle automobili.

Descriviamo adesso più in dettaglio il contenuto dei capitoli in cui è suddiviso il lavoro.

Il primo capitolo riguarda le motivazioni che hanno portato alla scelta del corpo tozzo e presenta i riferimenti seguiti e consultati per la successiva validazione dei risultati forniti dal risolutore numerico.

Il secondo capitolo descrive le caratteristiche di Fluent e dell’approccio RANS al

problema della risoluzione numerica delle equazioni di Navier-Stokes. Nello stesso

capitolo è presente un confronto tra la versione di Fluent utilizzata in questa tesi e quella

precedente, adottata nel lavoro che ha fornito le basi per quest’analisi, nonché la

presentazione delle caratteristiche di due modelli di turbolenza e delle impostazioni

Introduzione

assegnate al risolutore numerico. Infine è descritta la tipologia di griglia utilizzata per la mesh e le condizioni al contorno assegnate al problema.

Nel terzo capitolo è presentata la campagna di prove preliminare e le motivazioni che hanno portato alla scelta della particolare geometria del boat-tail utilizzato.

Con il quarto capitolo si apre la seconda parte del lavoro svolto, in cui si analizza l’interferenza tra il corpo tozzo e i profili alari, posti in maniera deportante, in configurazione assialsimmetrica: si presentano le analisi di sensibilità al variare dei parametri del problema (posizione, incidenza e dimensione del profilo) per i tre profili utilizzati (NACA 4310, NACA 6414 ed Eppler 423). Per tutte le prove effettuate si valutano le variazioni della resistenza totale della configurazione e gli effetti sui singoli contributi al C

totale, nonché una stima della portanza e dell’efficienza calcolate con una procedura approssimata.

Nel quinto capitolo, sempre basato sull’analisi di configurazioni assialsimmetriche, si introduce il concetto e gli obiettivi che competono al così definito profilo deviatore e si descrivono le scelte che hanno portato al suo progetto; successivamente, sono presentati i risultati ottenuti dallo studio dell’interferenza tra il corpo tozzo e il suddetto profilo deviatore (posto in configurazione portante). Nell’ultima parte del capitolo sono presentati i risultati dell’analisi delle prove a doppia interferenza, cioè configurazioni in cui sono presenti contemporaneamente il corpo tozzo, il profilo deviatore e un classico profilo Eppler. Come nel capitolo precedente, anche in questo caso è stata valutata parallelamente alla resistenza anche la portanza, sempre affetta dagli stessi errori di approssimazione.

L’ultima parte del lavoro svolto, la terza, è descritta dal capitolo sei in cui sono riportati i risultati provenienti dallo studio delle configurazioni bidimensionali: le prove effettuate sono in numero inferiore a quelle assialsimmetriche e sono basate sull’esperienza acquisita dalle precedenti simulazioni. Anche per questa tipologia di problemi sono state analizzate le interferenze con il profilo deviatore e con i due profili utilizzati contemporaneamente. Per i problemi bidimensionali è lo stesso Fluent a fornire dei valori, oltre che per la resistenza, anche per la portanza e di conseguenza per l’efficienza.

Il lavoro svolto è concluso da un ultimo capitolo in cui si riassumono i risultati delle prove di calcolo effettuate, proponendo alcune idee per lo sviluppo dell’attività in quest’ambito di ricerca.

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