10. Campagna di prove preliminare
In questo capitolo verrà descritta la campagna di prova preliminare svolta nella galleria del vento (Laboratorio di Aerodinamica Applicata) del Dipartimento di Ingegneria aerospaziale di Pisa, tesa alla valutazione del punto di transizione su di una geometria assegnata.
Questa campagna preliminare utilizza lo strumento più adatto alla valutazione sperimentale della transizione dello strato limite, quale l’anemometro a filo caldo.
I risultati ottenuti serviranno come termini di paragone per la successiva campagna di prova degli strumenti scelti nel precedente capitolo.
10.1 La Galleria
La galleria del vento del Laboratorio di Aerodinamica Applicata, è di tipo subsonico a circuito chiuso, con camera di prova aperta. L’intervallo di velocità varia tra un minimo di circa 12 m/s ed un massimo di circa 40 m/s ed è garantito un livello di turbolenza < 0.9%.
La velocità del flusso è regolata attraverso una pulsantiera mentre l’indicatore di velocità è implementato sul computer di galleria attraverso un software apposito.
La camera di prova è a sezione circolare, ha una lunghezza di circa 1.5 m ed un diametro di circa 1.1 m. Al suo interno è posto il piano di galleria, orizzontale e poco al di sotto dell’asse della camera di prova.
Il piano di galleria presenta un perno destinato all’alloggio dei modelli testati, tale perno è situato circa al centro del piano stesso.
La galleria è dotata di un braccio mobile su cui vengono serrate le sonde necessarie per le misurazioni; tale braccio ha la possibilità di spostarsi nelle tre direzioni ortogonali (x, y, z) e spazia per quasi tutto il volume della camera di prova che si trova al di sopra del piano di galleria. È dotato di tre motori passo-passo, che possono essere comandati manualmente o tramite PC attraverso un apposito software che permette il controllo sia della direzione sia della lunghezza degli spostamenti del braccio.
La velocità del flusso viene rilevata tramite un tubo di Pitot poco prima dello sbocco del flusso nella camera di prova, il Pitot è collegato ad un trasduttore di pressione di tipo SETRA mod. 239, la cui uscita è collegata ad un ingresso della scheda d’acquisizione analogica.
Sullo stesso supporto del Pitot è presente una sonda di temperatura costituita da una termocoppia, la cui uscita è collegata direttamente al trasduttore METER 44, convertitore A/D con display in gradi C° , e ad un altro canale della scheda di acquisizione analogica.
Fig. 10.1 Schema della Galleria del DIA
10.2 Strumentazione utilizzata
Per effettuare la campagna di prove preliminare, si è deciso di utilizzare la tecnica dell’ anemometria a filo caldo, utilizzando il Constant Temperature Anemometer presente all’interno del Laboratorio collegato ad una sonda a filo singolo.
Per effettuare la calibrazione delle sonde è stata utilizzata la galleria di calibrazione presente nel Laboratorio.
Fig. 10.3 Galleria di Calibrazione
Mentre per fare un’analisi preliminare dei segnali è stato utilizzato l’oscilloscopio.
Fig. 10.4 Oscilloscopio
Per quanto riguarda l’acquisizione dei segnali, e la gestione dei relativi file è stato utilizzato Virtual Instruments, il software sviluppato per la Galleria del DIA in linguaggio Lab-view (Fig.10.5).
Fig. 10.5 Finestra di interfccia iniziale di Virtual Instruments
Di Virtual Instruments sono stati utilizzati i tools relativi all’anemometria a filo caldo per sonde a filo singolo (Fig.10.6).
Successivamente per effettuare l’analisi dei segnali è stato utilizzato il software presente nei calcolatori del laboratorio.
10.3 Calibrazione
Dopo aver effettuato tutti i collegamenti del caso e seguita la procedura la calibrazione, la sonda è stata montata allo sbocco della galleria di calibrazione.
Fig. 10.6 Calibrazione della sonda
Seguendo le istruzioni del software, mediante l’interfaccia grafica (Fig. 10.7), sono stati fissati i punti di calibrazione.
Successivamente, sono stati scelti i coefficienti di King (coeff. n) che meglio interpolavano i punti di calibrazione (Fig 10.8).
In questo modo si è ottenuta la curva di calibrazione che in seguito è stata utilizzata dal software per i segnali provenienti dalla camera di prova.
Fig. 10.7 Interfaccia per la calibrazione della sonda
10.4 Acquisizioni effettuate
Nella camera di prova della galleria si è trovato installato un modello (Fig. 10.9). Dato che la campagna di prove su quel modello non era ancora conclusa, si è pensato di evitare la sua disinstallazione utilizzandolo anche per la nostra campagna.
Fig. 10.9 Camera di prova con modello installato
Il modello è un prisma a base triangolare (Fig. 10.10), anche se la forma non è la più idonea per il nostro scopo, si è cercato di verificare se fosse possibile utilizzarlo.
Si è ruotato il prisma in modo da avere una faccia quasi parallela alla corrente asintotica e si è posizionata la sonda in prossimità della superficie andando a cercare un segnale caratteristico dello strato limite laminare. La corrente asintotica si è fissata a circa 20 m/s.
Fig. 10.11 Posizionamento della sonda vicino al modello
Dopo una prima analisi del segnale con l’oscilloscopio, visualizzando frequenze massime dell’ordine dei 2 kHz, in accordo con il teorema di Shannon Nyquist, per evitare fenomeni di aliasing si è deciso di campionare il segnale con una frequenza di 5 kHz.
L’analisi del segnale acquisito a messo in luce il fatto che con il modello in questione non fosse possibile produrre uno strato limite laminare e tanto meno effettuare le misure che ci eravamo prefissati.
L’analisi statistica e lo spettro di Fourier (Fig. 10.12) hanno infatti messo in luce la natura turbolenta del flusso in quel punto, probabilmente fortemente influenzato dal vortex shedding nella scia del corpo in questione.
MEAN= 14.4339 VARIANCE= 3.40904 SKEWNESS= -6.481083E-03
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0 500 1000 1500 2000 2500
Spettro di Fourier del segnale acquisito vicino al modello
frequenze (Hz)
Fig. 10.12 Spettro di Fourier del segnale acquisito vicino al modello
Dopo aver preso coscienza del fatto che il modello non poteva essere utilizzato ma allo stesso tempo era preferibile non disinstallarlo, si è pensato di utilizzare il piano della camera di prova antistante il prisma come modello di lastra piana ad incidenza nulla.
Data la forte rugosità della superficie, si preferito rivestirla con un cartoncino nero.
Da considerazioni riguardanti lo strato limite laminare (Fig. 10.12), si è posizionata la sonda a circa 30 cm dal bordo d’attacco e diminuita la corrente asintotica a 15 m/s per attenderci un segnale caratteristico di uno strato limite laminare (Fig. 10.13).
L’analisi del segnale però ancora una volta ha rivelato la natura turbolenta dello strato limite.
Questo fatto è dipeso probabilmente sia dalla presenza del modello nella galleria con conseguente formazione del vortice a staffa nel suo intorno, sia per il gradiente di pressione determinato dalla geometria della parte anteriore del piano della camera di prova.
Fig. 10.13 Spessore e posizione strato transizione per il flusso di Blasius
Fig. 10.14 Posizionamento della sonda all’interno della camera di prova
Visto l’insuccesso della prova, il passo successivo è stata la ricerca con il filo di lana della posizione della transizione dello strato limite lungo il profilo del piano (Fig. 10.14).
Fig. 10.15 Analisi del flusso mediante il filo di lana
Posizionata quindi la sonda a circa 5 cm dal bordo d’attacco (Fig. 10.15) e acquisito il segnale, si è verificata, mediante l’analisi statistica e lo spettro di Fourier, la natura laminare dello strato limite.
Trovata quindi una zona di flusso con strato limite laminare, si è passato alla definizione del test matrix per le acquisizioni da effettuare per lo studio della transizione.
Il test matrix è riportato nella seguente tabella.
N° Distanza b.a. (cm) 1 5 2 7 3 9 4 10 5 11 6 12 7 13 8 14 9 15
Dopo aver effettuato tutte le acquisizioni definite nel test matrix, si è passati ad effettuare l’analisi dei segnali acquisiti.
10.5 Analisi dei segnali
Per valutare la posizione della transizione lungo il profilo, si è studiato l’andamento della varianza dei segnali (Fig. 10.16) e degli spettri di Fourier (Fig. 10.17).
I dettagli dell’analisi di ogni singolo segnale sono riportati in appendice II.
Dall’osservazione dei suddetti andamenti si evince che il processo di transizione inizia ai 12 cm dal bordo d’attacco e lo strato limite diviene completamente turbolento tra i 13 ed i 14 cm dal bordo d’attacco.
Fig. 10.17 Varianza dei segnali lungo il profilo
Bibliografia
[1] Giovanni Lombardi, Dispense per il corso di “Aerodinamica Sperimentale” [2] Iungo, Dispense per il corso di “Aerodinamica Sperimentale”
