7 – Conclusioni e sviluppi futuri
7.1 Conclusioni
Il presente lavoro di Tesi è nato dalla collaborazione tra il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dell’Università di Pisa (DIA) e la divisione Defencetek del Council for Scientific and Industrial Research (CSIR) della Repubblica del Sud Africa. Oggetto di questo lavoro di tesi è stato lo studio della morfologia e della dinamica del vortice d’estremità di un’ala di apertura finita. Per effettuare questo studio si è utilizzato un modello di una semiala con angolo di freccia nulla, semi-apertura alare (b/2) pari a 700 mm e superficie in pianta di 171500 mm2. Le prove sono state effettuate presso la galleria subsonica 2mWT della Low speed Division del Defencetek. Questa è una galleria a ciclo aperto con camera di prova di tipo aperto di diametro pari a 1700 mm ed una lunghezza di 2500 mm.
Sono state realizzate delle visualizzazioni laser ed un video VHS, successivamente convertito in formato digitale, in diverse condizioni di velocità del flusso ed incidenza dell’ala. Dall’analisi delle immagini e del video non si è evidenziata alcuna peculiarità riguardo la dinamica del vortice, anche quando, all’interno dello stesso, è stata introdotta la sonda utilizzata per le successive
Sono state realizzate inoltre delle misure con la sonda a cinque fori, al fine di ottenere delle mappe in cui fossero rappresentate le grandezze, derivate dalle componenti di velocità ottenute dalla sonda, utili per lo studio della morfologia e della dinamica del Tip Vortex. Le configurazioni analizzate sono riportate in tabella 6.2.
Dall’analisi delle mappe realizzate all’incidenza di 8°, alla velocità di 10 m/s e al crescere della x/c, si è potuto confermare quanto trovato in [23], ovvero che il flusso a valle dell’ala consiste di un piccolo nucleo vorticoso, circondato da un campo di velocità circolare, che avvolge il resto della scia in una spirale continuamente crescente. La forma della spirale ottenuta dalla linea media della scia, come il luogo dei picchi di 2
2 ∞ U
U
σ
, è approssimativamente simile a se stessa, al crescere di x/c, se adimensionalizzata con ξ (distanza, in direzione Z, tra il centro del vortice ed il punto dove la linea media della scia diventa orizzontale).
E’ stata valutata la traiettoria del centro del vortice attraverso i punti delle mappe in cui è stato riscontrato il minimo valore della
∞ U
U
, il minimo valore della
∞ U VCROSS
ed il massimo valore della ∞ ⋅ U c X ω
e si è osservato che a partire dalla x/c=2, i valori di η/c coincidevano; questo conferma il fatto che il flusso, all’aumentare della distanza dal bordo d’uscita, è influenzato esclusivamente dal campo di velocità circolare che circonda il nucleo.
Dall’esame delle mappe effettuate al variare dell’incidenza, si è notato un
progressivo aumento del picco di ⋅
U c X
ω
sull’incremento della vorticità assiale con l’incidenza; inoltre è stata evidenziata una riduzione del degrado qualitativo dei contorni, riscontrato invece al variare dell’incidenza, poiché incrementando la velocità gli effetti del wandering sono notevolmente ridotti.
A differenza di quanto trovato in [49], in nessuna griglia realizzata nel presente lavoro è stata evidenziata alcuna struttura vorticosa secondaria, tantomeno contro-rotante; probabilmente tali strutture secondarie, riscontrate nelle zone di confine di strutture vorticose concentrate, sono frutto dell’erronea risposta del vorticimetro a pressione, che in tali condizioni restituisce un valore errato della vorticità.
Infine sono state effettuate delle altre misure con sonda a cinque fori, al fine di ottenere delle traverse, passanti per il centro del vortice, sia in direzione dell’apertura alare che di quella ad essa perpendicolare. Le configurazioni analizzate sono riportate in tabella 6.5.
Dall’analisi delle traverse, a tutte le condizioni di velocità ed incidenza, è stata riscontrata una leggera asimmetria nel profilo della Vθ, la quale presentava il
suo picco massimo sempre dalla parte negativa di r/r1. Al crescere della distanza a
valle dal bordo d’uscita dell’ala, è stata osservata la riduzione del picco di Vθ ed il
suo contemporaneo spostamento verso valori di r/c crescenti, che evidenzia una crescita del diametro del nucleo.
E’ stato calcolato infine il valore del rapporto 0 Γ
Γ
al variare di r/c, ad ogni x/c e si è osservato che i dati raccolti sono in buon accordo con la legge teorica di Hoffmann-Joubert.
Inoltre è stata effettuata una breve analisi in frequenza dei segnali acquisiti alla x/c=1 ed alla x/c=5, alla velocità di 10 m/s ed all’incidenza di 8°. In entrambi i casi il valore dell’energia, alle basse frequenze, subisce una progressiva riduzione con l’aumentare di r/c, mentre la riduzione del contenuto energetico alle alte frequenze è molto meno marcata; inoltre si è notato che da 2 10−1
∞ ⋅ > ⋅ U c f , la pendenza degli spettri risulta pressoché invariata. Si può dire quindi che il wandering produce delle oscillazioni a frequenze sicuramente minori di
1 10 2 − ∞ ⋅ ≈ ⋅ U c f
come già riscontrato in [23]. Infine dal confronto tra gli spettri wavelet nelle due condizioni, si è evidenziato che il salto energetico, tra le basse e le alte frequenze risulta maggiore alla x/c=5; tale caratteristica conferma il fatto che le oscillazioni del vortice dovute al wandering, incrementano la loro ampiezza a valori crescenti di x/c.
7.2 Sviluppi futuri
Le misure effettuate con la sonda a cinque fori hanno portato a risultati piuttosto soddisfacenti sia nel caso delle griglie che in quello delle traverse; si auspica soltanto l’analisi di un maggior numero di configurazioni per avere una più ampia comprensione del fenomeno.
Per indagare più approfonditamente sulla dinamica del roll-up del vortice, si consiglia un approccio con tecniche LDV, in modo da poter effettuare delle misurazioni anche in prossimità della superficie dell’alla, senza interferire col fenomeno in esame.
Come detto il fenomeno del wandering produce l’alterazione dei dati acquisiti e quindi dei risultati ottenibili poiché, a causa delle oscillazioni non stazionarie, le misure che vengono fatte risultano essere in realtà misure mediate nel tempo e nello spazio.
Per depurare i segnali dagli effetti del wandering, si potrebbe procedere allo sviluppo di un metodo numerico per la correzione dei dati sulla base di quanto già realizzato in [23]. Tuttavia per valutare la bontà di un qualsiasi metodo correttivo, sarebbe auspicabile una campagna di prove mediante rapid-scanning, ovvero acquisizioni effettuate montando una sonda a filo caldo triple-wire su un braccio rotante, che attraversi il vortice ad una velocità tale che questo possa essere considerato non oscillante.
