Controllo della Separazione dello Strato Limite Laminare

I fenomeni di separazione dello strato limite laminare incidono pesantemente sulla resistenza aerodinamica dei corpi aventi sezione a profilo alare. Per questo motivo l’utilizzo di metodi di controllo dello strato limite diventa necessario quando l’incremento di resistenza risulta fastidioso o inaccettabile, come, ad esempio, nel caso di piccoli velivolio aeromodelli in scala (UAV-unmanned air vehicles). In particolare il fenomeno della bolla di separazione laminare si presenta proprio agli angoli di incidenza in cui l’ala generalmente lavora.

La separazione avviene sull’estradosso del profilo alare a causa di un gradiente avverso di pressione. Se nello strato separato vengono amplificati i disturbi presenti nel flusso principale, il fluido passa da un moto laminare ad uno turbolento, riattaccandosi alla superficie del corpo e creando una zona di fluido stagnante caratterizzata da un vortice di ricircolo stazionario, denominata bolla di separazione.

Gli attuali metodi di controllo dello strato limite si possono suddividere in due classi: la prima ricerca il mantenimento di un flusso laminare sulla maggior parte dell’estradosso del profilo; questo può essere fatto aspirando le particelle di fluido esauste o aggiungendo energia al flusso in procinto di separarsi. La seconda prevede l’induzione di un flusso turbolento prima della separazione mediante l’introduzione di discontinuità geometriche (turbolatori) sulla superficie del corpo.

Nel primo caso si va incontro a sistemi di aspirazione/soffiamento piuttosto complessi che necessitano di notevoli particolarità costruttive; si può operare o attraverso l’utilizzo di appendici aerodinamiche mobili (flaps) oppure forando opportunamente la superficie dell’ala e collegando le aperture create ad una pompa da vuoto in grado di aspirare lo strato limite.

Il secondo metodo è senza dubbio più semplice ed economico ma presenta alcuni svantaggi; in primo luogo l’ala lavora con un flusso sempre turbolento in qualsiasi condizione di volo: questoincrementa in ogni caso la resistenza viscosa. In aggiunta occorre considerare che il fenomeno della bolla di separazione non è stazionario; la bolla modifica posizione e dimensioni al variare dell’angolo di incidenza del profilo alare e del numero di Reynolds. Ciò significa che i turbolatori fissati per una particolare condizione di volo svolgono il loro dovere solo in queste situazioni, mentre possono risultare inutili in altri casi.

La ricerca attualmente in corso presso il laboratorio di Aerodinamica del dipartimento di Energetica dell’Università Politecnica delle Marche riguarda lo studio di un possibile nuovo metodo di controllo basato sull’introduzione di un disturbo in grado di destabilizzare lo strato limite laminare e di promuovere così la transizione ad un moto turbolento prima del punto di separazione del flusso. La natura di tale disturbo può essere molteplice.

Il caso studiato in via preliminare è l’introduzione di un’onda acustica a frequenza fissa all’interno del flusso principale. L’idea alla base di questo metodo proviene dalla teoria di stabilità primaria, l’unica disponibile allo stato attuale per descrivere il complesso fenomeno della transizione da flusso laminare a turbolento. La formulazione della teoria è dovuta agli scienziati Rayleigh, Orr e Sommerfeld che si sono ispirati all’osservazione sperimentale: in base a questa si nota infatti un punto sulla superficie del corpo lambito dal flusso dal quale il moto laminare sembra assumere un comportamento oscillatorio. Queste onde che si formano (onde di Tollmien-Schilchting – onde TS) possono essere amplificate o meno in virtù della natura dei disturbi presenti nel flusso esterno. Nel primo caso si va incontro alla formazione di successivi spot turbolenti che, diventando sempre più numerosi, si confondono e creano il moto disordinato proprio di un flusso turbolento.

Introducendo una adeguata fluttuazione di pressione (e quindi di velocità) all’interno del flusso principale è plausibile creare una sorta di risonanza delle onde TS in modo da massimizzare l’effetto di amplificazione e indurre la completa transizione del flusso prima del punto di separazione. La fluttuazione di pressione menzionata non è altro che un’onda sonora di particolare frequenza. In tal modo è possibile pensare ad un metodo di controllo dello strato limite di tipo attivo senza eccessive particolarità costruttive.

Allo stato attuale la ricerca si è soffermata sullo studio dell’effetto dell’onda sonora sulla bolla di separazione laminare presente sull’estradosso di un profilo alare di piccolo spessore, al variare dell’angolo di attacco e della frequenza dell’onda. I test sono stati eseguiti nella galleria del vento a circuito aperto disponibile in laboratorio utilizzando una tecnica termografica per la visualizzazione ed il calcolo dei parametri caratteristici della bolla: punto di separazione, transizione e riattacco.

I risultati ottenuti fino a questo punto sono molto incoraggianti: si è infatti potuto osservare che l’onda acustica non produce la turbolenza prima della transizione eliminando il fenomeno della bolla ma ritarda la separazione ed anticipa il riattacco del flusso riducendone le dimensioni.

Termografia senza disturbo sonoro

Termografia in presenza del disturbo sonoro

Frequenza onda sonora:

300 Hz

500 Hz

In parallelo si sta iniziando ad implementare una tecnica per il controllo che riguarda la generazione del disturbo direttamente dalla superficie dell’ala: in particolare si vuole installare sulla superficie dell’ala un dispositivo MEMS (micro electro-mechanical system) in grado di vibrare ad opportuna frequenza e generare quella fluttuazione di pressione nel flusso principale che induca la massima amplificazione delle onde TS.

La scelta dei MEMSs è dovuta alle ridotte dimensioni dei modelli su cui il dispositivo andrà infine installato: in questo caso si può infatti parlare di MAVs (micro air vehicles) ovvero aeromodelli aventi un’apertura alare dell’ordine della decina di centimetri. Il dispositivo vibrante in questione è un cristallo piezoelettrico di sezione 2x2 mm azionato da un opportuno amplificatore comandato da un generatore di segnale.

La ricerca in questo settore è ancora in fase embrionale.

 


Dipartimento DIISM - Facoltà di Ingegneria
Università Politecnica delle Marche
Prof. Ing. Renato Ricci



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