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L`ala finita

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L`ala finita
Corso di MECCANICA DEL VOLO
Modulo Prestazioni
Lezione 5- L’ala finita
Prof. D. P. Coiro
[email protected]
www.dias.unina.it/adag/
Corso di Meccanica del Volo - Mod. Prestazioni - Prof. D. Corio - Intro Il Velivolo
1
Influenza del Mach sulla portanza
MACH
M∞ = V∞
a
In generale in subsonico
Regola di Prandtl-Glauert
cl =
clM =0
1 − M∞2
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2
Mach critico
F
F
Quando il numero di Mach della corrente si avvicina a 1, condizioni di flusso
sonico saranno raggiunte in qualche punto del profilo (la velocità sul dorso del
profilo è maggiore di quella della corrente a monte)
Il numero di Mach della corrente per il quale per la prima volta si raggiungono
condizioni “soniche”(cioè M=1) sul profilo, viene detto :
Il numero di Mach critico (Critical Mach number (Mcrit)
M=1
M∞
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3
Onde d’urto
F
F
Quando il numero di Mach della corrente M∞
supera quello critico, un’ ”onda d’urto” si forma sul
profilo (generalmente inizialmente sul dorso del
profilo)
L’onda d’urto rappresenta una forte discontinuità di
pressione (in aumento a valle) ed interagisce anche
con lo strato limite causando inspessimento e
possibile separazione
Terminating
Shock
M∞
M< 1
M >1
Separated
Wake
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4
Barriera del suono
F
F
F
La resistenza associata all’ “onda d’urto” e la
separazione viscosa associata comportano quindi un
forte aumento della resistenza. All’aumentare del
Mach oltre quello critico l’onda d’urto diventa
intensa e si sposta verso il bordo d’attacco del
profilo.
Il forte aumento di resistenza e le vibrazioni
associate (buffeting) sono quelle che i piloti
avvertono come “barriera del suono”
Quando la resistenza aumenta molto si è raggiunto il
cosiddetto Drag Divergence Mach number (Mach di
divergenza della resistenza)
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5
Resistenza in campo comprimibile
Mach critico
Mach di divergenza della resistenza
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6
Profili alari – evoluzione storica
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7
Profili alari – caratteristiche aerodinamiche
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8
Profili alari
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9
Caratteristiche Geometriche
dell’Ala
F
L’ala è l’organo di sostentamento del velivolo
– Forma in pianta:
pianta è la forma
ottenuta proiettando l’ala su un
piano orizzontale (ali a delta,
ellittiche, ecc.).
– Superficie alare (S):
(S) si intende
l’area della forma in pianta alare
ivi compreso la parte esistente o
non esistente racchiusa in
fusoliera.
– Apertura alare (b):
(b) è la distanza
tra le estremità alari misurata
perpendicolarmente al piano di
simmetria.
SS
bb
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Caratteristiche Geometriche
dell’Ala
– Rapporto di Rastremazione:
Rastremazione è
il rapporto tra la corda
all’estremità e la corda alla
radice, λ = ct/cr variabile tra 0
(ali a delta) ed 1 (ali
rettangolari).
– Corda media aerodinamica:
aerodinamica è
il rapporto tra la superficie
alare e l’apertura alare S/b.
S/b
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Caratteristiche Geometriche
dell’Ala
– Angolo di freccia : è l’angolo
formato tra la retta
ortogonale al piano di
simmetria e la linea del bordo
d’attacco
– Svergolamento:
Svergolamento è l’angolo che
la corda del profilo
all’estremità forma con la
corda alla radice
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Caratteristiche Geometriche
dell’Ala
– Angolo Diedro:
Diedro è l’angolo
che le superfici alari
formano con un piano
orizzontale ed è
considerato positivo
quando le corde
all’estremità sono
sollevate rispetto alla
corda alla radice.
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L’ALA FINITA: sintesi
V
Angolo di freccia al
bordo d’attacco
(velocità flusso)
Wing section (airfoil)
Sezione alare (profilo)
S
Wing area
(superficie alare)
Corda di radice cr
Linea dei punti a c/4
Bordo d’attacco
Corda di
estremità
Bordo d’uscita
ct
Apertura alare (b)
AR Aspect ratio
(allungamento alare)
2
AR = b
S
λ =ct/cr taper ratio (0-1)
(rapporto di rastremazione)
Sono parametri
adimensionali
Dihedral angle Γ
(angolo diedro)
Le ali dei velivoli da trasporto
sono caratterizzate da ali
¾ Rastremate
¾ a freccia
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Caratteristiche Geometriche dell’Ala
– Allungamento Alare:
Alare è
un importante
parametro geometrico
dell’ala e viene definito
come b2/S dove
u b= apertura alare
u S= superficie alare
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L’ALA FINITA
Aspect Ratio
Aspect Ratio (AR):
2
b
AR=
S
Note: AR=b/c for rectangular wings.
High AR
Low AR
Typical Values
Fighters: 2-5
Transports: 6-10
Gliders:
10-15
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L’ALA FINITA
Aspect Ratio (AR):
b2
AR=
Aspect Ratio
S
Valori tipici:
1 Lockeed Electra AR=7.5
2 Shorts 360 AR=12.4
3 Fokker F28 AR=8
4 Airbus A320 AR=9.4
5 Concorde AR=2
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Resistenza Indotta
F
Resistenza Indotta
– La resistenza indotta è
strettamente legata alla
tridimensionalità
dell’ala.L’ala
infatti non
ala
può essere analizzata
considerando solo una
sua sezione
bidimensionale bensì
come un oggetto a tre
dimensioni immerso in
un fluido.
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Resistenza Indotta
F
Alle estremità alari l’aria
tenderà a fluire dalla zona ad
alta pressione alla zona a
bassa pressione generando
dei vortici. La generazione di
questi vortici verrà pagata in
termini di una resistenza
detta resistenza indotta.E’
chiaro che dire differenza di
pressione tra dorso e ventre
vuol dire portanza. La
resistenza indotta si genera
quando l’ala genera portanza
; CL ≠ 0 vuol dire CDindotta ≠ 0
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L’ALA FINITA
Wingtip Vortices
Downwash
TOP SURFACE
(relative low pressure)
(relative high pressure)
BOTTOM SURFACE
upper surface flow (inboard)
Front
View
lower surface flow (outboard)
Bottom
View
The pressure imbalance at the wingtip sets up a spanwise
component of flow, strongest at the tips, weakest in the center.
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L’ALA FINITA
Wingtip Vortices
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Resistenza indotta
Maggiore CL
F
F
Maggiore Cdindotta
A parità di portanza
L= ½ρV2CLA volare a
velocità maggiore
permette di volare ad un
CL minore. Volare ad un CL
minore vuol dire volare ad
un angolo d’attacco
minore.
Per cui angoli d’attacco
piccoli vogliono dire
resistenza indotta piccola
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Resistenza indotta
F
F
Considerando due ali di pari
superficie alare e diverso
allungamento, quella con
maggiore Allungamento
presenta una minore
resistenza indotta.
Un’ulteriore modo per
ridurre la resistenza
indotta risiede nella
creazione di piccole alette
verticali posizionate
all’estremità alari dette
Winglets.
Winglets
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L’ALA FINITA
Wingtip Vortices
Questa distribuzione di pressione e flusso produce alle due
estremità dei vortici che si estendono a valle.
Tali vortici vanno però a modificare anche la direzione della
corrente che investe l’ala. Tale deflessione della corrente
viene detta “downwash”.
Effective free stream direction
in vicinity of the wing
Downwash
V∞
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L’ALA FINITA
Resistenza Indotta (VORTEX DRAG)
Si può ridisegnare il vettore portanza perpendicolare alla
NUOVA DIREZIONE della velocità.
Avremo la nascita di una componente nella stessa direzione
della originale direzione della corrente a monte.
Tale componente è la resistenza indotta o anche dovuta alla
portanza.
αi
Chord line
Lift
Induced Drag, D i
α
ε
V∞
Local flow
direction
α
α
eff
Parallel to
chord line
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L’ALA FINITA
Resistenza Indotta (VORTEX DRAG)
Re sistenza indotta :
Di =L sin α i
poichè α i è genralemte piccolo,
Di =Lα i (α i in radianti)
Per una distribuzione ellittica di portanza
CL
αi =
πAR
LCL
quindi , Di =Lα i =
πAR
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L’ALA FINITA
Resistenza Indotta (VORTEX DRAG)
e poichè L = q∞SCL
2
L
q∞SC
Di =
πAR
oppure ,
CL2
CDi =
πAR
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Forma in pianta dell’ala
F
F
F
F
Come gia accennato la portanza e la resistenza di un ala sono
sono strettamente legate alla forma tridimensionale dell’ala
stessa.
E’ facile intuire come, oltre alla geometria del profilo, un ruolo
fondamentale lo giochi la forma in pianta dell’ala.
La distribuzione di portanza lungo
l’apertura alare influenza
direttamente la resistenza indotta.
È stato dimostrato, sia
sperimentalmente che analiticamente,
che una distribuzione ellittica di
portanza è quella che offre minore
resistenza indotta.
indotta
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Forma in pianta dell’ala
F
F
Una distribuzione ellittica della
portanza lungo l’apertura alare
si ottiene con una forma in
pianta ellittica.
Non sempre è possibile adottare
forme in pianta ellittiche. Anche
se la forma in pianta non è
ellittica si può ottenere una
distribuzione di portanza ellittica
costruendo le ali rastremate e
svergolate
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Forma in pianta dell’ala
F
F
F
F
F
Su velivoli ad alte velocità capita sovente
vedere una forma in pianta dell’ala a
freccia.
Il principale vantaggio che offre la freccia
si ha ad alte velocità e sarà oggetto di
studio nel modulo riguardante tale
condizioni di volo.
La velocità asintotica si scompone lungo
la direzione ortogonale all’apertura e
lungo la direzione parallela.
La componente utile sarà solo quella
ortogonale.
L’ala a freccia offre comunque anche dei
vantaggi sulla stabilità che saranno
spiegati durante questo modulo
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L’ALA FINITA
Resistenza Indotta (VORTEX DRAG)
Per ali non ellittiche :
CL2
(1+ δ )
CDi =
π AR
δ
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L’ALA FINITA
Ridurre la res. Indotta:
- Forma in pianta
- Winglet
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L’ALA FINITA
Resistenza totale - Total Drag
F
F
La resistenza totale ha due componenti
– Profile drag (skin friction + pressure)
– Induced drag
In coefficienti:
CL2
CD =cd +
π ei AR
Total= Pr ofile+ Induced
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L’ALA FINITA
Total
Drag (con l’assetto).
Anche la resistenza parassita varia con
la portanza
Tipicamente è la pressure drag che varia con l’assetto (quindi con il CL)
CD
Total
Induced Drag
(VORTEX DRAG)
Pressure Drag
Skin Friction Drag
CL
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L’ALA FINITA
Total Drag
La resistenza complessiva potrà essere scomposta in :
Resistenza parassita a CL=0
Resistenza dovuta al CL (che diremo RESISTENZA DOVUTA ALLA PORTANZA)
LIFT DEPENDENT DRAG
CD
Total
Induced
Dragalla(VORTEX)
Coeff resist dovuta
portanza
(somma della vortex drag e della
variazione della parassita con l’assetto)
Pressure Drag
Coeff Friction
resist parassita
Skin
Drag
CL
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Resistenza Parassita
F
Resistenza Parassita
– La resistenza parassita è, per un
aereo, la resistenza dovuta alle
parti del velivolo che non
concorrono alla portanza:
fusoliera, gondole motori, ecc.
– Inoltre nella zona di giunzione
tra la fusoliera e le superfici
aerodinamiche si ha una zona di
interferenza ossia il flusso viene
disturbato dalla presenza della
fusoliera e in quella zona la
superficie aerodinamica non
lavora come dovrebbe.
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Resistenza
F
F
Il coefficiente di resistenza
può essere diviso in due
contributi : la resistenza di
profilo e la resistenza
Re sistenza = D =
indotta
A sua volta la resistenza di
profilo può essere divisa in
resistenza Parassita, di
Forma, d’Attrito
1
2
Re sistenza = D = ⋅ ρ ⋅ V ⋅ S ⋅ C D
2
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L’ALA FINITA
3-D Effects on Lift
c l and CL
Airfoil
cl α
C Lα
Wing
α
Clα
57.3 ⋅ Clα
Notare che la pendenza C Lα =
con Clα in [1/°]
della retta di portanza
1+
π ⋅ AR
dell’ala è inferiore a quella
del profilo.
Formula approssimata
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Il Fenomeno della Separazione
F
F
Flusso separato:
separato Il fenomeno della
separazione avviene a causa della
viscosità del fluido. Per il teorema di
Bernoulli sulla parte del profilo dove le
velocità sono maggiori le pressioni
saranno minori e viceversa. Se a causa
della viscosità una parte dell’energia
cinetica della particella fluida viene
dissipata per vincere l’attrito (strato
limite) la pressione non sarà più
“bilanciata” e la particella fluida
tenderà a muoversi in direzione
opposta al flusso.
È bene sottolineare che flusso
turbolento e flusso separato sebbene
sembrino lo stesso fenomeno sono in
realtà due cose distinte.
Corso di Meccanica del Volo - Mod. Prestazioni - Prof. D. Coiro
Corso di Meccanica del Volo - Mod. Prestazioni - Prof. D. Coiro
Aumentare la Portanza
F
F
F
Nelle fasi del decollo ed atterraggio
è necessario ridurre la velocità.
E’ quindi necessario incrementare
il valore del coefficiente di
portanza oppure aumentare la
superficie S (½ CLρV2S=L).
Si modifica il profilo utilizzando gli
slat per il bordo d’attacco ed i flap
per il bordo d’uscita.
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Aumentare la Portanza
F
In questo modo si modifica: la
curvatura del profilo (Split Flap) e/o la
superficie S (Fowler Type Flap, Double
Slotted Fowler Flap).
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Polare
F
F
F
Un diagramma molto comodo per lo
studio dei profili e del velivolo
completo è la cosiddetta polare.
polare
La polare riporta il coefficiente di
portanza CL in funzione del
coefficiente di resistenza CD.
Come si vede nella parte superiore
della curva si hanno due valori di Cd
per un valore di CL uno prima dello
stallo ed uno dopo lo stallo
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