STA - dispense
Aerodinamica sperimentale

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
La necessità di provare cosa succede ad un "oggetto" quando si muove nell'aria era già sentita ben prima dell'invenzione dell'aereo.
Leonardo da Vinci aveva cominciato facendo esperimenti in vasca, altri successivamente si erano occupati dei fluidi, ma sempre nel campo dell'idraulica.
Le esperienze fatte con l'acqua venivano trasferite all'aria, ma era evidente che le cose non avrebbero potuto funzionare più di tanto.
Le prime forme di galleria aerodinamica furono delle torri da cui venivano lanciati dei modelli, in genere vincolati ad un cavo.
La Torre Eiffel, costruita a Parigi in occasione dell'Esposizione Universale del 1889, tra i suoi "scopi", aveva anche quello di permettere l'osservazione degli effetti su un modello lasciato cadere vincolato ad un cavo teso dalla sommità al suolo, e che veniva rilevato grazie alle terrazze intermedie.
La torre è infatti appositamente completamente cava all'interno.
Lo stesso Gustave Eiffel, pioniere dell'aerodinamica, proprio grazie alle esperienze fatte sulla sua torre dimostrò sperimentalmente il principio del moto relativo secondo cui gli effetti esercitati da una corrente d'aria su un corpo fermo sono le stesse che eserciterebbe l'aria "ferma" sul corpo che ci si muovesse dentro alla medesima velocità.
Lo stesso Eiffel costruì, tra il 1909 e il 1912 (quindi dopo il volo dei Wright) due tra le prime gallerie aerodinamiche.
Ancora utilizzate oggi le sue osservazioni sulle eliche.

Le gallerie aerodinamiche moderne, quindi, sfruttano questo principio.
Invece di far muovere il modello nell'aria ferma, si tiene fermo il modello, in modo da poterlo osservare in tutta tranquillità, e si fa muovere l'aria.

Concettualmente abbiamo una ventola che aspira (la ventola è sempre dietro il modello, per ridurre la turbolenza sul flusso d'aria) l'aria attraverso un condotto, una zona dove viene posto il modello (la "camera di prova") e due elementi di raccordo, uno prima e uno dopo la camera, che servono ad accelerare e stabilizzare il flusso dell'aria.
Esistono due tipi principali di gallerie aerodinamiche, quelle a "ciclo aperto", dove l'aria viene prelevata dall'esterno, passa nel tunnel e viene quindi ributtata all'esterno, e quelle a "ciclo chiuso", dove la stessa aria viene fatta girare in un circuito chiuso.
Le due soluzioni presentano vantaggi e svantaggi.

Nelle gallerie a ciclo aperto abbiamo uno spreco di energia in quanto l'aria una volta fuori fa giusto "vento" alla stanza ma non serve più.
Inoltre è necessario che la camera di prova sia chiusa, cioè non permetta all'aria esterna di penetrarvi, disturbando il flusso.
In compenso le gallerie a ciclo aperto sono più semplici ed economiche, di dimensioni più piccole, e non necessitano di particolari accorgimenti per la riduzione della turbolenza nel flusso.

Le gallerie di tipo aperto sono molto semplici, e sono quindi realizzabili con elementi semplici e poco costosi.
Non sono infrequenti le realizzazioni "homemade" utilizzate anche in modo efficace per la visualizzazione del flusso con fumogeni.

Le gallerie a circuito chiuso hanno il vantaggio di recuperare l'aria già in movimento e quindi sono più efficienti, permettono di lavorare con camere aperte, dal momento che essendo l'aria già in movimento, la ventola aspira praticamente solo quella che già spinge.
In compenso sono più complesse da costruire, più ingombranti, e necessitano di accorgimenti per "raddrizzare" il flusso dell'aria che arriva alla camera di prova dopo aver girato nella ventola e aver dovuto deviare 4 volte la sua direzione.
Dal momento che l'aria che circola in queste gallerie è sempre la stessa e quindi si scalderebbe per l'attrito, occorre inserire anche un dispositivo di raffreddamento.
In questo tipo di gallerie effettuare visualizzazioni con fumogeni diventa un po' più complicato in quanto il fumo resta in circolo e in poco tempo rende inutilizzabile l'attrezzatura.

La galleria aerodinamica del Politecnico di Milano

Il dipartimento di Ingegneria Aerospaziale del Politecnico di Milano ha realizzato una grande galleria aerodinamica a circuito chiuso.
Nella parte inferiore è ricavata la camera di prova aerodinamica vera e propria, mentre nella parte superiore è stata ricavata una grande camera di prova per l'ingegneria del vento.
In questa camera si studiano esattamente le interazioni tra elementi solidi (edifici, ponti, barche o treni) e il vento.
L'ingegneria del vento lavora su principi sostanzialmente diversi.
Invece del flusso pulito necessario allo studio dell'aerodinamica (stiamo simulando un velivolo che si muove nell'aria ferma, quindi se l'aria si muove e il velivolo sta fermo bisogna che l'aria si sposti in modo uniforme) qui studiamo il vento.
Il vento è aria che si sposta, e lo fa in modo caotico e vorticoso. Inoltre interferisce col suolo e quindi presenta un profilo di velocità tutt'altro che uniforme, essendo più lento al suolo e più veloce in quota.
Al Politecnico questo si simula usando una batteria di ventole che possono girare a velocità diverse e posizionando degli ostacoli per generare i vortici.

A sinistra la sala di prova per l'ingegneria del vento

A destra la camera di prova aerodinamica

I modelli in scala

Se il principio di di Eiffel afferma che c'è perfetta equivalenza tra quello che succede ad un modello che si muove nell'aria ferma e quello che succede ad un modello fermo immerso in una corrente d'aria di velocità equivalente, tale principio, purtroppo, non si può applicare così com'è anche quando vi sono differenze dimensionali tra il modello reale e quello provato in galleria.
Cioè quello che io provo su un modello in scala ridotta non sempre si può riportare al velivolo reale.
Questo perché esistono delle differenze dovute al comportamento del fluido in funzione delle forze di inerzia e della velocità.
In particolare un fluido può muoversi con moto LAMINARE, che vuol dire che le singole particelle seguono delle linee continue e più o meno rettilinee, o VORTICOSO, che invece intende che il movimento delle particelle è caotico e segue traiettorie difficilmente descrivibili.
Un altro limite è dato dalla velocità del suono: il fluido si comporta in modo sostanzialmente differente quando si raggiungono velocità vicine a quella della propagazione del suono.

Il numero di Reynolds

l numero di Reynolds fu introdotto nel 1883 da Osborne Reynolds per caratterizzare la transizione tra flusso laminare e flusso turbolento. Alla sua determinazione si giunse dopo lo studio sul flusso all’interno di tubi a sezione circolare in cui circolava un flusso a portata costante in cui venne iniettato un colorante per evidenziare il regime di flusso. Il numero di Reynolds è adimensionale ed è indicato con Re definito come:


dove ρ è la densità del fluido, V la sua velocità, d è la lunghezza caratteristica della superficie attraverso la quale avviene il flusso e μ è la viscosità del fluido che è una grandezza tipica di ogni fluido .
La viscosità è una grandezza che esprime come un fluido possa fluire con facilità.  Il prodotto ρVd rappresenta la forza inerziale del fluido quindi il numero di Reynolds è dato dal rapporto tra le forze che spingono il fluido in avanti e quelle che tendono a rallentarlo ovvero tra le forze d’inerzia e le forze viscose.

Per semplificare il discorso e tornare a ciò che serve a noi, il numero di Reynolds possiamo vederlo semplicemente come il prodotto tra la velocità e e una dimensione lineare caratteristica, essendo densità e viscosità , se lavoriamo con lo stesso fluido, uguali.
Quindi se volessimo ad esempio provare un modello in scala 1:2 in una galleria aerodinamica e volessimo mantenere lo stesso numero di Reynolds, dovremmo provare il modello a velocità doppia rispetto al reale. Questo vuol dire, per un velivolo destinato a volare a 500 km/h doverlo testare in una corrente da 1000 km/h, che è già una velocità vicina a quella del suono.
Questo spiega il perché siano necessarie gallerie aerodinamiche di grandi dimensioni, e come, sostanzialmente, non sia possibile fare prove valide su modelli di velivoli di grandi dimensioni destinati a volare ad alte velocità.
Per questo, infatti, spesso si è costretti a testare in galleria solo parti separate del velivolo, magari in scala 1:1, e poi cercare di prevedere gli effetti sul velivolo completo grazie a simulazioni matematiche al computer.

La più grande galleria aerodinamica del mondo è al NASA's Ames Research Center in California.
E' una galleria per velocità subsoniche capace di ospitare modelli con apertura alare sino a 100 piedi (circa 30 metri).

Il numero di Mach

L'altro problema che si incontra quando si cerca di provare un modello è che, come si è visto prima, se vogliamo diminuire le dimensioni del modello, per mantenere le caratteristiche del flusso aerodinamico dobbiamo aumentarne la velocità.
Questo vuol dire andare incontro a problemi di compressibilità sul modello diversi da quelli che avremmo sul velivolo reale.
Perché si mantenga la similitudine occorre che siano uguali i valori di un altro parametro, che è quello che ci da il rapporto tra la velocità del modello e la celerità del suono. Questo è il numero di Mach.

Ma=V/C

Dove V è la velocità del velivolo e C è la celerità del suono nell'aria. C a sua volta varia con la temperatura dell'aria.

Con K° temperatura in gradi Kelvin e C espresso in Km/h Con K° temperatura in gradi Kelvin e C espresso in nodi

 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20