La Bolla LaminareLa Bolla Laminare

La Bolla LaminareLa Bolla LaminareLa bolla laminare è un fenomeno che si presenta normalmente ai bassi

numeri di Reynolds, laddove l’energia associata alle particelle fluide è minore. La formazione di una Bolla Laminare è condizionata dal verificarsi di tre condizioni:1.Innanzitutto si deve avere un distacco dello strato limite laminare in seguito ad un gradiente di pressione avverso. Va ricordato che la condizione di back flow è matematicamente e fisicamente giustificata solo in presenza di un dp/dx positivo.2.Si deve avere una transizione dello shear layer.3.Si deve avere un riattacco dello strato limite turbolento a valle del punto di separazione.In questo modo si viene a formare sulla superficie alare una zona localizzata

di ricircolo quasi stazionario a cui si da il nome di “Bolla di separazione laminare”.

Separazione Laminare

Transizione Riattacco Turbolento

La Bolla Laminare La Bolla Laminare –– Effetti sul CEffetti sul CppIl fluido in ricircolo all’interno della bolla mantiene la pressione ad un valore costante. Utilizzando un grafico del Cp è possibile individuare la zona di separazione locale andando a cercare i tratti a pressione costante all’interno del recupero; la fine della bolla è associata ad un brusco recupero della pressione, che si riallinea ai valori che avrebbe nel caso in cui la bolla non fosse stata presente.

-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

11.21.4

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04

CdCl

Naca2412 Re 100k

Naca 2412 Re 1M

La Bolla Laminare La Bolla Laminare –– Effetti sul CEffetti sul Cdd

Osservando il grafico sopra riportato si può notare innanzitutto come l’aumento del numero di Reynolds induca una diminuzione della resistenza; ciò è essenzialmente dovuto alla diminuzione dello spessore dello strato limite ed alla riduzione della resistenza di forma.

Relativamente al fenomeno della Bolla, si può invece notare l’andamento anomalo della zona tratteggiata, in cui vi è un sensibile aumento del Cdrispetto a quanto ci si sarebbe aspettato.

La Bolla Laminare La Bolla Laminare –– Pre Stall HysteresisPre Stall Hysteresis

L’isteresi precedente lo stallo (pre-stall hysteresis) è un fenomeno che si presenta pricipalmente ai bassi numeri di Reynolds. Esso è legato alla presenza di una bolla di separazione laminare che viene a formarsi intorno alla metà del profilo con una estensione in direzione del bordo di uscita. All’aumentare dell’angolo, il punto di riattacco turbolento si sposta verso il bordo di uscita dando luogo ad un andamento del coefficiente di portanza simile a quello riscontrabile in un trailing edge stall. Oltre un certo angolo questo comportamento si modifica e la bolla si sposta improvvisamente verso il bordo di entrata diminuendo la sua dimensione, sino a scomparire o a rimanere confinata sul naso. Ciò comporta un brusco aumento del Cl. Numerose analisi effettuate in passato hanno evidenziato come tale fenomeno sia connesso ad un andamento della velocità nella seconda metà del profilo di tipo concavo (vedi figg. in alto).

La Bolla Laminare La Bolla Laminare –– Stall HysteresisStall Hysteresis

L’isteresi allo stallo è un fenomeno che, come il precedente, si presenta normalmente ai bassi numeri di Reynolds. Esso è determinato dalla presenza di una piccola bolla laminare localizzata sul naso del profilo; aumentando l’angolo di attacco lo stallo viene determinato dall’esplosione della bolla (bubble bursting) per l’eccessiva differenza di pressione fra il suo interno e l’esterno. Diminuendo successivamente l’angolo del profilo, la portanza ritornerà ad assumere i valori che aveva nel tratto di salita solo ad un angolo più basso rispetto a quello per cui si era avuto lo stallo.Osservando le distribuzioni di velocità nella prima parte del profilo si può

osservare come i profili con pre-stall hysteresis hanno un gradiente di velocità dopo il picco di aspirazione abbastanza piccolo.

La Bolla Laminare La Bolla Laminare ––HysteresisHysteresis

Non è escluso che un profilo alare possa presentare entrambe le tipologie di isteresi. Chiaramente perché ciò accada, si dovranno avere contemporaneamente le condizioni sui profili di velocità precedentemente sottolineate.

Appendici AerodinamicheAppendici AerodinamicheAusiliarie:Ausiliarie:

i i FlapsFlaps

Tipologie di Tipologie di FlapsFlaps

I Flaps sono dispositivi aggiuntivi utilizzati normalmente nelle fasi di decollo ed atterraggio. Si dividono principalmente in leading edge o trailing edgeflaps, a seconda che siano posizionati sul naso o sulla coda del profilo. Gli effetti principali del loro utilizzo sono un significativo aumento del coefficiente di portanza e del coefficiente di resistenza.

PlainPlain FlapFlapNei Plain Flap una parte della coda dell’ala è incernierata e può essere deflessa in alto o in basso.

Vantaggi:Possono dare un aumento del Clmax sino a

0,9.Con inclinazioni di 15° o meno possono

essere usati in fase di decollo.Svantaggi:

La separazione inizia normalmente attorno ai 15°, 20° determinando l’aumento del Cd fino ad un +1,2.

Avendo una linea di separazione l’aria può passare fra intradosso ed estradosso quando sono chiusi, generando resistenza aggiuntiva.

Gli organi di collegamento sono sempre sollecitati anche in condizione di Flapchiuso.

PlainPlain FlapFlapGeneralmente il Cl massimo raggiungibile si ottiene per una deflessione di circa 60° - 70°.

Da vari esperimenti condotti sulle serie a 5 cifre (230) e 6 cifre, si è visto che la lunghezza ottimale per un Plain Flap è circa del 20% , 25% della corda.

Il Cl massimo aumenta a parità di grandezza dei flap, all’aumentare dello spessore del profilo.

PlainPlain FlapFlap

L’apertura o la chiusura dell’interspazio fra il flap ed il profilo modifica drasticamente il Cl massimo raggiungibile.

L’effetto di scala ottenibile aumentando il numero di Reynolds non è significativo per Re compresi fra 0.6x106 e 3.5x106

PlainPlain FlapFlap

L’aumento del coefficiente di momento indotto dall’apertura del flap è con buona approssimazione linearmente proporzionale all’aumento di Cl ottenuto. Tranne che per gli Split Flap, tale risultato è verificabile anche per altri tipi di Flap. La concordanza con il calcolo teorico basato sulla teoria dei profili sottili è molto soddisfacente.

Split Split FlapFlap

Vantaggi Principali:sono di semplice realizzazione

meccanica.quando sono chiusi non alterano la

superficie dell’intradosso.non c’è passaggio d’aria da sotto a

sopra nella giunzione a flap chiuso.sono efficienti nell’aumentare il

Clmax anche di 1.0.Svantaggi Principali:

un elevato valore di resistenza a flapaperto.

necessitano di una elevata potenza dell’aereo in fase di decollo.

L’aumento di Cl può essere usato solo in fase di atterraggio.

Split Split FlapFlap

NACA 23012NACA 23012 NACA 23021NACA 23021 NACA 23030NACA 23030Al variare dello spessore del profilo e della dimensione del flap, l’angolo di deflessione ottimale rimane sempre compreso fra 60° e 70°.

Split Split FlapFlapAumentando il Reynolds l’aumento del Cl è apprezzabile.

Non vi è però alcuna linearità e non è possibile prevederne il comportamento.

Nel grafico sono riportati i risultati di flap al 20% della corda con una deflessione di 60°.

I grafici superiori corrispondono ad una superficie levigata e quelli inferiori ad una rugosità sul bordo di entrata.

SlottedSlotted FlapFlap

Vantaggi:Rispetto al Plain Flap lo Slotted, una volta aperto, è in grado di rinnovare

l’energia del flusso sopra l’estradosso mettendolo in comunicazione con l’intradosso. Se il raccordo nella parte superiore è ben curato l’aria proveniente della zona a maggior pressione uscirà con le linee di flusso parallele a quelle dell’estradosso unendosi a loro e ritardando la separazione.

Macroscopicamente ciò comporta un aumento del Clmax raggiungibile fino a 1,2.

La resistenza che si genera con questo dispositivo aperto è minore di quella di uno split flap e di un plain flap; di conseguenza per le fasi di decollo questi dispositivi possono essere utilizzati con moderate aperture.

Svantaggi:Lo svantaggio principale è nella possibilità di comunicazione fra le zone a

diversa pressione anche con il flap chiuso.Secondariamente i meccanismi di azionamento del flap sono molto più

complessi dei modelli visti in precedenza.

SlottedSlotted FlapFlap

DoubleDouble SlottedSlotted FlapFlap

Basandosi sullo stesso principio secondo cui l’aria della zona a maggior pressione passando attraverso la giunzione del Flap aperto può, se ben indirizzata, aiutare a mantenere attaccato lo strato limite dell’estradosso, è possibile dividere lo SlottedFlap in più parti ottenendo un maggior Clmax anche se a spese di una maggior complicazione realizzativa.

SlottedSlotted FlapFlap

a) NACA 23012 (60°)a) NACA 23012 (60°) b) NACA 23021 (60°)b) NACA 23021 (60°) c) NACA 61c) NACA 6111--212212

JunkersJunkers FlapFlap

Questo tipo di Flap appartiene alla categoria precedente degli Slotted Flape ne conserva le caratteristiche di capacità di aumento del Cl.Differentemente dagli altri presenta però una maggior resistenza in configurazione non operante, e ciò è dovuto al suo ingombro esterno.Attualmente sono abbastanza utilizzati in quanto permettono di realizzare un’ala completamente da stampo senza interventi e senza l’aggiunta di meccanismi complessi; ne deriva quindi un’ottima facilità di utilizzo.

FowlerFowler FlapFlap

Il Flower Flap può essere considerato un tipo speciale di Slotted Flap. In particolare il suo movimento si compone oltre che di una rotazione verso il basso, anche di uno scorrimento a valle; questo comporterà oltre ad un aumento della camber (rotazione), anche un aumento della corda (scorrimento) e di conseguenza l’aumento del Clmax ottenibile sarà maggiore rispetto ai casi precedenti (1.7 ca.).Rispetto agli altri Flap l’aumento di resistenza per piccole deflessione sarà minore e quindi questo sistema può essere utilizzato anche nelle fasi di decollo oltre che di atterraggio.

LeadingLeading EgdeEgde DeviceDevice

L’uso di un leading edge deviceè assimilabile, nei sui effetti sul Cl, ad una camber avanzata.

Questa tipologia di dispositivo può essere utilizzata sia da sola che in combinazione con i trailing edge flaps.

LeadingLeading EgdeEgde DeviceDevice

NACA 64NACA 6411012 012 –– Kruger FlapKruger FlapNACA 64A010 NACA 64A010 –– Slat FlapSlat Flap

CombinedCombined Lift Lift DeviceDevice

La combinazione di dispositivi al bordo d’entrata ed al bordo di uscita per aumentare la portanza ci permette di ottenere sia un elevato Clmax che un aumento contemporaneo dell’angolo di stallo del profilo; difatti in pratica si vengono a combinare le situazioni di Nose Camber e Aft Camber. L’applicazione di tali sistemi resta però vincolata dalla complessità costruttiva degli stessi.

Configurazioni dei Configurazioni dei FlapsFlaps

Decollo Volo

MeccanismiAtterraggio

RiferimentiRiferimentiNACA Report 938

http://www.compufoil.com/

http://naca.larc.nasa.gov/

http://amber.aae.uiuc.edu/~m-selig/

http://raphael.mit.edu/xfoil/

http://www.cfd-online.com/

http://www.nasg.com/index-e.html