Gurney Flap In Sailing Dott Ing Thesis (Italian version)

1. Potenziali applicazioni di Gurney flap
in un’imbarcazione a vela

2. Organizzazione della ricerca
Analisi del problema
- studio del Gurney flap su profilo alare
- studio della fisica di un’imbarcazione a
vela
Sintesi e soluzione del problema
- individuazione dei possibili usi
Approfondimenti
- applicazioni di fluidodinamica computazionale sul
caso ritenuto più interessante

3. Gurney flap su profilo alare
Nasce come striscia di
metallo collocata
perpendicolare e fissa
lungo la coda di spoiler
automobilistici con
h=0.5÷3.0% la corda.
Esempio di Gurney flap su profilo alare
A valle del profilo genera
una scia di vortici
alternati controrotanti
meglio nota come scia di
Von Karman, il fenomeno
si configura come non
stazionario.
Scia di Von Karman

4. Gurney flap su profilo alare
NACA0012 modificato con Gurney flap di varie altezze
Il profilo è come se aumentasse la propria curvatura,
da cui un notevole incremento del carico aerodinamico.
L’aumento di resistenza con l’angolo di attacco si può
ritenere trascurabile entro i limiti che interessano il
nostro campo d’applicazione, tra 0 e 8°.
In particolari configurazioni è stata misurata una
riduzione della resistenza totale ed un aumento
dell’angolo di stallo.

5. Gurney flap su profilo alare,
conclusioni
NACA0012 modificato NACA4412 modificato
Occorre scegliere l’altezza del Gurney tale che lavori immerso nello strato
limite:
- il suo funzionamento non ne viene compromesso;
- si hanno i migliori vantaggi in termini di efficienza aerodinamica.

6. Possibili usi su barca a vela,
3 aree d’interesse
Sullo scafo come sostentatore dinamico.
Sulle vele come propulsore aggiuntivo.
Sulle appendici, deriva e timone:
- come generatore di asimmetria,
- per far uso di appendici più piccole.

7. Gurney flap su scafo
Lo scafo funziona come un’ ala a
metà con il solo lato di pressione.
Raggiunta una nota velocità si
crea una portanza dinamica L che
abbassa il contributo della spinta
d’ Archimede B al bilanciamento
della forza peso W.
La barca si solleva quindi
dall’acqua con riduzione di
resistenza all’avanzamento ed
incremento immediato di velocità.
Ci si chiede quanto e in che modo
un Gurney sulla poppa dello scafo,
possa contribuire alla formazione
di tale portanza.

8. Gurney flap su vele
In una barca che risale il
vento, le vele agiscono
come delle ali generando
portanza. Relativamente
alla direzione di rotta, tale
forza Fs è scomponibile in
una componente
propulsiva FR ed una di
sbandamento FH .
Il grafico polare mostra
come, aumentando la
freccia della vela, può
crescere la spinta
propulsiva.
Il Gurney, il cui effetto è
proprio come quello di un
incremento di curvatura,
produrrà una spinta
aggiuntiva con il minimo
di resistenza in più.

9. Gurney flap su deriva
Funzione della deriva: ha
un profilo alare
simmetrico che fa
nascere la forza Fh che
bilancia l’azione del vento
sulle vele Fs.
Affinchè Fh si mantenga,
è necessario che la barca
navighi con angolo
d’attacco λ sulla deriva
non nullo; angolo detto di
deviazione dalla giusta
rotta o di scarroccio.

10. Gurney flap su deriva, come generatore
di asimmetria
Aggiungendo un Gurney ad una
deriva tradizionale si può ottenere
quanto meno una riduzione di λ con
duplice effetto:
- minor deviazione dalla giusta
rotta,
- indirettamente miglior angolo
d’incidenza del vento sulle vele ossia
incremento di spinta.

11. Gurney flap per ridurre le dimensioni
delle appendici
Una deriva più piccola, se fornita di Gurney
flap, genera la stessa portanza di una più
grande; si possono quindi ridurre
superficie bagnata e peso dell’appendice.
Per distribuzione di portanza ellittica, un
Gurney flap su deriva con profilo NACA
incrementa la portanza massima di oltre il
25%. Ciò significa a parità di portanza una
pari riduzione di area nominale quindi
resistenza.
Pur trattandosi di situazione ideale, l’entità
del risparmio è tale da meritare ulteriori
studi.

12. Approfondimenti: applicazioni di
fluidodinamica computazionale
Si vuole dimostrare che la fluidodinamica
computazionale può aiutare nella progettazione
di un Gurney flap su profilo alare.
A tal fine occorre prima produrre un metodo di
simulazione ossia:
- creare un modello del flusso attorno al profilo
alare modificato
- trovare la migliore soluzione per il flusso.
Poi, andare alla ricerca della validazione ossia
rappresentare la soluzione numerica in termini di
grafici e confrontarli con quelli sperimentali
traendone le opportune conclusioni.

13. Approfondimenti: applicazioni di
fluidodinamica computazionale
Si è simulato il comportamento di un NACA0012 con Gurney flap
alto 2% la corda, di cui si ha in letteratura un’ampia analisi
sperimentale in galleria del vento [Li, Y., Wang, J. and Zhang, P.,
“Effects of Gurney Flaps on a NACA0012 Airfoil,” Flow, Turbulence
and Combustion, Vol. 68, No.1, 2002, pp. 27-39.].
Si sono ricercati, in sequenza, i tre migliori modelli di flusso
stazionario corrispondente ognuno ad un diverso angolo d’attacco
λ pari a 0, 6 e 10°.
Per ogni modello tre diversi grafici rappresentanti il flusso sono
stati ricavati e confrontati con i relativi sperimentali:
1) distribuzione di pressione sul profilo alare
2) velocità di strato limite sul lato d’aspirazione del profilo ad una
distanza dalla testa pari al 90% la corda
3) velocità di scia ad una distanza dalla coda pari al 70% la corda.

14. Fluidodinamica computazionale
Creazione del modello: mesh strutturata del flusso
attorno al profilo
Software di pre-processing:
Gambit

15. Fluidodinamica computazionale
Flusso medio stazionario a valle del profilo per λ=0°
Risoluzione del flusso e visualizzazione
vettori velocità in Fluent:
sono riconoscibili il vortice a monte e i due
vortici controrotanti a valle del flap, come
nella prova in galleria del vento.
Rappresentazione grafica del flusso
medio stazionario individuato in
galleria del vento.
Simulazione in Fluent

16. Fluidodinamica computazionale
Distribuzione di pressione sul profilo per λ=0, 6 e 10°
Andamento sperimentale
La simulazione in Fluent ripropone lo stesso andamento
qualitativo dei grafici ottenuti in galleria

17. Fluidodinamica computazionale
Profilo di velocità sullo strato limite per λ=0, 6 e 10°
Andamento sperimentale
Grafici di nuovo simili agli sperimentali

18. Fluidodinamica computazionale
Profilo di velocità sulla scia per λ=0, 6 e 10°
Andamento sperimentale
Anche la scia è qualitativamente accettabile

19. Obiettivi raggiunti
E’ stato compreso il funzionamento del Gurney flap e
di un’imbarcazione a vela.
E’ stato individuato un nuovo ed ampio campo di
ricerca nell’aumento delle prestazioni, a basso costo,
di un’imbarcazione a vela.
E’ stato validato un metodo di simulazione del flusso,
stazionario, attorno ad un profilo alare simmetrico con
Gurney flap:
- il flusso simulato può infatti prevedere con buona
approssimazione gli effetti qualitativi del flap sul
profilo;
- il modello di flusso ottenuto è pronto per una più
approfondita analisi non stazionaria dopo la quale avrà
senso valutare la simulazione in termini quantitativi.