Generare piccoli vortici su grandi superfici alari

Regolare il flusso d’aria relativo alle pale degli elicotteri può diminuire la resistenza, riducendo il consumo di carburante e le emissioni. Nel caso delle pale eoliche, il controllo del flusso attivo può aumentare notevolmente l’efficienza della produzione di energia.

Il progetto STA-DY-WI-CO (Static and dynamic piezo-driven streamwise vortex generators for active flow control), finanziato dall’UE, ha sfruttato la simulazione numerica e la validazione sperimentale per sviluppare una tecnologia di controllo del flusso attivo per tali applicazioni.

I generatori di vortice sono piccoli dispositivi posizionati su piani a profilo aerodinamico per creare moti vorticosi allo strato limite (vicino alla superficie alare) per impedire la separazione del flusso (quando il flusso non è in grado di seguire la superficie). Il team ha focalizzato i propri studi su un generatore di vortice basato su un attuatore di sistemi microelettromeccanici di una membrana piezoelettrica. I materiali piezoelettrici producono uno spostamento fisico in risposta all’applicazione di un segnale elettrico.

I modelli numerici preliminari hanno facilitato la progettazione di due attuatori, e i generatori di vortice sono stati in seguito testati in galleria aerodinamica. I risultati sperimentali hanno confermato il potenziale di riduzione della separazione del flusso. Dato il peso molto leggero e il basso consumo di energia degli attuatori piezoelettrici, il loro potenziale di riduzione della resistenza e del consumo di carburante è molto elevato.

I ricercatori hanno condotto anche l’analisi acustica e delle autovibrazioni, quest’ultima relativa al movimento rapido e irregolare delle pale di elicottero, il quale crea instabilità dinamica. Le simulazioni hanno dimostrato le capacità di uno strumento per l’analisi acustica riguardo alla cattura della propagazione delle onde sonore nel campo prossimo e all’impiego della stessa per l’individuazione delle principali fonti di rumore. Un’analisi avanzata relativa alle auto vibrazioni basata sulla fluidodinamica computazionale ha confermato che un controllo inefficace del flusso comporta autovibrazioni instabili, accorciando la durata della pala.

Durante ulteriori ricerche, un banco di prova rotativo è stato utilizzato in combinazione a modelli numerici allo scopo di valutare le dinamiche strutturali dei sistemi non lineari. Di conseguenza, il team ha identificato caratteristiche di smorzamento e rigidità non lineari.

Tutti i modelli di sottocomponenti sono stati integrati in una piattaforma numerica e applicati a un potente supercomputer.

Il progetto STA-DY-WI-CO ha dato vita a una tecnologia di controllo del flusso attivo insieme a un potente codice di simulazione multifisico utili ai progettisti di pale di ultima generazione per aerei e turbine eoliche. Tali tecnologie ridurranno il consumo di carburante, le emissioni e il rumore associati al volo di elicottero, e aumenteranno l’efficienza della generazione di energia.