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Notiziario Marketpress di
Martedì 30 Settembre 2003 |
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RICERCHE NELLA ‘GALLERIA DEL VENTO’: SUCCESSI DELLE UNIVERSITÀ DI ANCONA E PESCARA GRAZIE ALL’USO DI STRUMENTI ALL’INFRAROSSO FLIR NOTEVOLI RIPERCUSSIONI PER L´INDUSTRIA AUTOMOBILISTICA
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Milano, 30 settembre 2003 - La termografia è sempre più utilizzata nei diversi campi della ricerca. L’industria (automobilistica, elettronica, della gomma, della carta, delle fibre sintetiche, ecc.) ha scoperto i vantaggi provenienti dalla visualizzazione e dalla misurazione in tempo reale dei fenomeni termici, e se ne avvale al fine di incrementare il livello di qualità e di competitività dei prodotti Anche le Università utilizzano la termografia a infrarossi per attività di ricerca, sia di base che applicata. Un esempio interessante è costituito dalle sperimentazioni che sta effettuando un gruppo dell’Università di Pescara e di Ancona, coordinato dai professori Renato Ricci e Gianni Cesini. Il team utilizza lo strumento a infrarossi di alta precisione Flir Thermacam Sc 3000 per visualizzare fenomeni di separazione dello strato limite laminare su corpi aerodinamici, come ad esempio le ali di velivoli subsonici medio piccoli, operanti a bassi numeri Reynolds e di Mach. Il fenomeno della ‘bolla di separazione laminare’ (Lsb, Laminar separation bubble) Oggetto principale di indagine è la rilevazione della cosiddetta ‘bolla di separazione laminare’. Per rendere l’idea di questo fenomeno, si immagini un fluido (liquido o gassoso) che colpisce e lambisce la superficie di un materiale (vetro, metallo, fibra di carbonio, ecc.). In condizioni di flusso uniforme, fino al momento dell’impatto con la superficie tutte le particelle del fluido hanno la medesima velocità. Un istante dopo, le particelle che toccano la superficie si arrestano a causa dell’attrito. Quelle subito al di sopra di esse rallentano a causa dell’arrestarsi di quelle sottostanti, per effetto della viscosità. Quelle ancora più sopra rallentano un po’ meno, e così via per uno spessore di fluido definito ‘strato limite cinematico’, sopra del quale la velocità delle particelle non subisce ripercussioni. Via via che il fluido prosegue il suo percorso lambendo la superficie, questo ‘strato’ aumenta progressivamente di spessore e si innescano anche dei moti verticali delle particelle (cioè in direzione perpendicolare a quella principale del moto), con l’effetto di un rimescolamento continuo. Nel caso in cui la superficie sia curva – come ad esempio il dorso di un’ala di aereo – accade un fenomeno ancora più complesso. La curvatura iniziale modifica la distribuzione di pressione longitudinale del fluido, ‘spingendo’ le particelle ad andare avanti e accelerandone il moto. Ma appena oltre il punto di massima curvatura inizia un vero e proprio recupero di pressione, il quale rallenta il flusso longitudinale delle particelle al punto che il fluido non segue più la superficie ma si stacca da essa. Se a questo punto nello strato distaccato (in gergo shear layer) si raggiungono le condizioni per un moto turbolento, lo strato stesso si riattacca alla superficie, dando origine a una zona nella quale rimangono confinati dei vortici ‘stabili’, cosiddetta appunto ‘bolla di separazione laminare’. Gli effetti negativi su auto, aerei e molte altre realtà applicative I problemi che questi fenomeni termofluidodinamici creano sono notevoli e hanno in alcuni casi pesanti ripercussioni. Nei profili alari di velivoli di piccole e medie dimensioni, essi aumentano di molto la resistenza aerodinamica e riducono la capacità dell’ala di generare portanza (cioè di creare quella differenza di pressione in grado di ‘aspirare’ l’aereo verso il cielo). Lo stesso accade nei velivoli tele/radioguidati a controllo remoto, oppure nelle pale dei generatori eolici quando operano con numeri di Reynolds bassi. Negli alettoni della autovetture da competizione, così come negli spoiler di alcune auto di serie, dove la superficie alare genera un effetto ‘deportante’ (ossia diretto verso il terreno), la presenza di una bolla di separazione darà luogo a una diminuzione di aderenza del veicolo a causa di un minore peso totale apparente (cioè la somma del peso del veicolo e della spinta aerodinamica deportante) rendendolo instabile. In alcune situazioni le bolle di separazione assumono dimensioni importanti e facilmente osservabili: il parabrezza posteriore delle auto a tre volumi, ad esempio, è molte volte luogo di formazione di un tale fenomeno, rendendo così poco efficace l’azione delle spazzole tergicristallo. E la casistica potrebbe continuare. Conoscere esattamente il fenomeno è dunque fondamentale per intervenire già in fase di progettazione migliorando sostanzialmente la qualità dei prodotti finali. L’estensione della bolla di separazione laminare dipende da diversi parametri quali il numero di Reynolds, l’angolo di attacco, il livello di turbolenza del flusso principale e la geometria del corpo. Quest’ultima è definibile dallo spessore, dalla curvatura della linea mediana e dalla finitura superficiale. In base a una complessa combinazione fra tali grandezze, la bolla può essere corta o lunga, può contrarsi o estendersi proporzionalmente all’aumento dell’angolo di attacco. Una bolla di separazione lunga solitamente ha inizio molto dietro il bordo di attacco e modifica la distribuzione della pressione sull’estradosso del corpo aerodinamico. Questo tipo di bolla è associato a un aumento della resistenza di pressione e a una riduzione della portanza. Una bolla di separazione corta ha invece inizio in prossimità del bordo d’attacco, non altera macroscopicamente la distribuzione della pressione superficiale e cambia solo leggermente il coefficiente di portanza; ma quando l’angolo di attacco è elevato si verifica uno stallo improvviso, dovuto allo scoppio della bolla stessa (Bubble Burst). In questo caso la portanza si riduce immediatamente e si osserva un brusco aumento della resistenza. L’apparato sperimentale utilizzato per la ricerca Per effettuare la campagna di misure aerodinamiche il gruppo di ricerca dell’Università di Pescara e di Ancona ha realizzato un apposito apparato sperimentale, composto da due sezioni alari a pianta rettangolare, di cui la prima è equipaggiata con prese di pressione mentre la seconda è rivestita di un sottile strato di alluminio utilizzato come piano di calore. Grazie all’applicazione di un campo elettrico al rivestimento metallico, viene generato per effetto Joule un flusso termico specifico costante su tutta la superficie esterna della sezione alare. Le due ali vengono quindi introdotte, in tempi successivi, all’interno della sezione di prova di una galleria del vento subsonica, a circuito aperto e a bassa turbolenza. La superficie superiore di tale sezione di prova è equipaggiata con una finestra trasparente all’infrarosso. Mediante la termocamera Flir Thermacam Sc 3000 è possibile rilevare esattamente la distribuzione di temperatura superficiale della sezione alare riscaldata elettricamente e confrontare le mappe termiche così generate con le distribuzioni locali di pressione rilevate sull’altra sezione alare. Le distribuzioni di temperatura misurate sull’estradosso della sezione alare indicano chiaramente la presenza di una zona più calda laddove la distribuzione di pressione presenta un appiattimento nel suo andamento. Questa zona rivela con precisione la localizzazione della bolla di separazione laminare. Le dimensioni caratteristiche e il comportamento della bolla sono stati studiati per diversi angoli di attacco e per vari numeri Reynolds. La posizione della bolla sembra essere fortemente influenzata dall’angolo di incidenza e si osserva una riduzione delle sue dimensioni generali proporzionalmente all’aumento dell’angolo e del numero Reynolds. I vantaggi della termografia a raggi infrarossi I metodi normalmente utilizzati per controllare la presenza di una bolla di separazione laminare sono: la misura delle componenti della forza aerodinamica mediante bilancia dinamometrica; l’analisi del coefficiente di pressione locale; la visualizzazione del flusso mediante traccianti. Poiché la termografia all’infrarosso permette un’indagine non intrusiva del fenomeno, il suo utilizzo in questo settore della ricerca sembra estremamente promettente, anche in virtù della capacità di analisi in tempo reale che essa consente. I professori Cesini e Ricci delle Università di Ancona e Pescara hanno optato per un sistema con telecamera a infrarossi Thermacam Sc 3000 di Flir Systems, perché dotato di un’ottima sensibilità termica, che consente di individuare differenze di temperatura minime dell’ordine di 20 mK. Inoltre, in combinazione con l’applicativo software Thermacam Researcher Hs, la Thermacam Sc 3000 consente un’analisi delle immagini all’elevata frequenza di 750 Hz. “I nostri gruppi di ricerca, assieme a quelli di diverse Università italiane con cui lavoriamo in stretto contatto, fra cui l’Università di Napoli nel gruppo coordinato e diretto dal Prof. Giovanni Maria Carlomagno, hanno fornito in questo settore contributi scientifici a livello internazionale”, dice Renato Ricci. “È proprio da questa sinergia fra diversi gruppi di studio italiani che è nata una vera e propria tecnica di utilizzo della Termografia a raggi infrarossi per lo studio dei campi fluidodinamici in condizioni subsoniche, cioè nelle realtà applicative più ricorrenti. Le ricadute dei risultati ottenuti possono essere di grande aiuto per settori sempre più ampi del mondo industriale. Anche per questa ragione, riteniamo che la tecnica termografica debba diventare una delle modalità standard di prova nelle gallerie del vento.” |
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