Controllo dello strato limite e superfici aerodinamiche a curvatura variabile per sistemi aerei a pilotaggio remoto

The wing surfaces performances, used in aeronautical, sports or energy applications play an increasingly crucial role. Increasing aerodynamics efficiency in wind turbine blades or in classic aircraft, can have interesting economic and environmental implications. In this thesis two different solutions from an experimental point of view are evaluated, aimed to improve the aerodynamic efficiency of airfoils and wing surfaces. The first method is a passive boundary layer control systems, and consists of the application of "dimples" on a laminar airfoil NACA 642014A. The dimples are widely used in blunt body (suche as golf balls, cycling helmets etc.), to reduce the aerodynamic resistance but much less frequent on aerodynamic surfaces. Experimental measurements on two models of NACA 642014A (with and whitout dimples) were carried out in the environmental wind tunnel of the “Università Politecnica delle Marche”. The purpose is to evaluate the dimple's ability to reduce the laminar separetion bubble extension and reduce aerodynamic drag. The second solution consists in a deformable wing called "morphing wing". The main objective is to modify the surface geometry, acting variable camber; in this way the wing adapts to different operating conditions and always works close to maximum efficiency. A "morphing trailing edge system", electrically operated through piezoelectric actuators, was applied to HQ2512 airfoil; experimental measurements were also carried out at the Aeronautical Wind Tunnel of the “Università Politecnica delle Marche” for the sake of validation of the system. All the experimental measurements were performed at low Reynolds numbers (typical of a low speeds application or small bodies), with the aim of simulating the unmanned aerial veichles (UAV) conditions.

Le prestazioni delle superfici aerodinamiche impiegate in applicazioni aeronautiche, sportive o energetiche, ricoprono un ruolo sempre più cruciale. Aumentare l’efficienza aerodinamica, per esempio delle pale di aerogeneratori o dei più classici aeromobili, può avere interessanti risvolti economici ed ambientali. In questa tesi vengono valutate, dal punto di vista sperimentale, due soluzioni differenti volte a migliorare le prestazioni e l’efficienza aerodinamica di profili e superfici alari. Il primo metodo rientra tra i sistemi di controllo dello strato limite di tipo passivo, e consiste nell’applicazione di “dimples” su un profilo laminare NACA 642014A. I dimples, letteralmente tradotti “fossette”, sono largamente impiegati nei corpi tozzi (palline da golf, caschi da ciclismo etc.), per ridurre la resistenza aerodinamica del corpo stesso ma molto meno frequenti su superfici aerodinamiche. Sono state condotte misure sperimentali nella galleria del vento ambientale dell’Università Politecnica delle Marche su due modelli 3D di NACA 642014A, con e senza dimples, con lo scopo di validare precedenti analisi CFD e valutare la capacità del dimple di ridurre l’estensione della bolla laminare e ridurre la resistenza aerodinamica su moderni profili alari. La seconda soluzione affrontata in questa tesi, consiste nel rendere deformabile una porzione dell’ala che prende quindi il nome di “morphing wing”. L’obiettivo è quello di modificare la geometria della superficie in questione durante l’utilizzo, variando i parametri relativi alla sua curvatura (camber); in questo modo essa è in grado di adattarsi alle diverse condizioni operative che si susseguono durante il volo, lavorando sempre in prossimità dell’efficienza massima. A valle di uno studio sullo stato dell’arte di questa tecnologia, propedeutico alla scelta del profilo e al tipo di deformazione, è stato realizzato un modello 3D del profilo HQ2512 a cui è stato applicato un “morphing trailing edge”; si tratta di bordo d’uscita in grado di deformarsi, senza generare discontinuità superficiale, azionato elettricamente attraverso attuatori piezoelettrici MFC. Tale soluzione è stata anch’essa oggetto di verifiche sperimentali, svolte in galleria del vento, al fine di valutarne i benefici dal punto di vista aerodinamico e la validità del sistema di attuazione. Per entrambe le soluzioni, sono state effettuate misure sperimentali a bassi numeri di Reynolds (tipici delle applicazioni in cui si hanno basse velocità o superfici molto piccole), con lo scopo di simulare le condizioni operative standard degli aeromodelli in scala. Tra le finalità delle ricerche sopra descritte, vi è infatti quella applicare tali soluzioni a “sistemi arei a pilotaggio remoto” (comunemente detti droni) utilizzati per scopi scientifici.