Materiale diviso per argomento di ELEMENTI DI INGEGNERIA AEROSPAZIALE per il corso di Aerospace Engineering presso Politecnico di Milano. Il documento tratta: ELEMENTI DI INGEGNERIA AEROSPAZIALE 1 1. INTRODUZIONE AL CORSO In un ciclo progettuale un ingegnere deve affrontare diversi punti: - La definizione del problema - Trovare possibili soluzioni - Creare un modello - Testare il modello Nella definizione del problema uno spazio…
Materiale diviso per argomento di ELEMENTI DI INGEGNERIA AEROSPAZIALE per il corso di Aerospace Engineering presso Politecnico di Milano. Il documento tratta: ELEMENTI DI INGEGNERIA AEROSPAZIALE 1 1. INTRODUZIONE AL CORSO In un ciclo progettuale un ingegnere deve affrontare diversi punti: - La definizione del problema - Trovare possibili soluzioni - Creare un modello - Testare il modello Nella definizione del problema uno spazio…
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ELEMENTI DI INGEGNERIA AEROSPAZIALE 1 1. INTRODUZIONE AL CORSO In un ciclo progettuale un ingegnere deve affrontare diversi punti: - La definizione del problema - Trovare possibili soluzioni - Creare un modello - Testare il modello Nella definizione del problema uno spazio importante è occupato dai requisiti di progetto. Nei progetti aerospaziali quest’ultimi riguardano vari aspetti, come ad esempio la definizione dei carichi di progetto; ossia l’insieme di tutte le forze e momenti che subisce l’oggetto da progettare. I carichi di progetto sono strettamente legati ad un altro elemento cruciale, che è l’ambiente operativo in cui il veicolo si muove. In base all’ambiente operativo variano le forze ed i momenti che un oggetto subisce e di conseguenza anche la sua progettazione; infatti i veicoli che viaggiano nello spazio, come i satelliti, sono molto diversi da quelli che devono viaggiare in atmosfera, come gli aerei. - AMBIENTE OPERATIVO SPAZIALE Un tipo di ambiente operativo è l’ambiente operativo spaziale. Progettare veicoli che si muovono liberamente nello spazio per alcuni aspetti è semplice, ma per altri meno. Consideriamo ad esempio una navicella che si muove liberamente nello spazio, e vediamo di quali aspetti dobbiamo tenere conto nella nostra progettazione. Dal momento in cui siamo nello spazio possiamo già eliminare il problema delle forze aerodinamiche, dato che non possono generarsi in assenza di un’atmosfera. Quando il veicolo spaziale si muove liberamente nello spazio, esso non subisce alcun tipo di forze meccaniche; quindi non è soggetto a carichi meccanici. Se però la navicella si avvicina ad una stella, allora essa verrà colpita dalle radiazioni, ed i materiali di cui è composta saranno soggetti a dei carichi termici (es: dilatazione termica). Se invece…
o A è l’area della sezione o V è la velocità del fluido attraverso la sezione o 𝜌 è la densità del fluido nella sezione In generale sappiamo che in un sistema isolato la massa né si crea né si distrugge; di conseguenza ciò ci permette di dire che la portata in massa di un fluido è costante lungo la direzione di moto del fluido. Se consideriamo questo sistema, l’affermazione sopra sta a significare che la portata in massa della sezione 1 è uguale a quella della sezione 2. Questo ha senso anche intuitivamente, vediamo perché. Dato che sappiamo che le linee di flusso non possono incrociarsi tra loro, e dato che il sistema è delimitato da due linee di flusso, allora attraverso le due sezioni passeranno lo stesso numero di linee di flusso; quindi la massa di flusso che attraversa la sezione 1 sarà uguale a quella che attraversa anche la sezione 2. Tutto ciò ci serve a comprendere che, se individuiamo due sezioni distinte lungo la direzione in cui si muove il fluido, allora vale l’equazione di continuità: 𝜌 𝐴 𝑉 = 𝑐𝑜𝑠𝑡 Inoltre, quando consideriamo velocità basse lontane dalla velocità del suono, allora possiamo addirittura considerare la densità 𝜌 del fluido costante. Dunque l’equazione di continuità può essere semplificata a: 𝐴 𝑉 = 𝑐𝑜𝑠𝑡 Questo è il principio di funzionamento delle gallerie del vento, dove, riducendo la grandezza della sezione aumenta la velocità del flusso (Ricorda: questo vale solo a V lontane da quella del suono). - FLUIDI COMPRIMIBILI ED INCOMPRIMIBILI I fluidi possono essere comprimibili o incomprimibili. o Fluido comprimibile: è un fluido la cui densità varia da punto a punto nel campo di moto (cioè nella regione d’interesse) secondo la legge dei gas perfetti: 𝑃 = 𝜌𝑅𝑇 o Fluido incomprimibile: è un fluido la cui densità è costante in…
Se però il cilindro viene messo in rotazione, succede qualcosa di bizzarro rispetto a quanto appena detto. Dallo sfalsamento delle linee di flusso che hanno già interagito con il corpo si può infatti intuire che esso genera della portanza. La rotazione del cilindro dunque è come se avesse instaurato una sorta di forza di attrito in grado di far muovere il fluido insieme al corpo. Questa forza d’attrito è l’attrito viscoso, ed è questa che permette la formazione di portanza per un cilindro in rotazione. - VISCOSITA’ Uno degli esperimenti che ha portato alla comprensione dell’attrito viscoso è il Flusso di Couette. Questo esperimento consiste nel far passare un fluido attraverso due piastre, di cui una ferma (quella sotto) ed una in movimento nello stesso verso dello scorrimento del fluido. Quello che si può notare dall’esperimento sono due aspetti legati tra loro: 1. Più le linee di flusso sono vicine alla piastra in scorrimento, più la loro velocità è elevata. Questo significa che la piastra in moto trascina con sé il fluido, trasferendogli parte della sua velocità; 2. Il fluido cerca di opporsi a questo trascinamento causato dalla piastra che scorre, esercitando dunque su questa una resistenza al movimento. Questo è quello che viene definito come attrito viscoso. La viscosità è quindi quella proprietà dei fluidi che esprime la resistenza allo scorrimento tra due strati che si muovono parallelamente a velocità differenti. Tutti i fluidi sono caratterizzati dalla viscosità. Per calcolare la forza di attrito viscoso si utilizza la seguente formula: 𝑑𝑉 𝐹 = 𝜇𝐴 𝑑𝑦 dove: o 𝜇 è un fattore caratteristico di ogni fluido, ed è definito viscosità dinamica; o 𝐴 è la superficie della piastra in movimento; 𝑑𝑉 o è la derivata della velocità della piastra rispetto alla…
Il motivo per cui il fluido non riesce a riacquisire i valori di pressione che aveva in partenza è legato alla presenza della scia, che è una zona situata dietro il corpo in cui si accumulano i flussi turbolenti provenienti dallo strato limite. Questi flussi, che hanno abbandonato il corpo, possiedono un’elevata energia cinetica, e proprio per questo all’interno della scia la pressione è più bassa rispetto a quella atmosferica (ricorda la relazione tra pressione e velocità di un fluido). Di conseguenza, si crea una differenza di pressione tra la parte anteriore e quella posteriore del profilo: la pressione è più alta davanti e più bassa dietro. Questo sbilanciamento genera una forza che tende a "tirare" il corpo all'indietro. Tale forza rappresenta una forma di resistenza al moto chiamata resistenza di pressione o resistenza di forma. In base all’angolo di incidenza dell’ala il punto di separazione del flusso varia, e di conseguenza varia anche la dimensione della scia. Un angolo di attacco elevato causa una separazione del flusso vicino al bordo d’attacco, determinando la formazione di una grande scia. Più le dimensioni di questa sono grandi e meno il fluido recupererà la sua pressione originaria. Dunque ci sarà una grande differenza di pressione tra la regione anteriore e posteriore del corpo, portandolo ad avere una grande resistenza di forma o pressione. Un angolo di attacco piccolo invece causa una separazione del flusso lontana dal bordo d’attacco, generando una scia di piccole dimensioni paragonabili a quelle dello strato limite. Il recupero di pressione del fluido in questo caso sarà quasi totale, e dunque si avrà una piccola resistenza di pressione o forma. In generale è importante cercare di avere corpi che non generino un’eccessiva resistenza aerodinamica…
- STUDI IN GALLERIA DEL VENTO Quando parliamo di profili aerodinamici, noi consideriamo una sezione bidimensionale dell’ala, e da questa descriviamo tutti i vari aspetti e fenomeni causati dall’interazione tra essa ed il fluido. Studiare in sole due dimensioni i fenomeni aerodinamici è molto più comodo, poiché non si considerano tutti i vortici di estremità che si generano in un corpo tridimensionale. Questa cosa gli ingegneri la sanno, ed in galleria del vento cercano proprio di fare i loro studi in due dimensioni. Per far ciò la strategia che adottano è rendere i componenti che si studiano larghi quando la larghezza della camera di prova della galleria. In questo non si generano vortici di estremità, poiché l’oggetto è come se non ne avesse, e quindi viene simulato il comportamento che avrebbe un corpo bidimensionale.
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