Aerodinamica dei profili alari : previsioni delle condizioni di portanza massima

Aerodynamics is as fascinating as it is complex. There are numerous historically developed models to treat it and, even today, the investigation towards one able to accurately resolve every possible simulation in the engineering lives on. Navier-Stokes equations describe almost all the most common fluid-dynamic phenomena, but their direct resolution (DNS) would require calculation times too high and can’t be practical for human being. For this reason, models that approximate the physics of the phenomenon are still a matter of development. They still have functional application for the determination of interesting aerodynamic quantities, such as the maximum lift generated by an airfoil, associated with the phenomenon of aerodynamic stall. The first part of the thesis presents kinetic potential methods and RANS, characteristic of XFOIL algorithms, conceived by Mark Drela of MIT, and SU2 (high-fidelity CFD). The results were then compared with the experimental ones, obtained historically by NASA. As for the second part, the study is aimed at an engineering method designed to predict the condition of maximum lift, called pressure difference rule. It finds a correlation between the Reynolds and Mach numbers, characteristic parameters of fluid dynamics, and a pressure difference between suction peak and trailing edge, able to predict the stall angle. The idea, due to Walter O. Valarezo and Vincent D. Chin, was developed to be applicable to Hess-Smith method and XFOIL (CFD low-fidelity), obtaining results even for thicker wing profiles.

L'aerodinamica è tanto affascinante quanto complessa. Numerosi sono i modelli storicamente sviluppati per trattarla e, ancora oggi, vive l'indagine verso uno capace di risolvere con accuratezza ogni possibile simulazione in campo ingegneristico. Le equazioni di Navier-Stokes descrivono fedelmente quasi tutti i fenomeni fluidodinamici più ricorrenti nel quotidiano, ma la loro risoluzione diretta (DNS) richiederebbe tempi di calcolo tanto alti da risultare non pratici per l'uso di tutti i giorni. Per questa ragione, sono ancora materia di sviluppo modelli meno fedeli alla fisica del fenomeno ma con applicazione funzionale per la determinazione delle grandezze aerodinamiche d'interesse, come ad esempio il valore massimo di portanza generato da un profilo alare, associato al fenomeno di stallo aerodinamico. La prima parte della tesi presenta i metodi numerici a potenziale cinetico e le RANS, caratteristici degli algoritmi di XFOIL, programma ideato dall’ingegnere Mark Drela del MIT, e SU2 (CFD high-fidelity). I risultati sono poi stati confrontati con quelli sperimentali, ottenuti storicamente dalla NASA. Per quanto concerne la seconda parte, lo studio è rivolto a un metodo ingegneristico ideato per prevedere la condizione di portanza massima, detto regola della differenza di pressione. Esso trova una correlazione tra i numeri di Reynolds e di Mach, parametri caratteristici della fluidodinamica, e una differenza di pressione tra picco di aspirazione e bordo d’uscita, in grado di prevedere l’angolo di stallo. L’idea, dovuta a Walter O. Valarezo e Vincent D. Chin, è stata elaborata affinché fosse applicabile al metodo di Hess-Smith e XFOIL (CFD low-fidelity), ottenendo risultati anche per profili alari più spessi.