Drag reduction by riblets on a commercial UAV

The application of riblets on a commercial Unmanned Aerial Vehicle (UAV) is studied by means of RANS simulations. Riblets are micro-grooves capable of altering skin-friction drag, but their small scale precludes a direct representation in the geometric model of the UAV, and we resort to a model to introduce their effect via a partial-slip boundary condition implemented in the OpenFOAM CFD code. The approach is validated first on simpler test cases, and then applied to the UAV in cruise condition, a fixed-wing aircraft flying at low speed for which riblets data are unavailable. Several configurations of riblets coverage are considered to extract the potential for drag reduction of different body parts. Installing riblets with optimal size and orientation over the full surface of the UAV leads to a relatively drag reduction of 3 %. Besides friction reduction, analysis shows a significant additional form drag reduction localized on the wing. Because of this effect, the configuration where riblets are installed only on the upper surface of the UAV wing, still provides an interesting drag reduction of 1.7 %. Considering that area coverage is only 28 %, this is the configuration with the best cost-benefit ratio.

In questa tesi viene studiata l'applicazione di riblets su un velivolo senza pilota (UAV--Unamanned Aerial Vehicle) commerciale mediante simulazioni RANS. Le riblets sono micro-nervature in grado di ridurre la resistenza d'attrito, ma la loro dimensione preclude la possibilità di una rappresentazione al vero della loro geometria sulla superficie dell'UAV; per tale motivo ricorriamo a un modello per riprodurre il loro effetto tramite una condizione al contorno di slittamento parziale implementata nel software CFD open source OpenFOAM. Il modello implementato viene prima validato su casi più semplici e in seguito applicato all'UAV in condizioni di crociera. Il velivolo considerato è un aeromobile ad ala fissa che vola a bassa velocità per il quale non sono disponibili dati relativi alla performance delle riblets. Per calcolare la potenziale riduzione di resistenza ottenibile dal rivestimento delle varie superfici dell'UAV sono state considerate varie configurazioni. L'installazione di riblets di dimensioni e orientamento ottimali sull'intera superficie dell'UAV porta a una riduzione della resistenza del 3 %. Oltre alla riduzione dell'attrito, l'analisi mostra una significativa diminuzione della resistenza di forma dovuta all'applicazione di riblets sull'ala. Grazie a questo effetto, la configurazione in cui le riblets sono installate solo sul dorso dell'ala fornisce comunque un'interessante riduzione della resistenza aerodinamica del 1.7 %. Considerando che la percentuale di superficie ricoperta da riblets è solamente del 28 %, questa è la configurazione con il miglior rapporto costi-benefici.