Potential modelling of tubercled wings

The development of wavy leading edge wings originates from studying the hunting behaviour of the humpback whales, which exploits aggressive turning ratios to increase the chance of a successful hunt. Observing the animal it was deduced that the ventral flippers are the main contributors in achieving such tight curves. The study of such movement could produce useful application in the Urban Mobility Vehicles, where small, efficient rotors are required due to constraint in maximum dimensions and ever increasing needs of extended operative range. This geometry could be implemented in wind turbines design to expand the operative range, which leads to increased power generation and larger revenues. The flipper shape itself produces a reduction in induced drag, due to the planform design, but the main objects of interest are the leading edge tubercles on said flippers. These tubercles are main contributors in the generation of leading edge vortices, which exchanges momentum within the boundary layer and delays separation. The wavy leading edge produces a reduction in lift in small angle of attack operations, but contributes to increase the value of maximum angle of attack before separation occurs. A Doublet-Source-Lattice numerical code is developed to model the wings of interest, and it is coupled with a vortex line model to represent the counter rotating vortices inducing surface velocity. Different vortex core models are modelled and their positioning is evaluated to correctly represent the surface induced velocities. The reference wing is analyzed in pitching and plunging conditions to assess the loads on a dynamic system. A reduction in plan lift is verified. The modelled vortices produces an increase in surface velocities, resulting in extended operative range.

Lo sviluppo delle ali con bordo d'attacco ondulato nasce dallo studio del comportamento di caccia delle megattere, che sfruttano ratei di virata aggressivi per aumentare le possibilità di successo della caccia. Osservando l'animale si è dedotto che le pinne ventrali sono le principali responsabili del raggiungimento di tali ratei di virata. Lo studio di questo movimento potrebbe produrre utili applicazioni nei veicoli per la mobilità urbana, dove sono richiesti rotori piccoli ed efficienti a causa dei vincoli di dimensioni massime e delle esigenze sempre più pressanti di autonomia operativa. Questa geometria potrebbe essere implementata nella progettazione di turbine eoliche per ampliare l'inviluppo operativo, con conseguente aumento della produzione di energia e dei ricavi. La forma della pinna in sé produce una riduzione della resistenza aerodinamica indotta, grazie al design della forma, ma gli oggetti principali di interesse sono i tubercoli del bordo d'attacco di tali pinne. Questi tubercoli sono i principali responsabili della generazione di vortici sul bordo d'attacco, che scambiano quantità di moto nello strato limite e ritardano la separazione. Il bordo d'attacco ondulato produce una riduzione della portanza nelle operazioni con piccoli angoli d'attacco, ma contribuisce ad aumentare il valore dell'angolo d'attacco massimo prima che avvenga la separazione. Per modellare le ali di interesse è stato sviluppato un codice numerico Doublet-Source-Lattice, accoppiato a un modello di linea vorticosa per rappresentare i vortici controrotanti che inducono la velocità superficiale. Vengono modellati diversi modelli di nucleo di vortici e viene valutato il loro posizionamento per rappresentare correttamente le velocità indotte dalla superficie. L'ala di riferimento viene analizzata in condizioni di beccheggio e di picchiata per valutare i carichi su un sistema dinamico. Si verifica una riduzione della portanza in pianta. I vortici modellati producono un aumento delle velocità di superficie, con conseguente estensione del raggio operativo.