5. varie tipologie di ali (ali rettangolari/delta wings/ecc...)

 

in applicazioni pratiche comuni, esistono tante tipologie geometriche di ali, vediamo quelle piu’ usate:

1-rettangolare

2-ellittica

3-delta

 

1-rettangolare

 

Queste sono le piu’ comuni usate sia in applicazioni aeronautiche che in racing.

Tanti studi sono serviti, prima di capire che la forma che porta un miglior compromesso e’ la 1’ e tra l’altro la piu’ semplice da realizzare.

In tante discipline sportive ci sono regolamenti tecnici che addirittura determinano la geometria di massima di un’ala, lasciando ben poco spazio alla fantasia degli ingegneri.

Sebbene tutte le ali rettangolari possano sembrare uguali a prima vista, in realta’ non lo sono di certo.

Anche semplicemente spostare la parte “centrale” ( e per centrale intendo il centro di pressione) in avanti o indietro, puo’ portare effetti diversi dall’ala semplicemente rettangolare (vedremo alcune applicazioni reali nell’ultimo capitolo).

Abbiamo visto brevemente vari metodi di mantenimento di flusso laminare nei precedenti capitoli: questi riescono a determinare quindi una geometria di base per la preparazione della nostra ala.

Normalmente esistono vari softwares che permettono di disegnare una data geometria ed ottenere poi lo sviluppo del bl (metodo diretto).

Non c’e’ dubbio che questo sia il metodo piu’ usato, anche proprio a causa delle restrizioni regolamentari sparse un po’ ovunque.

 

Vediamo ora quali sono gli step fondamentali per effettuare un buon disegno d’ala:

ci sono fondamentalmente 3 fasi:

1-disegno preliminare: si crea una geometria di massima;

2-disegno iniziale: usando il CFD, si modifica la geometria, analizzando anche il bl;

3-disegno finale: si effettuano piccole e complesse modifiche, basandosi sulla distribuzione delle P

 

Anche nel 2’ step e’ pero’ necessario considerare la distribuzione delle P su tutta la superficie (sia upper che lower), valutando comparativamente anche lo sviluppo delle streamlines sulla corda (facendo piu’ attenzione ai punti di decelerazione del flusso).

Qui, nel 2’ step, bisogna infine anche scegliere la thickness dell’ala.

 

Quando si effettua il 1’ step pero’ (piccolo salto indietro), si deve avere bene in mente l’applicazione per il quale l’ala viene creata: questa deve essere infatti studiata esattamente.

Se ad esempio vogliamo avere un’ala con un buon camber, in modo da assicurarci un’ottima efficienza ad alti valori di downforce, dovremo pero’ essere pronti a rinunciare ad una buona efficienza a bassi valori di Re, perche’ purtroppo non e’ possibile mantenere alta l’efficienza in casi molto diversi di Re (vale ovviamente anche per il caso contrario di partenza).

 

Ma qual’e’ allora la geometria perfetta?

In realta’ non esiste, per creare una buona ala ci vogliono tante simulazioni...

 

Comunque, possiamo avere qualche assunto di base ben chiaro in mente:

- se vogliamo avere un’ala che generi poco drag, dobbiamo sicuramente creare una geometria con il punto di max t/c il piu’ downstream possibile, per poi scendere verso il te molto gradatamente.

 

- se invece il nostro scopo e’ avere un’ala che generi molta downforce, dobbiamo innanzitutto crearne una con un buon camber e poi studiare bene lo spessore. Piu’ questo sara’ alto, piu’ il flusso accelerera’ nella parte frontale, ma piu’ si separera’ poi nella parte posteriore (creando forti vortici)....per cui, la ricerca di un compromesso e’ a volte difficile.

 

I metodi reali usati per definire una geometria sono essenzialmente 2:

 

1: metodo delle regioni o punti:

si definiscono delle regioni (in percentuale di corda, sempre) con le seguenti caratteristiche, partendo dal le:

1-      Regione del leading edge

2-      Regione  di accelerazione dal leading edge che finisce al punto 3

3-      Regione di medi gradienti di P

4-      Regione di max thickness dell’ala

5-      Regione di salto di pressione (shock possible, o aumento notevole di P)

6-      Regione da definire tra il punto 6 ed il trailing edge

7-      Regione di trailing edge

 

2: metodo per linee:

Qui, invece di definire alcuni punti e poi collegarli tra di loro (un po’ come il giochino sulla settimana enigmistica), si definisce una prima linea, data dalla corda totale, per poi aggiungere la linea di camber ed infine la thickness:

Abbiamo altresi’ visto che e’ usuale definire un’ala in percentuale sulla corda, vediamone un esempio reale:

 

qui potete vedere il disegno in alto che divide per percentuali di 10% le varie regioni dell’ala, con sotto il grafico di lift della stessa, a vari angoli d’attacco.

E’ possibile vedere anche l’effetto di un flap (l’ala in questione e’ una tipica ala studiata dalla NASA per applicazioni aeronautiche).

Notate anche che la regione 0 e’ definita come “le” e 100 come “te” (come dicevamo prima).

L’asse delle y (verticale) definisce invece la thickness, dove e’ possibile valutare immediatamente il punto di max t/c.

L’esempio mostrato e’ una tipica ala da basso drag ed applicazioni per bassi valori di lift (il punto di max t/c e’ infatti molto indietro).

 

2-ellittica

 

La differenza tra un’ala rettangolare ed una ellittica, e’ che quest’ultima ha i tips (la parte piu’ esterna, vista sullo span) arrotondati.

 

3-delta

 

Parliamo ora delle delta wings, anche usate in F1.

Questa particolare tipologia di ala e’ stata scoperta ed usata da pochi anni. Come dice la parola stessa, questa ala e’ fatta a forma di freccia, o della lettera greca delta, appunto.

Vediamone subito una foto per capire meglio:

 

bene, qui abbiamo subito 2 cose molto interessanti: la geometria dell’ala e lo sviluppo del flusso su di essa.

Possiamo immediatamente addentrarci quindi sullo studio pratico del flusso:

abbiamo visto precedentemente come si sviluppa il flusso su un’ala rettangolare (ricordate?): formando cioe’ dietro la regione del te, vari vortici paralleli al free stream.

Lo sviluppo dei vortici qui, e’ invece totalmente differente (li vedete nella foto), ma partendo gia’ dall’assunto primario, possiamo dire che:

se prima (in un’ala rettangolare) abbiamo detto che l’optimum era cercare di avere un flusso solo laminare, qui, nelle delta wings, dovremo fare l’esatto contrario.

Lasciando da parte le noiose formule, in pratica, si puo’ dire che su un’ala del genere, si sviluppano (come potete vedere nella foto chiaramente) 2 flussi attorno al le (che e’ molto appuntito), che corrono per tutta l’ala a circa il 10%-90% dello span (misure prese se considerate la parte piu’ bassa nella foto come 0 e la parte piu’ alta, come 100, nell’asse y).

Queste 2 linee di vortice creano una notevole downforce.

E’ anche vedibile dalla foto che all’inizio, vicino al le, si formano piccoli vortici ordinati, mentre alla fine, vicino al te, ormai questi vortici sono ben lontani da essere piccoli ed ordinati.

Ebbene, vari studi hanno dimostrato che questi tipi di ali sono efficaci solo ad un determinato angolo (>30’) e con un le molto molto appuntito, in modo da formare forti vortici sull’ala.

Applicazioni sulle F1 (ne vedremo nell’ultimo capitolo) sono state viste sulla Arrows nel 2000, nella regione del muso, sopra il front wing e prima del posto del pilota.

Altra regola fondamentale sull’uso di queste ali, e’ di non piazzarle immediatamente davanti ad un’ala rettangolare. E’ stato dimostrato infatti che, i vortici derivanti da una delta wing, peggiorano notevolmente il flusso sull’ala normale.

 

 

Abbiamo quindi visto i 3 tipi piu’ usati di ala, ma non abbiamo certo finito.

 

Questo perche’ adesso vedremo l’utilizzo contemporaneo di piu’ ali, detta anche teoria delle “multiple wing surfaces”, pratica usatissima in F1 e su aerei del passato (biplani, triplani).

 

Piu’ ali, possono essere usate in vari modi:

sull’asse x;

sull’asse y;

sull’asse z.

 

La 1’ applicazione significa piazzare 2 o + ali in sequenza una dietro l’altra, in direzione parallela al free stream;

la 2’, piazzare 2 o + ali in sequenza una sopra l’altra (un esempio e’ il biplano o triplano, ricordate il barone rosso?);

la 3’, infine, piazzarle lievemente sfasate, utilizzando contemporaneamente la 1’ e la 2’ ipotesi (e’ poi quella piu’ utilizzata in F1).

Vediamo dei grafici che ci aiuteranno a capire meglio di cosa stiamo parlando:

sappiamo che un’ala ha una data distribuzione di P sulla superficie. Questa distribuzione varia se vicino ad un’ala se ne piazza un’altra, ma perche’?

semplicemente perche’ (e questa e’ la 1’ spiegazione) piazzando vicine 2 ali, il flusso accelera in qualche modo piu’ che se la configurazione fosse ad un’ala sola. In pratica esiste un’interrelazione tra 2 ali, in modo che quella piazzata piu’ frontalmente abbia meno Cl nella regione del te (2’ spiegazione), aumentando pero’ l’efficienza della le region della 2’. Abbiamo quindi si’ una differente distribuzione, che in parte si compensa, ma la force totale espressa dalle 2 ali e’ notevolmente piu’ alta che nel caso di una sola.

La 1’ spiegazione e’ ovvia: ritorniamo sempre all’assunto che avere un’alta velocita’ e’ molto positivo (ossia: se c’e’ una “strettoia” creata dal te di un’ala piazzata vicinissimo ad un’ala posteriore, e’ ovvio che il flusso accelerera’ molto piu’ che se non l’avesse); la 2’ invece e’ piu’ complicata, perche’ si basa sull’interrelazione tra 2 ali (lo vedremo meglio dopo in un caso pratico).

 

Vediamo ora il 1’ disegno:

Qui abbiamo il 1’ caso: 2 ali piazzate sull’asse x:

cosa possiamo vedere qui?

Innanzitutto la distribuzione delle ali e poi il Cl di tutt’e due espresso dal grafico sotto.

Cerchiamo di capirlo meglio insieme:

Clf e’ il coefficiente di lift dell’ala frontale;

Clr, quello dell’ala arretrata;

F wing e’ il main vortice creato dell’ala frontale;

R wing, quello dell’ala arretrata.

Come potete vedere, abbiamo anche un Delta x, che e’ la distanza orizzontale tra le 2 ali.

Studi hanno evidenziato che se questa diminuisce (si piazzano cioe’ 2 ali molto piu’ vicine), gli effetti interrelanti tra le 2 ali aumentano parecchio.

Guardate infatti il rapporto dato da Delta x e c (che e’ la corda): piu’ questo <, piu’ l’effetto aumenta, ed anche di parecchio!

Ma perche’ qui aumenta il Cl complessivo?

Semplicemente perche’ il free stream (simbolo della V con infinito) viene accelerato molto nella regione tra la 1’ e la 2’ ala (interrelazione tra il te della 1’ ed il le della 2’), in direzione orizzontale, aumentando cosi’ cosa?

La velocita’ del flusso!

Ed un aumento della velocita’ del flusso sappiamo bene che porta bassi valori di P!!! (avremo cioe’ un effetto venturi principalmente nella parte frontale dell’ala arretrata).

 

Studiamo ora il 2’ caso:

qui abbiamo 2 ali piazzate una sopra l’altra (caso del biplano): stesso grafico, ma diversa distribuzione del Cl complessivo (ClU e’ il coeff di lift della upper wing, ossia di quella superiore).

L’aumento qui e’ vistoso in tutta la regione superiore dell’ala inferiore, sempre per l’effetto venturi spiegato sopra. Ancora una volta, piu’ < Delta h/c (dove h, ora, e’ ovviamente l’altezza tra le 2 superfici), piu’ > l’interellazione tra le ali.

Ed infine arriviamo al caso piu’ interessante (ed anche piu’ complicato): il 3’:

vediamo il disegno: