Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria

Studio aerodinamico preliminare di un UAV ad ala battente

Candidati

Federico Attene – Paolo Bertocchi

Relatore

Chiar.mo Prof. Alessandro Bottaro

Tesi per il conseguimento della Laurea in Ingegneria Meccanica Anno Accademico 2010/2011

Specifiche operative richieste • Decollo: a mano • Velocità massima: > 15 m/s • Autonomia: > 30 minuti • Hovering: auspicabile • Quota di operazione: 0 – 3000 m Peso equipaggiamenti: • Avionica: 120 g (esclusi motori e servo attuatori) • Payloads: 50 g • Batterie LiPo: 170 g (energia totale: 30Wh) • Totale: 340 g m tot = 1 kg

Studio aerodinamico preliminare Considerazioni energetiche e definizione della geometria di massima Simulazioni su ali battenti

Il volo battuto in natura • Durante il battito d’ali verso il basso (

downstroke

), viene prodotta sia portanza che spinta.

• L’ala flessibile consente di ottimizzare il battito delle ali atto al mantenimento della portanza durante la fase del colpo verso l’alto (

upstroke

).

L F T

Considerazioni energetiche e geometria di massima

Considerazioni energetiche e geometria di massima velivolo corpo resistenza delle ali

Considerazioni energetiche e geometria di massima Potenza indotta • Modello del disco attuatore: è il modello teorico di riferimento nello studio delle ali rotanti (es. rotori di elicotteri, eliche marine, ecc.).

• Si assume che le ali battenti siano assimilabili ad un disco attuatore (avente spessore infinitesimo) contenuto in un volume di controllo, sul quale viene effettuato un bilancio di quantità di moto.

Considerazioni energetiche e geometria di massima Potenza parassita • Contributo di potenza dovuto alla resistenza del corpo.

• Il termine parassita è di utilizzo in ambito aeronautico, in un velivolo si riferisce a tutto ciò che non partecipa alla creazione di portanza.

Considerazioni energetiche e geometria di massima Potenza parassita • La fusoliera del velivolo è stata considerata di forma ellissoidale, tale geometria presenta un buon comportamento aerodinamico.

• L’area della superficie frontale, determinata facendo riferimento ad una relazione empirica che riguarda i volatili, è funzione della massa.

Considerazioni energetiche e geometria di massima Potenza di profilo • Termine che tiene conto della resistenza dovuta alle ali.

• Da risultati presenti in letteratura, facenti riferimento a dati sperimentali, si è determinato che in prima approssimazione tale contributo è indipendente dalla velocità di avanzamento.

Considerazioni energetiche e geometria di massima

Considerazioni energetiche e geometria di massima • Derivando l’espressione della potenza meccanica e uguagliando a zero si trova la velocità di minima potenza.

• La velocità di minima potenza (V min ) non dipende da AR.

• Vogliamo che la velocità di crociera corrisponda alla velocità di minima potenza.

Considerazioni energetiche e geometria di massima L’aspect ratio è ancora un’incognita!

Considerazioni energetiche e geometria di massima

Considerazioni energetiche e geometria di massima

Verifica autonomia di volo

Considerazioni energetiche e geometria di massima

Simulazioni su ali battenti • Hanno lo scopo, noto il dimensionamento di massima, di testare diversi tipi di ala.

• Più in dettaglio, permettono di comprendere il legame esistente tra frequenza , ampiezza del battito e velocità di crociera .

Simulazioni su ali battenti • Le simulazioni sono state svolte con un codice basato sul metodo a pannelli , che si basa sulla risoluzione dell’equazione di Laplace.

• Valgono le ipotesi di fluido inviscido e irrotazionale. • I risultati, nell’ambito delle ipotesi, consentono comunque di avere un’idea quantitativa e qualitativa del problema studiato.

• La scia viene modellata attraverso rilascio di singolarità (tipo vortici e/o doppiette).

Simulazioni su ali battenti Ala rettangolare • Apertura alare (b/2) = 0,6 m • AR = 8 • c = 0,15 m • Frequenza = 3 Hz, 5 Hz, 7 Hz • Angolo massimo di semiapertura = 15°, 30°, 40° • Velocità di avanzamento = 10 m/s , 15m/s , 20m/s , 25m/s

Simulazioni su ali battenti Scelta del profilo alare NACA 4415 SELIG 1223

Simulazioni su ali battenti

Simulazioni su ali battenti Spinta vs Tempo (f = 3 Hz)

Simulazioni su ali battenti Portanza vs Tempo (f = 3 Hz)

Simulazioni su ali battenti NACA 4415 SELIG 1223

Simulazioni su ali battenti NACA 4415 SELIG 1223

Simulazioni su ali battenti Ala ellittica • Apertura alare (b/2) = 0,6 m • AR = 8 • c (alla radice) = 0,19 m • Frequenza = 3 Hz, 5 Hz, 7 Hz • Angolo massimo di semiapertura = 15°, 30°, 40° • Velocità di avanzamento = 10 m/s , 15m/s , 20m/s , 25m/s

Simulazioni su ali battenti Ala ellittica

Simulazioni su ali battenti Ala ellittica

Simulazioni su ali battenti Ala ellittica Ala rettangolare

Simulazioni su ali battenti Ala ellittica Ala rettangolare

Conclusioni e sviluppi futuri Il presente studio ci ha consentito di valutare: • Geometria di massima • L’operare a 3000 m piuttosto che al livello del mare, non comporta sostanziali differenze di dispendio energetico da parte dell’UAV.

• Il comportamento del battito dell’ala rigida in rapporto a diversi valori di frequenza, angolo di semiapertura e velocità di crociera.

• Buone prestazioni del profilo SELIG • L’ala ellittica non apporta miglioramenti nel volo battuto rispetto all’ala rettangolare Possibili sviluppi futuri: • Simulazione del battito d’ali con un’ala flessibile • Simulazione dello svergolamento dinamico nel colpo d’ali verso il basso • Prototipo da testare in galleria del vento