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Drag Reduction in Turbulent Boundary Layer via Flow Control

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Verso aeromobili più efficienti sotto il profilo energetico

L’accento posto sulla riduzione dell’impatto ambientale degli aeromobili significa che gli scienziati finanziati dall’UE stanno studiando modi per ridurre la resistenza aerodinamica utilizzando i piccoli componenti attivi di un aeromobile per renderli più efficienti dal punto di vista energetico e per ridurre le emissioni.

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Tecnologie industriali

La riduzione delle emissioni di anidride carbonica e di ossido di azoto degli aeromobili è direttamente collegata al consumo di carburante, all’attrito e al peso dell’aeromobile. In questo modo la riduzione della resistenza superficiale, che impedisce il movimento in avanti durante il volo, contribuirà a ridurre l’impatto ambientale delle emissioni nocive. «Non è solo la forma della cellula a determinare la resistenza, ma anche alcuni dispositivi che agiscono sul campo di flusso», spiega Gabriel Bugeda, coordinatore del progetto DRAGY, professore di ingegneria civile e ambientale presso il Centro Internazionale per i metodi numerici in ingegneria (CIMNE), presso l’Università Tecnica della Catalogna (UPC), a Barcellona, Spagna. Alcuni dei dispositivi più promettenti individuati all’inizio del progetto sono stati analizzati in esperimenti di laboratorio utilizzando analisi numeriche basate su nuove tecnologie di simulazione computazionale, per analizzare le strutture di flusso. «Abbiamo analizzato alternative per la riduzione dell’attrito utilizzando dispositivi attivi che richiedono energia per funzionare, come dischi rotanti, getti pulsanti e persino riblet», spiega Bugeda. I riblet sono superfici rigate in direzione del flusso d’aria che possono ridurre la resistenza rispetto alle superfici lisce.

Dispositivi in grado di ridurre la resistenza

I riblet e altri dispositivi come gli attuatori al plasma, dove una piccola quantità di aria viene iniettata nel campo di flusso utilizzando dispositivi al plasma, possono ridurre la resistenza aerodinamica. «Questi sono i due dispositivi più promettenti», prosegue Bugeda, aggiungendo che offrono buone potenzialità anche i pulsoreattori, che iniettano una specifica quantità di fluido in un’azione pulsante piuttosto che in un flusso costante, e i dischi rotanti, per iniettare ulteriore quantità di fluido. «Siamo giunti alla conclusione che alcuni di questi dispositivi possono produrre fino al 40 % di riduzione della resistenza superficiale, una novità quindi, ma è ancora a un livello molto basso di sviluppo tecnologico», osserva Bugeda. Tuttavia, con un costo del carburante pari ad almeno il 30 % dei costi operativi di un aeromobile commerciale, potrebbe rappresentare un risparmio significativo. «Un aereo potrebbe avere un gran numero di questi dispositivi distribuiti attraverso la fusoliera o l’ala», spiega Bugeda. Ma c’è anche un ritorno, perché: «Questi dispositivi hanno un certo peso e hanno bisogno di energia per funzionare e non abbiamo ancora valutato il loro costo, ma si tratta comunque di una scoperta significativa». Oltre ai motori e ad altre parti del velivolo, le configurazioni convenzionali sono ormai prossime all’ottimizzazione completa. «Tuttavia, abbiamo confermato in laboratorio che considerando questi dispositivi si possono ancora apportare miglioramenti», osserva Bugeda.

Scalabilità

La diffusione su scala industriale resta una grande sfida. «Questi dispositivi agiscono sul campo di flusso in un’area molto piccola», osserva Bugeda. «Non è facile estrapolare i risultati di questi esperimenti [su scala di laboratorio] in aerei di dimensioni reali. Quindi gli esperimenti devono essere il più possibile vicini alle dimensioni reali, cosa non sempre possibile in laboratorio». Poiché il progetto è una collaborazione tra le istituzioni europee e la Cina, con i costi in Cina coperti dal Ministero dell’Industria e della Tecnologia dell’informazione di Pechino, il progetto ha potuto usufruire di impianti sperimentali su larga scala presso l’Università di Zhejiang, la Northwestern Polytechnical University, la Peking University e la Beijing University of Aeronautics and Astronautics. Per l’analisi numerica, la difficoltà principale è la quantità di potenza del computer necessaria, spiega Bugeda. «Non è ancora pronto per il mercato», spiega Bugeda, osservando che i futuri progetti di collaborazione svilupperanno ulteriormente tali tecnologie per l’uso in aeromobili reali.

Parole chiave

DRAGY, aeromobile, Cina, resistenza, efficienza energetica, emissioni, riblet, aerodinamica, flusso d’aria, pulsoreattori, anidride carbonica, ossido di azoto

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