Rendere gli aeromobili più efficienti dal punto di vista energetico grazie a un migliore controllo dei flussi
Le emissioni del trasporto aereo sono tra le fonti di gas a effetto serra in più rapida crescita. Poiché la domanda di passeggeri è in continuo aumento, per conseguire la neutralità climatica sono fondamentali soluzioni innovative che rendano gli aeromobili più ecologici. L’ottimizzazione delle prestazioni aerodinamiche può contribuire in modo significativo alla riduzione del consumo energetico degli aeromobili, migliorandone al contempo la stabilità e riducendo i livelli di rumorosità da essi generati. In questo contesto, il Fluid (controllo dei flussi) è un obiettivo di ricerca fondamentale. Il progetto PERSEUS, finanziato dall’UE, ha ora elaborato una metodologia per ottimizzare la progettazione di un dispositivo in grado di controllare il flusso d’aria, al fine di ridurre la cosiddetta separazione dei flussi. Questo fenomeno si verifica quando il flusso d’aria si «stacca» dalla superficie del velivolo, incidendo sulle sue prestazioni. «Ci sono diverse situazioni in cui si osserva la comparsa di una separazione dei flussi», spiega Nicolas Mazellier, professore di Meccanica dei fluidi presso l’Università di Orléans, dove ha sede il progetto. «Si verifica, ad esempio, durante le manovre, come il decollo e l’atterraggio, e anche nel caso in cui il flusso sia disturbato dalla presenza di ostacoli, per esempio alla giunzione fra l’ala e la aviazione (gondola).» La separazione dei flussi genera aree di turbolenza che producono vibrazioni e rumore, aumenta le emissioni e può provocare instabilità. In casi estremi può addirittura compromettere la capacità del pilota di controllare il velivolo: «Lo stallo è una delle conseguenze più drammatiche delle separazioni massicce», osserva Mazellier.
Maggiore efficienza grazie al controllo attivo
Il gruppo di ricerca coinvolto in PERSEUS ha adottato un approccio innovativo per affrontare questo problema. I ricercatori hanno elaborato una metodologia che prende come punto di partenza i problemi esistenti alla giunzione ala-gondola e utilizza le equazioni della meccanica dei fluidi per guidare la progettazione di un attuatore fluidico ottimizzato per il controllo dei flussi. Tali attuatori sono utilizzati sugli aerei per manipolare il flusso d’aria in diverse situazioni. Gli attuatori a getto pulsato sviluppati dal gruppo di Mazellier generano getti d’aria veloci per ridurre l’effetto delle separazioni dei flussi, utilizzando la minor energia possibile. «Il cosiddetto controllo attivo consente di regolare il flusso solo in caso di necessità, in modo da ottenere effetti elevati al minor costo energetico», spiega Mazellier. Si tratta, peraltro, di una vera sfida, perché i sistemi esistenti sono efficaci dal punto di vista aerodinamico, ma aggiungono un peso considerevole e sono difficili da manovrare.
Guadagni energetici netti fino al 20 %
Gli attuatori a getto pulsato utilizzati nel progetto PERSEUS potrebbero risolvere alcuni di questi difetti. Unendo varie tipologie di competenze in campi quali la micromeccanica, la microfluidica e la simulazione numerica ad alta fedeltà, il gruppo di ricerca è riuscito a eseguire uno dei primissimi calcoli numerici ad alta fedeltà del flusso interno di un attuatore. «Affrontando questa importante sfida scientifica, abbiamo imparato molto sulla fisica del processo di commutazione che è all’origine del carattere bistabile degli attuatori a getto pulsato che abbiamo sviluppato», osserva Mazellier. La modellazione numerica è stata combinata con test in galleria del vento per ottimizzare il design interno degli attuatori i quali, non contenendo parti meccaniche, sono estremamente affidabili. I test hanno dimostrato l’elevata efficienza della strategia di controllo a un basso costo operativo, con un potenziale guadagno netto di energia fino al 20 % nelle fasi critiche prossime allo stallo.
Il cielo non è il limite
Per portare le innovazioni di PERSEUS sul mercato saranno necessarie ulteriori ricerche, al fine di sviluppare gli strumenti realizzati in laboratorio e renderli pronti per l’impiego su scala industriale. Oltre a contribuire a risolvere un problema aeronautico, la metodologia di PERSEUS potrebbe avere applicazioni anche al di fuori di questo settore. Infatti, le tecniche di ottimizzazione che rende possibili sono promettenti per contribuire a ridurre il consumo energetico in altri settori, come i sistemi di riscaldamento e raffreddamento.
Parole chiave
PERSEUS, aerodinamica, controllo dei flussi, separazione dei flussi, attuatore fluidico, attuatore a getto pulsato, emissioni aeronautiche, turbolenza
