UN METODO TERMOGRAFICO PER LO STUDIO DEL FENOMENO DI SEPARAZIONE DELLO STRATO LIMITE LAMINARE IN CORPI OPERANTI A BASSO NUMERO DI REYNOLDS

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1 UN METODO TERMOGRAFICO PER LO STUDIO DEL FENOMENO DI SEPARAZIONE DELLO STRATO LIMITE LAMINARE IN CORPI OPERANTI A BASSO NUMERO DI REYNOLDS G. Cesini (*), S. Montelpare (*), R. Ricci (**), P. Zazzini (**) (*)Università di Ancona, Dip.di Energetica (**) Università G. D Annunzio - Chieti, D.S.S.A.R.R. SOMMARIO Questa ricerca si è occupata dello studio dei fenomeni presenti su corpi aerodinamici operanti a basso numero di Reynolds; in particolare, mediante l uso della termografia ad infrarossi, si è dedicata particolare attenzione al fenomeno della Bolla di Separazione Laminare. La sua formazione è legata alla separazione dello strato limite laminare, in presenza di un gradiente di pressione avverso, a cui segue una transizione del flusso separato ed un successivo riattacco turbolento a valle del punto di separazione; in questo caso si viene a formare, sulla superficie del corpo, una zona di flusso distaccato in condizione di ricircolo quasi stazionario. La Bolla può presentarsi sulle estremità d ala di alianti o sulle pale delle turbine, qualora queste operino a bassi numeri di Reynolds (bassa velocità e/o piccole corde), e le conseguenze macroscopiche della sua presenza sono un aumento della resistenza aerodinamica ed una possibile diminuzione della portanza. Le prove sperimentali sono state condotte su quattro sezioni alari testate in galleria del vento; la prime due sezioni sono state predisposte con numerose prese di pressione statica per poterle studiare mediante l analisi del C p, mentre le altre due sono state metallizzate per essere utilizzate nell analisi termografica. Difatti, applicando una tensione elettrica a tale rivestimento, si ottiene per effetto Joule un riscaldamento superficiale uniforme che permette di avere una condizione al contorno di flusso termico alla parete costante; sotto tale ipotesi e nelle condizioni di scambio termico in convezione forzata, in cui vengono effettuate le prove, si ottiene un uguaglianza fra gli strati limite cinematico e termico, con la possibilità di studiare il primo dal comportamento del secondo. 1. INTRODUZIONE Scopi della ricerca sono essenzialmente lo studio e la visualizzazione dei fenomeni di separazione locale e totale dello strato limite su corpi aerodinamici operanti ai bassi numeri di Reynolds e Mach. In particolare, utilizzando la tecnica di indagine termografica, si è posta particolare attenzione al fenomeno della bolla di separazione laminare nel suo evolversi in tempo reale e nella sua estensione bidimensionale sopra l aerodina. Il fenomeno della Bolla Laminare si presenta specialmente ai bassi numeri di Reynolds in quanto, in questi range, il valore dell energia associato allo strato limite laminare non è molto elevato, e la sua maggior estensione può far si che questi venga a trovarsi nel suo sviluppo in una zona con gradiente di pressione avverso. Se ciò accade si può avere un distacco dello strato limite ed un suo sviluppo cinematico lontano dalla superficie del corpo; se avviene una transizione ad uno stato turbolento, entro una distanza ed una altezza limiti, si può avere il riattacco dello strato limite con formazione di una zona di ricircolo quasi stazionario, a cui si da il nome di Bolla di Separazione Laminare (figura 1). Figura 1 Vista in sezione e vista tridimensionale della Bolla di Separazione Laminare

2 Congresso Nazionale ATI La Bolla Laminare può presentarsi sulle estremità delle ali degli alianti, dove la corda aerodinamica è piccola, e sulle pale dei piccoli generatori eolici qualora questi si trovino a lavorare a bassi numeri di Reynolds. Altro settore in cui questo fenomeno riveste un ruolo significativo è quello dei microvelivoli; difatti le piccole corde alari, caratterizzanti tali velivoli, fanno sì che i numeri di Reynolds di esercizio siano bassi e quindi si dovrà porre attenzione sulla scelta del profilo più adatto verificandone attentamente il comportamento fluidodinamico. Gli effetti principali della presenza di una bolla sono l aumento della resistenza aerodinamica del corpo ed una diminuzione della sua portanza, con conseguente diminuzione globale dell efficienza. In alcuni casi (generatori eolici) in cui il variare della direzione del vento modifica l angolo di attacco effettivo del flusso sulle pale, la bolla può presentarsi in modo ciclico (la sua presenza è fortemente dipendente dall angolo di attacco) inducendo così degli sbalzi di pressione e delle vibrazioni della pala stessa. In letteratura sono presenti alcuni lavori [1-7] dedicati all uso della termografia nell ambito degli alti numeri di Reynolds, ma non è disponibile un numero altrettanto significativo di ricerche ai bassi numeri di Reynolds oggetto di questo lavoro [8-1]. Normalmente la presenza della Bolla Laminare viene rilevata mediante l uso di tecniche di indagine classiche come la bilancia dinamometrica, lo studio dell andamento delle pressioni e le visualizzazioni mediante traccianti. Ognuno di questi sistemi presenta degli svantaggi nell individuazione della separazione locale dello strato limite: la bilancia, pur evidenziando in maniera abbastanza chiara nei diagrammi C l -C d (polare di Eiffel) la presenza di tali fenomeni, non riesce ad avere una sensibilità accurata ai bassi numeri di Reynolds, laddove la resistenza presenta valori molto piccoli; inoltre, fornisce indicazioni globali senza permettere l individuazione dell esatta posizione della Bolla. L analisi della distribuzione del C p permette invece una localizzazione accurata delle zone di separazione ma: presenta dei tempi di preparazione ed esecuzione della prova dispendiosi e non fornisce informazioni al di fuori della sezione in cui sono ricavate le prese di pressione. Le visualizzazioni di flusso non forniscono alcuna informazione quantitativa e comportano dei lunghi tempi di ripristino dell apparato di prova dopo la loro esecuzione. La termografia, al contrario, permette una rilevazione bidimensionale del fenomeno e permette un suo studio in tempo reale, al variare dell angolo di attacco e della velocità del flusso incidente.. L APPARATO SPERIMENTALE L apparato sperimentale (figura ) utilizzato in questo lavoro è composta da una galleria del vento di tipo subsonico avente le seguenti caratteristiche: circuito aperto e vena chiusa fattore di turbolenza all ingresso 0.30% dimensioni della camera di prova 60 (larghezza) x 380 (altezza) x 1500 (lunghezza) mm velocità massima del flusso di 38 m/s rapporto di contrazione del convergente di 4.65 I profili alari studiati in questa ricerca sono il Ritz 301, avente camber del % e spessore del 1% entrambi al 30% della corda, ed l Eppler 387, avente camber del 3.8% al 40.08% della corda e spessore massimo del 9.07% al 31.08%. Per ognuno dei due profili sono state realizzate due distinte sezioni alari, per un totale complessivo di quattro sezioni: le prime due sono state equipaggiata con 5 prese di pressione statiche, disposte lungo la sezione mediana dell aerodina, per poterne effettuare un analisi del C p mediante un sistema Scanivalve. Le altre due sono state rivestite con un sottile foglio di acciaio (5 µm), per essere utilizzate nelle visualizzazioni termografiche e nello studio mediante bilancia dinamometrica dei tre coefficienti di portanza (C l ), resistenza (C d ) e momento (C m ). La possibilità di risalire al comportamento dello strato limite cinematico dall osservazione termografica di quello termico deriva dal fatto che, trovandoci in aria con P r 1 ed essendo in convezione forzata, si avrà che il rapporto fra gli spessori di strato limite δ c /δ t sarà 1. In conseguenza di ciò le zone in cui dovesse essere presente una bolla di separazione laminare, saranno individuabili come zone a riscaldamento localizzato per effetto del ricircolo quasi stazionario, che impedisce una adeguata dissipazione di calore.

3 G. Cesini, S. Montelpare, R. Ricci, P. Zazzini 369 Termocamera ad Infrarossi LW Aria Generatore di Fumo Trasmettitore di Pressione Barometrico Termocoppia H.W.A. (Velocità Ingresso) H.W.A. (Profilo di Velocità in Uscita) Bilancia Dinamometrica Trasduttore di Pressione Differenziale Figura Impianto di Prova 3. RISULTATI SPERIMENTALI In un precedente lavoro [1] l analisi incrociata dei dati ottenuti mediante differenti tecniche di indagine, aveva permesso di verificare l applicabilità della termografia come mezzo di indagine dei problemi di separazione laminare dello strato limite. In particolare era stato effettuato un confronto incrociato delle mappe termiche dell estradosso del profilo studiato, ottenute mediante la termografia, con i dati derivanti dall analisi dei C p, C d, C l e C m. La conclusione a cui si era giunti era che la termografia poteva in effetti essere utilizzata come un ottimo strumento di indagine non intrusivo ed il suo utilizzo poteva essere esteso anche da un punto di vista quantitativo. In un successivo lavoro [13] si era iniziato ad approfondire quest ultimo aspetto, andando a studiare mediante la termografia sia la posizione di inizio della bolla, che la sua dimensione trasversale. Il profilo preso in esame era il Ritz301, di cui erano state realizzate due sezioni alari, che differivano per la diversa finitura superficiale; difatti nella prima realizzazione non si era posta particolare attenzione nell evitare la presenza di avvallamenti fra le centine interne di supporto, come per altro accade nella pratica realizzativa degli alianti, e si era voluto quindi investigare, con la seconda sezione alare, se tali avvallamenti erano determinanti nella formazione e nello sviluppo della bolla. Come si può osservare dal grafico in figura 3, la presenza di tali disuniformità superficiali non induce una variazione del comportamento della bolla al variare dell angolo di attacco, ma ne modifica la dimensione complessiva e la posizione di inizio, relativamente al bordo di entrata dell ala. In particolare la seconda sezione alare, che non presenta avvallamenti e quindi riduzioni di spessore locale rispetto a quello che si avrebbe per il profilo Ritz originale, mostra uno spostamento verso il bordo di entrata della posizione di inizio della bolla ed un contemporaneo aumento della dimensione longitudinale. Andando a confrontare i dati ottenuti sulla bolla laminare per via termografica con quelli ricavati mediante l analisi con bilancia dinamometrica (figura 4) si può verificare come ci sia un ottima corrispondenza fra le informazioni ottenibili dai due metodi. Per avere indicazioni del range di angoli in cui poteva essere presente la separazione locale, sono state riportate nel medesimo grafico sia la polare del profilo base che quella dello stesso profilo con dei turbolatori a zigzag di 60µm. Tenendo presente che la presenza della bolla comporta un aumento del Cd rispetto al caso di flusso completamente attaccato alla superficie (caso del turbolatore), sarà possibile individuare una Bolla Laminare come zona avente un Cd maggiore rispetto a questa curva di riferimento. Dalla figura 4 si evidenzia la presenza di una separazione locale per angoli compresi fra -6 ed 8 ; dai risultati della bilancia non è però possibile determinare se la bolla si presenta sull estradosso o sull intradosso del profilo, ma incrociando i dati ottenuti dalla termografia si può affermare che per angoli compresi fra ed 8 sicuramente questa sarà presente almeno sull estradosso.

4 Congresso Nazionale ATI Posizione % Inizio della Bolla Ritz 301 I Realizzazione Ritz 301 II Realizzazione Alfa Dimensione % Bolla Figura 3 Andamenti della Bolla per due differenti realizzazioni (Reynolds ) Cl Ritz Ritz con Turb Cl Cd Alfa Figura 4 Polare Cl-Cd e Curva Cl-Alfa del Ritz301 ottenute mediante bilancia (Reynolds )

5 G. Cesini, S. Montelpare, R. Ricci, P. Zazzini 371 Ritz Alfa 06 Ritz Alfa 04 Ritz Alfa 0 Ritz Alfa 00 Ritz Alfa 01 Ritz Alfa 0 Ritz Alfa 03 Ritz Alfa 04 Ritz Alfa 05 Ritz Alfa 06 Ritz Alfa 07 Ritz Alfa 08 Ritz Alfa 09 Ritz Alfa 10 Ritz Alfa 1 Ritz Alfa 14 Figure 5 Visualizzazioni Termografiche a Reynolds per il Profilo Ritz 301 In questo lavoro oltre ad un indagine più approfondita del comportamento del Ritz301 (II realizzazione) e della relazione fra i risultati termografici e quelli ottenuti mediante bilancia dinamometrica, si è realizzata una ulteriore sezione alare basata sul ben noto profilo E387. La scelta è stata determinata sia per i parametri geometrici che per l abbondanza di risultati disponibili in letteratura; le differenze geometriche principali fra l Eppler 387 ed il Ritz 301 sono il minor spessore percentuale massimo e l arretramento della freccia di camber massima sino al 40% (oltre a ciò la camber presenta un aumento consistente del suo valore percentuale di corda). Specialmente la diminuzione dello spessore massimo era motivo di interesse per verificare il comportamento ai bassi numeri di Reynolds di profili appartenenti alla categoria dei profili sottili. Inoltre l elevato numero dei risultati disponibili in letteratura hanno permesso un confronto ed una validazione della galleria del vento del dipartimento di Energetica rispetto ad altre strutture, come quella di Stoccarda e dell Università dell Illinois. Nell ambito di questo confronto sono state effettuate anche delle simulazioni mediante il programma commerciale di calcolo Visualfoil.

6 37 56 Congresso Nazionale ATI Come si può osservare in figura 6 dai risultati ottenuti mediante la bilancia dinamometrica per un Reynolds di , le zone della Polare con andamento anomalo sembrano essere quelle comprese per angoli fra 3 e 9 circa; in queste zone pur non presentandosi nessuna anomalia nel grafico del coefficiente di portanza al variare dell angolo, si nota un aumento del coefficiente di resistenza. Andando a studiare l estradosso del profilo con l ausilio della termografia (figure 7) è possibile notare una zona a riscaldamento localizzato che inizia a formarsi in prossimità del bordo di uscita per angoli negativi, e che all aumentare dell angolo di attacco tende a spostarsi verso il bordo di entrata diminuendo allo stesso tempo la sua dimensione longitudinale. Oltre 6 la Bolla inizia a modificare anche la sua estensione trasversale creando delle zone localizzate di separazione locale, fino ad angoli di 10 circa per i quali non è più presente nessuna separazione locale ed inizia una separazione totale che porta allo stallo. Come si può notare dall ultima delle figure 7, in cui è riportata anche la scala IR, l innalzamento della temperatura non supera mai i 5 6 C onde evitare modificazioni del comportamento cinematico Cl E387 Polare Cl-Cd E387 Cl-Alfa Cl Cd Alfa Figura 6 Polare Cl-Cd e Curva Cl-Alfa dell E387 ottenute mediante bilancia (Reynolds ) E387 - Alfa -05 E387 - Alfa 04 E387 - Alfa 03 E387 - Alfa 0 E387 - Alfa 01 E387 - Alfa 00 E387 - Alfa 01 E387 - Alfa 0 E387 - Alfa 03 E387 - Alfa 04 E387 - Alfa 05 E387 - Alfa 06 E387 - Alfa 07 E387 - Alfa 08 E387 - Alfa 9 E387 - Alfa 10

7 G. Cesini, S. Montelpare, R. Ricci, P. Zazzini 373 E387 - Alfa 11 E387 - Alfa 1 E387 Alfa 00 con Scala IR Figure 7 Visualizzazioni Termografiche a Reynolds per il Profilo Eppler 387 Studiando l andamento della temperatura lungo una linea parallela al flusso d aria e passante sopra il profilo alare, è possibile ottenere informazioni riguardo i punti di probabile distacco laminare e riattacco turbolento dello strato limite; difatti essendo queste due situazioni delle anomalie nel normale sviluppo dello strato limite termico, saranno visibili come discontinuità nell andamento della temperatura e permetteranno quindi di ricavare la distanza dal bordo di entrata del punto di separazione e la lunghezza longitudinale della bolla laminare in percentuale di corda. I risultati di tale studio sono riportati in figura 8 analogamente a quanto fatto in precedenza per il profilo Ritz 301; riportando nel medesimo grafico anche gli andamenti del Ritz (II realizzazione) si può notare che gli andamenti complessivi della posizione di inizio e della dimensione longitudinale, rispecchiano quelli ottenuti in precedenza mostrando una differenza principalmente nei valori assoluti E387 Ritz 301 Posizione % Bolla Angolo di Attacco Dimensione % Bolla Figura 8 Comportamento della Bolla per il profilo E387 (Reynolds ) Come già si poteva intuire dalle immagini termografiche ottenute, il fenomeno della bolla comincia a presentarsi per angoli negativi di 3 e rimane visibile sino ad angoli di 9 ; questo risultato è

8 Congresso Nazionale ATI confortato, come visto in precedenza, dall analisi mediante bilancia della polare di Eiffel e si può quindi affermare la termografia è un valido strumento da affiancare a questa tecnica classica evitando l analisi del Cp e permettendo allo stesso tempo una comprensione maggiore dell evoluzione dei fenomeni di separazione al variare dei parametri angolo e Reynolds. Accanto a questo studio del comportamento dell Eppler 387 come appartenente alla categoria dei profili sottili, sono stati effettuati dei raffronti dei risultati ottenuti mediante rilevazione delle prese di pressione con i dati a disposizione di altre Università. In particolare sono state scelte le Università di Stoccarda e dell Illinois, che hanno ottenuto i loro risultati su gallerie del vento di tipo subsonico abbastanza simili a quella disponibile presso il Dipartimento di Energetica dell Università di Ancona in cui è stato effettuato questo lavoro. Il confronto (figura 9) è stato sull andamento delle curve C l -Alfa ed ha mostrato un ottima corrispondenza sia per quel che riguarda l individuazione dell angolo di portanza nulla del profilo, che per la pendenza della curva del Cl; valori leggermente diversi sono stati trovati relativamente al comportamento in prossimità dello stallo probabilmente a causa dell effetto della parete superiore di galleria, che favorisce un riattacco del flusso post-stallo all aumentare del bloccaggio del flusso da parte del profilo. 1.4 Reynolds Cl Univ. Ancona - Dip. Energetica Univ. Stoccarda Univ. Illinois Visualfoil Alfa Figura 9 Confronti sull andamento del Cl

9 G. Cesini, S. Montelpare, R. Ricci, P. Zazzini CONCLUSIONI In questo lavoro si è voluta verificare l applicabilità della termografia come strumento di misura quantitativo, oltre che qualitativo, dei fenomeni di separazione locale e totale dello strato limite. In particolare l attenzione è stata focalizzata sul problema della Bolla di Separazione Laminare, ovvero su di un fenomeno largamente presente ai bassi numeri di Reynolds, e decisamente penalizzante delle prestazioni dei profili alari comunemente adottati e progettati per Reynolds superiori al milione. Dai risultati ottenuti si può affermare che la termografia ad infrarossi, è un valido sistema da affiancare a tecniche classiche, come la bilancia dinamometrica, per lo studio di tali problemi. Il suo utilizzo permette infatti di osservare la presenza di eventuali bolle laminari al variare dell angolo di attacco e del numero di Reynolds; la sua applicazione, oltre che da un punto di vista qualitativo come metodo di visualizzazione, permette una valutazione quantitativa sia delle dimensioni superficiali del fenomeno che della sua posizione relativamente al bordo di entrata. Come verificato in un precedente lavoro [13], conoscendo la posizione della Bolla Laminare, è inoltre possibile utilizzare l indagine termografica per ottimizzare l utilizzo di dispositivi come i turbolatori, che servono a limitare la presenza di separazioni dello strato limite. La ricerca attualmente si sta interessando dell applicazione del sistema termografico allo studio di profili alari aventi spessori sempre più piccoli e destinati ai bassissimi numeri di Reynolds, così da poter meglio comprendere la connessione fra i parametri geometrici di un profilo (camber, spessore, raggio del naso,...) e la fluidodinamica che si viene ad avere. 6. SIMBOLOGIA P Pinf P Pinf C p = = V Q inf kin ρ L L Cl = = V Qkin S inf ρ S D D Cd = = V Qkin S inf ρ S M c / 4 M c / 4 Cm = = V Qkin S C inf ρ S C L D M c/4 P P inf V V inf ρ Coefficiente di Pressione Coefficiente di Portanza Coefficiente di Resistenza Coefficiente di Momento Portanza Resistenza Momento al Quarto di Corda Pressione Statica Pressione del Flusso Indisturbato Velocità del Flusso Velocità del Flusso Indisturbato Densità del Flusso 7. RIFERIMENTI 1. D.S. Bynum, F.K. Hube, M. Keyc, P.M. Diek: Measurement and Mapping of Aerodynamic Heating with an Infrared Camera, AEDC Rep. TR-76-54, 1-33., G.M. Carlomagno, L. De Luca, G. Buresti, G. Lombardi: Characterisation of Boundary Layer Conditions in Wind Tunnel Tests through IR Infrared Thermography Imaging. Applications of Infrared Technology, ed. T.L. Williams, Proc. SPIE, vol. 599, 3-9, G.M. Carlomagno,L. De Luca: Infrared Thermography in Heat Transfer. Handbook of Flow Visualization. ch. 3, , Young W.I. ed. Hemisphere Publishing Corporation, 1989.

10 Congresso Nazionale ATI 4. K. Daryabeigi, W. Alderfer, S.E. Borg. Wind Tunnel and Flight Flow Visualization Using Infrared Imaging, Proc. 37th Int. Instrumention Symposium. Aerospace Industries Division, , R. Monti. Thermography, in Flow Visualization and Digital Image Processing. Proc. Lect. Ser. Von Karman Institute for Fluyd Dynamics, (1986). 6. H. Thormann, B. Frisk: Measurement of Heat Transfer with Infrared Camera. Int. Journal of Heat Mass Transfer. vol. 11, , A.M. Bouchardy, G. Durand, G. Gauffre: Processing of Infrared Thermal Images for Aerodynamic Research. SPIE Int. Technical Conference, Genova (Italy), vol. l, 18- April Armin Quast: Detection of Transition by Infrared Image Technique. ICIASF 1987 Record; pp , J.M. Brandon, G.S. Manuel, R.E. Wrigth Jr., B.J. Holmes: In-Flight Visualization Using Infrared Imaging. Journal of Aircraft, vol. 7, no.6, M. S. Selig, J.F. Donovan, D.B. Fraser: Airfoils at Low Speeds. Soartech 8, H.A. Stokely publisher, C.A. Lyon, A.P. Broeren, P. Giguère, A. Gopalarathnam and M.S. Selig: Summary of Low- Speed Airfoil Data - Vol.3, Soartech Publications, Virginia Beach, Virginia, S. Montelpare, M. Paroncini, R.Ricci. P.Zazzini: Flow Visualization of the Laminar Separation Bubble by Infrared Thermography Investigations. 5th International Workshop on Advanced Infrared Technology and Applications, Venezia, Italy, 9-30 September S. Montelpare, R.Ricci, P.Zazzini: Laminar Separation Bubble Visualisation By I.R. Thermography. 9th International Symposium on Flow Visualization, Edinburgh, Scotland, -5 August 000.