STUDIO E OTTIMIZZAZIONE DI UN SILENZIATORE AUTOPORTANTE PER APPLICAZIONI AERONAUTICHE
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1 ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA SECONDA FACOLTA DI INGEGNERIA CON SEDE A CESENA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Sede di Forlì STUDIO E OTTIMIZZAZIONE DI UN SILENZIATORE AUTOPORTANTE PER APPLICAZIONI AERONAUTICHE Tesi di laurea di: Claudio Lucchi Relatore: Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatori: Prof. Ing. Alessandro Ceruti Dott. Ing. Tiziano Bombardi 1
2 Obiettivi della tesi Analisi agli elementi finiti di un silenziatore per applicazioni aeronautiche già esistente per determinare le sollecitazioni subite Modellazione di una marmitta a forma di profilo alare e analisi della stessa agli elementi finiti per determinare le sollecitazioni subite Analisi fluidodinamica sul nuovo dispositivo per verificare se è in grado di generare portanza. 2
3 Studio statico (pre-processing) studio separatamente barilotto e scarichi con Solidworks Simulation Carichi imposti: Accelerazione di gravità pari a 6g (freccia rossa) Vincoli scelti: vincoli elastici posti negli attacchi per gli scarichi Temperatura dei gas di scarico entro il barilotto pari a 950 C 3
4 Studio statico (pre-processing) Scelta materiale: Acciaio AISI 310 S C Mn P S Si Cr Ni Mo N max max max 1.50 max max 4
5 Studio statico (pre-processing) Semplificazione: non metto i carichi termici sul modello, ma modifico le caratteristiche dell acciaio AISI 310 S come se fosse già alla temperatura di 950 C 5
6 Studio statico (post-processing) Da una prima analisi risulta: 6
7 Studio statico (post-processing) Rinforzo i terminali di attacco con delle nervature e ripeto lo studio con gli stessi parametri 7
8 Studio statico (post-processing) Il risultato questa volta è accettabile 8
9 Studio statico (scarichi) Impongo come carichi le forze presenti nelle zone in cui avevo posto i vincoli elastici del barilotto (176 N per lo scarico di sinistra e 162 N per quello di destra) I risultati sono soddisfacenti 9
10 Modellazione 0 Weight Calcolo volume dell ultima camera: Area: = Volume complessivo: V 1 = A x l = 10386,89 x 106,50 = ,86 mm 3 Volume occupato dalla parte di tubo: V 2 = π r 22 x l 2 = π (16,00 2 ) x 45,00 = 36191,15 mm 3 Volume reale : V Tot = V 1 V 2 = , ,15 = ,71 mm 3 Utilizzo questo valore per dimensionamento camere nuova marmitta 10
11 Modellazione 0 Weight Arrivo ad una prima marmitta molto squadrata Altezza della marmitta data da diametro esterno tubi: 35 mm Calcolo area rettangolare: = = = Scelgo i lati del rettangolo di conseguenza: Lato lungo: a = 348 mm; Lato corto: b = 87 mm. 11
12 Modellazione 0 Weight Determino il profilo aerodinamico col Bulb Calculator inserendo: target weight: 3,79 kg; material density: 8,00 kg / dm 3 height / lenght ratio: Profilo NACA
13 Modellazione 0 Weight Dimensioni: lunghezza: 246 mm; larghezza: 375 mm. presenza di tubi nelle camere interne che convogliano il flusso dei gas caldi verso l alto con diametro di 32 mm 13
14 Modellazione 0 Weight completo il modello con scarichi a corna che collego ai tubi interni ho mantenuto il valore dell interasse tra le flange pari al valore che avevo nella marmitta di partenza, ovvero 114,67 mm Posso dunque procedere con gli studi su questo modello 14
15 Studio statico 0 Weight Carichi applicati: solo accelerazione di gravità pari a 6g (freccia rossa) Vincoli: vincoli fissi nelle parti vicine alle flange d attacco (frecce verdi) Materiale utilizzato: acciaio al cromo con modulo elastico MPa e limite di snervamento 172,34 MPa 15
16 Studio statico 0 Weight unica zona critica è la parte a corno dei tubi di scarico 16
17 Simulazione Fluidodinamica simulazione svolta con Solidworks Flow Simulation prendo solo la struttura base eliminando le cavità interne e le aperture imposto flusso d aria a 20 C e pressione atmosferica Verifico se in queste condizioni si genera portanza imposto due temperature diverse fra le superfici superiore e inferiore di 50 C, con coeff. di scambio esterno pari a 25 W / (m 2 K) 17
18 Simulazione Fluidodinamica Secondo le prime ipotesi la differenza di temperatura dovrebbe far sì che si ottenga una differenza di pressione nel flusso d aria (pressione inferiore lungo la faccia che si scalda di più, cioè sopra); ci si aspettava che la differenza di pressione generasse una spinta opposta alla forza peso, ovvero una portanza; imposto un flusso d aria alla velocità di 100 m/s, e ottengo il grafico qui a fianco per quanto riguarda la forza normale ci vengono forniti valori di forza negativi, quindi le ipotesi di partenza risultano sbagliate andiamo perciò a rimodellare la marmitta 18
19 Ottimizzazione con effetto Meredith radiatori mal progettati danno perdite di velocità pari a % del totale; se si supera un certo limite di velocità, stimato da Meredith intorno a 480 km/h, e se il radiatore è posto in un condotto dimensionato bene, le perdite calano e si può ottenere una spinta positiva; il condotto pensato da Meredith prevede un primo tratto divergente in cui la velocità del fluido cala mentre la sua pressione aumenta, un secondo tratto dove l aria si scalda e viene accelerata e la pressione cala, e un tratto finale convergente per fare aumentare ancora di più la velocità dell aria e la conseguente spinta. Provo dunque a realizzare qualcosa di simile (motore statico) 19
20 Ottimizzazione 0 Weight chiudo il profilo dell ala nella parte posteriore e lo allungo davanti, dove viene raccordato con un raggio di 2 mm; costruisco attorno al profilo un condotto spesso 0,7 mm in alluminio, con un altezza della sezione di scambio (parte centrale) pari a 10 mm (5 mm da ogni lato), con una sezione di entrata alta un terzo della parte centrale (ovvero 3,33 mm) e una sezione di uscita alta la metà rispetto all entrata (ovvero 1,67 mm); parte finale convergente con un piccolo flap lungo 5 mm nella zona della sezione di uscita. 20
21 Nuova simulazione imposto sempre un flusso d aria a 20 C e pressione atmosferica; per le condizioni al contorno, questa volta le imposto identiche sia per la faccia superiore sia per quella inferiore del profilo ( 950 C = 1223,2 K con coefficiente di scambio pari a 25 W / (m 2 K)); faccio varie simulazioni variando il valore della velocità del flusso d aria, partendo con 5 m/s, passando poi a 10 m/s, 25 m/s, 50 m/s, 75 m/s e 100 m/s. 21
22 Risultati finali : la forza in direzione Y è la portanza 22
23 Conclusioni Finali Ho verificato la resistenza della marmitta originale alle sollecitazioni durante il volo, e vedendo che i valori delle tensioni superavano i limiti di snervamento negli attacchi per gli scarichi, ho rinforzato tali punti con nervature, facendo così calare le tensioni sul barilotto; invece, gli scarichi rimangono perfettamente integri come verificato dalle simulazioni effettuate; ho provato a dimensionare una nuova marmitta a forma di profilo alare nel tentativo di farla diventare un dispositivo autoportante; questa marmitta ha dimostrato di essere in grado di resistere alle sollecitazioni esistenti in volo, ma si è dimostrata, a seguito di simulazioni fluidodinamiche, incapace di ottenere portanza tramite una semplice differenza di temperatura fra le superfici superiore e inferiore del profilo; ho perciò applicato i concetti dell effetto Meredith, costruendo un condotto con precise caratteristiche attorno a un profilo modificato nel tentativo di ottenere una spinta attraverso l accelerazione del flusso d aria entrante nel profilo, dimostrando, col grafico finale, che si viene a generare una certa forza proporzionale al quadrato della velocità del flusso, ovvero sono riuscito ad ottenere un dispositivo autoportante 0 Weight. 23
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