Universit

1
Università degli Studi di GenovaFacoltà 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
2
Specifiche operative richieste

• Decollo a mano
• Velocità massima gt 15 m/s
• Autonomia gt 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

mtot 1 kg
3
Studio aerodinamico preliminare
Considerazioni energetiche e definizione della
geometria di massima
Simulazioni su ali battenti
4
Il volo battuto in natura

• Durante il battito dali verso il basso
  (downstroke), viene prodotta sia portanza che
  spinta.
• Lala flessibile consente di ottimizzare il
  battito delle ali atto al mantenimento della
  portanza durante la fase del colpo verso lalto
  (upstroke).

L
F
T
5
Considerazioni energetiche e geometria di massima
6
Considerazioni energetiche e geometria di massima
Potenza indotta, necessaria al sostentamento del
velivolo
Potenza parassita, dovuta alla resistenza del
corpo
Potenza di profilo, dovuta alla resistenza delle
ali
7
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.

8
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.

9
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.

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

10
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.

11
Considerazioni energetiche e geometria di massima
12
Considerazioni energetiche e geometria di massima

• Derivando lespressione della potenza meccanica e
  uguagliando a zero si trova la velocità di minima
  potenza.

• La velocità di minima potenza (Vmin) non dipende
  da AR.
• Vogliamo che la velocità di crociera corrisponda
  alla velocità di minima potenza.

13
Considerazioni energetiche e geometria di massima
Laspect ratio è ancora unincognita!
14
Considerazioni energetiche e geometria di massima
15
Considerazioni energetiche e geometria di massima
16
Verifica autonomia di volo
17
Considerazioni energetiche e geometria di massima
18
(No Transcript)
19
(No Transcript)
20
(No Transcript)
21
(No Transcript)
22
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.

23
Simulazioni su ali battenti

• Le simulazioni sono state svolte con un codice
  basato sul metodo a pannelli, che si basa sulla
  risoluzione dellequazione di Laplace.
• Valgono le ipotesi di fluido inviscido e
  irrotazionale.
• I risultati, nellambito delle ipotesi,
  consentono comunque di avere unidea quantitativa
  e qualitativa del problema studiato.
• La scia viene modellata attraverso rilascio di
  singolarità (tipo vortici e/o doppiette).

24
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

25
Simulazioni su ali battenti
Scelta del profilo alare
NACA 4415
SELIG 1223
26
Simulazioni su ali battenti
27
Simulazioni su ali battenti
Spinta vs Tempo (f 3 Hz)
28
Simulazioni su ali battenti
Portanza vs Tempo (f 3 Hz)
29
Simulazioni su ali battenti
NACA 4415
SELIG 1223
30
Simulazioni su ali battenti
NACA 4415
SELIG 1223
31
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

32
Simulazioni su ali battenti
Ala ellittica
33
Simulazioni su ali battenti
Ala ellittica
34
Simulazioni su ali battenti
Ala ellittica
Ala rettangolare
35
Simulazioni su ali battenti
Ala ellittica
Ala rettangolare
36
Conclusioni e sviluppi futuri
Il presente studio ci ha consentito di valutare

• Geometria di massima
• Loperare a 3000 m piuttosto che al livello del
  mare, non comporta sostanziali differenze di
  dispendio energetico da parte dellUAV.
• Il comportamento del battito dellala rigida in
  rapporto a diversi valori di frequenza, angolo di
  semiapertura e velocità di crociera.
• Buone prestazioni del profilo SELIG
• Lala ellittica non apporta miglioramenti nel
  volo battuto rispetto allala rettangolare

Possibili sviluppi futuri

• Simulazione del battito dali con unala
  flessibile
• Simulazione dello svergolamento dinamico nel
  colpo dali verso il basso
• Prototipo da testare in galleria del vento