Separation control by means of oriented DBD plasma actuators: an experimental analysis in a wind tunnel

This thesis provides an experimental analysis of the effectiveness of oriented DBD plasma actuators over a NACA 0015 airfoil at low Reynolds numbers. Tests were performed in partnership with the Department of Electrical Engineering of Bologna University, in the wind tunnel of the Applied Aerodynamics Laboratory of Aerospace Engineering faculty. Lift coefficient measurements were carried out in order to verify how an oriented plasma jet succeeds in prevent boundary layer separation. Both actuators’ chord wise position and plasma jet orientation angle have been investigated to examine which configurations lead to the best results. A particular attention has been paid also to the analysis of results in steady and unsteady plasma actuation. Questa tesi offre un’analisi sperimentale sull’efficacia di attuatori al plasma orientabili, basati su una tecnologia DBD, installati su un profilo alare NACA 0015, a bassi numeri di Reynolds. Le prove sono state condotte in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università di Bologna, nella galleria del vento del Laboratorio di Aerodinamica Applicata della Facoltà di Ingegneria Aerospaziale di Forlì. Per verificare come un getto orientabile di plasma riesca a prevenire la separazione dello strato limite, sono state eseguite misure sul coefficiente di portanza. Sono state indagate sia la posizione degli attuatori lungo la corda che l’angolo con cui è orientato il getto di plasma, per vedere quali configurazioni conducono ai migliori risultati. Una particolare attenzione è stata riservata all’analisi dei risultati ottenuti con plasma continuo e pulsato.

Analisi e valutazione delle performance acustiche degli aeromobili nella fase di atterraggio

Nella tesi si analizzano le principali fonti del rumore aeronautico, lo stato dell'arte dal punto di vista normativo, tecnologico e procedurale. Si analizza lo stato dell'arte anche riguardo alla classificazione degli aeromobili, proponendo un nuovo indice prestazionale in alternativa a quello indicato dalla metodologia di certificazione (AC36-ICAO) Allo scopo di diminuire l'impatto acustico degli aeromobili in fase di atterraggio, si analizzano col programma INM i benefici di procedure CDA a 3° rispetto alle procedure tradizionali e, di seguito di procedure CDA ad angoli maggiori in termini di riduzione di lunghezza e di area delle isofoniche SEL85, SEL80 e SEL75.

Simulazione numerica di fenomeni aeroelastici con applicazione alle strutture civili

Il presente lavoro tratta lo studio dei fenomeni aeroelastici di interazione fra fluido e struttura, con il fine di provare a simularli mediante l’ausilio di un codice agli elementi finiti. Nel primo capitolo sono fornite alcune nozioni di fluidodinamica, in modo da rendere chiari i passaggi teorici fondamentali che portano alle equazioni di Navier-Stokes governanti il moto dei fluidi viscosi. Inoltre è illustrato il fenomeno della formazione di vortici a valle dei corpi tozzi dovuto alla separazione dello strato limite laminare, con descrizione anche di alcuni risultati ottenuti dalle simulazioni numeriche. Nel secondo capitolo vengono presi in rassegna i principali fenomeni di interazione fra fluido e struttura, cercando di metterne in luce le fondamenta della trattazione analitica e le ipotesi sotto le quali tale trattazione è valida. Chiaramente si tratta solo di una panoramica che non entra in merito degli sviluppi della ricerca più recente ma fornisce le basi per affrontare i vari problemi di instabilità strutturale dovuti a un particolare fenomeno di interazione con il vento. Il terzo capitolo contiene una trattazione più approfondita del fenomeno di instabilità per flutter. Tra tutti i fenomeni di instabilità aeroelastica delle strutture il flutter risulta il più temibile, soprattutto per i ponti di grande luce. Per questo si è ritenuto opportuno dedicargli un capitolo, in modo da illustrare i vari procedimenti con cui si riesce a determinare analiticamente la velocità critica di flutter di un impalcato da ponte, a partire dalle funzioni sperimentali denominate derivate di flutter. Al termine del capitolo è illustrato il procedimento con cui si ricavano sperimentalmente le derivate di flutter di un impalcato da ponte. Nel quarto capitolo è presentato l’esempio di studio dell’impalcato del ponte Tsing Ma ad Hong Kong. Sono riportati i risultati analitici dei calcoli della velocità di flutter e di divergenza torsionale dell’impalcato e i risultati delle simulazioni numeriche effettuate per stimare i coefficienti aerodinamici statici e il comportamento dinamico della struttura soggetta all’azione del vento. Considerazioni e commenti sui risultati ottenuti e sui metodi di modellazione numerica adottati completano l’elaborato.

Experimental analysis of a separation control device based on plasma technology

In this thesis effects of plasma actuators based on Dielectric Barrier Discharge (DBD) technology over a NACA 0015 bidimensional airfoil have been analyzed in an experimental way, at low Reynolds number. Work developed on thesis has been carried on in partnership with the Department of Electrical Engineering of Università di Bologna, inside Wind Tunnel of the Applied Aerodynamic Laboratory of Aerospace Engineering faculty. In order to verify the effectiveness of these active control devices, the analysis has shown how actuators succeed in prevent boundary layer separation only in certain conditions af angle of attack and Reynolds numbers. Moreover, in this thesis actuators’ chordwise position effect has been also analyzed, together with the influence of steady and unsteady operations.

Aereodynamics of dry helically-filleted bridge cables

Dry limited amplitude vibrations flow-transition induced vibrations were experienced on a helically-filleted tube, in a previous study performed by Kleissl and Georgakis (2012). These vibrations have never been reported in previous studies. A deep study on the same inclined-yawed cable configuration has been performed, in order to investigate and further understand the nature of these vibrations. The investigation has been carried out through passive-dynamic wind tunnel tests in the Climatic Wind Tunnel at FORCE Technology, Kgs. Lyngby, Denmark. The results are carried out in terms of aerodynamic damping and peak to peak amplitude at different flow velocities and different boundary conditions. The latter are done by testing the model with and without the spray system installed in the wind tunnel cross section, in order to understand and evaluate the influence of the spray system on the start of the vibrations mechanism and on the flow turbulence. The gained experiences are finally presented for the use in future testing activities with the purpose of improving the performance of passive-dynamic tests.

Contributo sperimentale alla ridefinizione della diffusione in parete della camera di prova della galleria del vento Dallara

Joseph Nicolas Cugnot built the first primitive car in 1769 and approximately one hundred year later the first automotive race took place. Thanks to this, for the first time the aerodynamics principles began to be applied to cars. The aerodynamic study of a car is important to improve the performance on the road, or on the track. It purposely enhances the stability in the turns and increases the maximum velocity. However, it is also useful, decrease the fuel consumption, in order to reduce the pollution. Given that cars are a very complex body, the aerodynamic study cannot be conducted following an analytical method, but it is possible, in general, to choose between two different approaches: the numerical or the experimental one. The results of numerical studies depend on the computers’ potential and on the method use to implement the mathematical model. Today, the best way to perform an aerodynamic study is still experimental, which means that in the first phase of the design process the study is performed in a wind tunnel and in later phases directly on track. The automotive wind tunnels are singular mainly due to the test chamber, which typically contains a ground simulation system. The test chamber can have different types of walls: open walls, closed walls, adaptive walls or slotted walls. The best solution is to use the slotted walls because they minimize the interference between the walls and the streamlines, the interaction between the flow and the environment, and also to contain the overall costs. Furthermore, is necessary minimize the boundary layer at the walls, without accelerating the flow, in order to provide the maximum section of homogeneous flow. This thesis aims at redefining the divergent angle of the Dallara Automobili S.P.A. wind tunnel’s walls, in order to improve the overall homogeneity. To perform this study it was necessary to acquire the pressure data of the boundary layer, than it was created the profile of the boundary layer velocity and, to minimize the experimental errors, it was calculated the displacement thickness. The results obtained shows, even if the instrument used to the experiment was not the best one, that the boundary layer thickness could be minor in case of a low diffusion angle. So it is convenient to perform another experiment with a most sensitive instrument to verified what is the better wall configuration.

Analisi della qualità del flusso di una galleria del vento per uso didattico

La galleria del vento "Wintaer" (WINd Tunnel itAER) è una piccola galleria subsonica con flusso incomprimibile utilizzata per scopi didattici, dotata di ventola assiale "Varofoil" a passo variabile per la regolazione della velocità del flusso. Lo scopo di questo elaborato è analizzare la qualità del flusso della galleria al fine di determinare le prestazioni del sistema ed alcune proprietà fondamentali, ovvero l'uniformità spaziale del flusso attraverso l'acquisizione di profili di velocità e l'intensità di turbolenza. Dalla conduzione delle prove sperimentali è emerso che la galleria permette il raggiungimento di un range di velocità compreso tra i 16 m/s e i 43 m/s, ha poca uniformità spaziale e presenta alti livelli di turbolenza. Per quanto riguarda il range di velocità si sono riscontrate problematiche relative all'impossibilità di raggiungere le basse velocità (fino a 7 m/s) a causa, molto probabilmente, di blocchi meccanici che limitano l'intervallo di angoli di calettamento (e quindi il passo) delle pale della ventola, ed è quindi necessario l'intervento della ditta per effettuare un'operazione di revisione della ventola. Relativamente ai profili di velocità, acquisiti con tubo di Pitot, e all'intensità di turbolenza, acquisita con anemometro a filo caldo, è emerso che i risultati sono stati disturbati da errori introdotti a causa dell'instabilità termica della galleria, ovvero un aumento progressivo di temperatura nell'impianto. Tale instabilità può essere risolta rimettendo in funzione l'unità di scambio di calore di cui la galleria è equipaggiata. L'attendibilità dei risultati ottenuti è quindi condizionata dall'instabilità termica, dunque, per una più preciso studio della qualità del flusso è necessario effettuare le prove sperimentali in condizioni di stabilità termica, la quale sarà essa stessa oggetto di analisi una volta rimesso in funzione il sistema di raffreddamento. Infine sono proposte soluzioni per il miglioramento della geometria dell'impianto, poco efficiente, in particolare per quanto riguarda i raddrizzatori di filetti fluidi (honeycombs) e il raccordo tra convergente e camera di prova, per il passaggio dalla sezione circolare del convergente a quella rettangolare della camera di prova. Si suggerisce lo spostamento di tale raccordo a monte della camera di calma, l'adozione di un convergente a sezione rettangolare e di una camera di calma a sezione rettangolare con honeycombs esagonali e l'aggiunta di reti per la diminuzione della turbolenza del flusso.

Formulazione e messa a punto di una metodologia per il progetto di ventilatori per gallerie del vento con applicazione al "long-pipe" del laboratorio CICLoPE : analisi attraverso l'impiego di modelli matematici in MATLAB

Nell'ottica di un futuro riprogetto, totale o parziale, del ventilatore della galleria del vento del progetto CICLoPE dell'Università di Bologna, è stato messo a punto, grazie a modelli matematici di letteratura, un algoritmo per la determinazione della geometria delle pale di un fan. La procedura si basa su ipotesi di incompressibilità e assenza di vortici di estremità ed è in grado di fornire la geometria del ventilatore una volta che sono state fissate: le condizioni richieste nella sezione di test, l'efficienza del tunnel e alcune proprietà del ventilatore stesso (ad esempio tipologia di profilo aerodinamico e numero di pale). L'algoritmo è in grado di lavorare solamente con la configurazione ventilatore seguito da profili raddrizzatori, ma è in previsione un'estensione che consentirà di studiare anche la configurazione a fan controrotanti (come quella del CICLoPE). Con questo software sono state progettate numerose soluzioni diverse per studiare il legame tra rendimento e geometria del ventilatore. Inoltre sono stati individuati i parametri che permettono di ottenere una pala con rastremazione e svergolatura trascurabili, con lo scopo di abbassare i costi del manufatto. In particolare è stato dimostrato come le configurazioni con diametro della nacelle grande (superiore al 65\% del diametro della sezione di potenza) siano particolarmente adatte a fornire rendimenti alti con la minima complicatezza della pala. Per quanto riguarda l'efficienza aerodinamica del profilo, i test comparativi indicano che questo parametro influisce relativamente poco sul rendimento del macchinario ma modifica profondamente la geometria della pala. Efficienze elevate tendono, secondo lo studio, a richiedere pale estremamente rastremate e poco svergolate; questo porta a preferire l'adozione di profili mediamente efficienti ma dall'ampio intervallo operativo in termini di angolo di attacco.

Energy harvesting from piezoelectric devices embedded in a 3D printed wing

This thesis work has been carried out at Clarkson University in Potsdam NY, USA and involved the design of a low elongation wing, consisting of parts made by polylactide (PLA) using the fused deposition model (FDM) technology of Rapid Prototyping, then assembled together in a thin aluminum spar. The aim of the research is to evaluate the feasibility of collecting electrical energy by converting mechanical energy from the vibration of the wing flutter. With this aim piezoelectric stripes were glued in the inner part of the wing, as well as on the aluminum spar, as monomorphic configuration. During the phases of the project, particular attention was given to the geometry and the materials used, in order to trigger the flutter for low flow velocity. The CAD software SolidWorks® was used for the design of the wing and then the drawings were sent to the Clarkson machine shop in order to to produce the parts required by the wing assembly. FEM simulations were performed, using software MSC NASTRAN/PATRAN®, to evaluate the stiffness of the whole wing as well as the natural vibration modes of the structure. These data, in a first approximation, were used to predict the flutter speed. Finally, experimental tests in the Clarkson wind tunnel facility were carried out in order to validate the results obtained from FEM analysis. The power collected by the piezoelectrics under flutter condition was addressed by tuning the resistors downstream the electronic circuit of the piezoelectrics.