Modelli aerodinamici per l'analisi della stabilità aeroelastica di veicoli propulsi ad elica

Abstract

Le moderne esigenze di mezzi di trasporto sempre più efficienti e versatili hanno portato negli anni allo sviluppo di sistemi di propulsione ad ala rotante di complessità crescente. Tali sistemi sono caratterizzati da forti interazioni aerodinamiche e strutturali tra componenti fisse e rotanti. Il presente lavoro di tesi affronta lo studio di sistemi propulsivi innovativi in ambito aeronautico e navale. Sono state infatti individuate configurazioni che, nei rispettivi campi di applicazione, mostrano caratteristiche comuni in particolare per gli aspetti che riguardano le interazioni tra il mezzo fluido in cui si muove il veicolo e le parti che costituiscono il propulsore. Nello specifico, sono stati considerati la configurazione propulsiva ad elica utilizzata in velivoli innovativi V/STOL (Vertical and Short Take–Off and Landing) ed un propulsore di tipo azimutale per mezzi navali: dal punto di vista delle interazioni fluidodinamiche e cinematiche tra le componenti entrambe le configurazioni possono essere inquadrate e studiate come sistemi ala/rotore. Dal punto di vista della modellazione del sistema in esame nasce dunque l’esigenza di dirigere lo studio verso due diversi campi di investigazione: da un lato l'analisi fluidodinamica del sistema propulsivo, dall’altro gli aspetti propriamente strutturali dello stesso e quelli legati all'interazione cinematica e dinamica tra le componenti fisse e rotanti. In quest’ottica, l’obiettivo del presente lavoro è lo sviluppo di modelli teorici ed algoritmi numerici per l’analisi fluidodinamica del propulsore mirati specificatamente all’accoppiamento con le equazioni della dinamica strutturale del sistema in esame. In tal modo è possibile costruire un modello aero/idroelastico del propulsore e dunque studiarne la stabilità al variare delle caratteristiche costruttive e delle condizioni di funzionamento nonché sintetizzare leggi per il controllo del sistema stesso. Gli strumenti sviluppati consentono di analizzare diverse varianti in fase di progettazione preliminare e di studiare le risposte del sistema nelle diverse condizioni di lavoro riducendo in tal modo le scelte da effettuare nella successiva fase di progettazione di dettaglio. Naturalmente l’obiettivo prefissato condiziona la scelta dei modelli da sviluppare. In particolare, dal punto di vista della progettazione di massima, caratteristica essenziale dei modelli teorici sviluppati nel presente lavoro è un buon compromesso tra accuratezza della predizione numerica e onere computazionale della simulazione.