strato limite

[cizo]

ciao a tutti,
Ho un paio di dubbi sullo strato limite;
Perchè lo strato limite si stacca verso la coda del profilo? Perchè le particelle di fluido tendono a tornare verso il bordo di attacco? risposte dettagliate sono ben accette.
Grazie mille

[Achille]

Credo tu ti stia riferendo allo strato limite nel caso durante lo stallo, sbaglio?

Lo strato limite si separa dalla superficie perché le particelle di fluido non hanno sufficiente energia cinetica per rimanere attaccate. Man mano che una particella di fluido procede verso il bordo di uscita del profilo, va incontro a gradienti di pressione "avversi" (sempre vero e più aumenta l'angolo di attacco, più i gradienti diventano avversi). Le particelle di fluido per vincere e superare tali gradienti devono "consumare" energia cinetica.

Una volta separato lo strato limite, particelle tendono a tornare indietro perché si forma la c.d. bolla di separazione.

qui un'immagine da wikipedia:



Risposte ancora più dettagliate le puoi trovare su un qualsiasi libro di aerodinamica: ti consiglio "Fundamentals of Aerodynamics" di John D. Anderson, testo completo e non troppo complesso.

[tartan]

Puoi chiedere anche all'ALFA ROMEO che progettò la GIULIA troncando il posteriore proprio perchè i vortici l'avrebbero spinta in avanti riducendo i consumi. Questo diceva la pubblicità di allora. Fattelo spiegare da loro però, io non sono in grado.

[Valerio Ricciardi]

Non è che l'avrebbero "spinta" in avanti, l'avrebbero "tirata indietro" meno.

Una coda tronca persino un po' concava nella parte centrale fa sì che i vortici di coda si formino più indietro, riducendo una depressione indotta che costituisce altrimenti un freno: prova ne sia che la prima versione della Spyder "Duetto" (la "osso di seppia" del film Il Laureato con Dustin Hoffman) con la sua coda affusolata e raccordata ha un Cx peggiore rispetto alla II serie con la coda tronca e l'orrido spoiler di gomma attorno.

La II serie trovò un buon compromesso, eliminò la bordatura schifosa senza peggiorare il Cx grazie ad un'idea di spoiler sul bordo del cofano.

[tartan]

La pubblicità diceva quello che ho detto io!

[Achille]

Sì però l'aerodinamica degli autoveicoli è completamente diversa da quella di un'ala, infatti le ali sono "corpi aerodinamici" mentre invece automobili e camion rientrano nella categoria di "corpi tozzi".

[cizo]

Credo tu ti stia riferendo allo strato limite nel caso durante lo stallo, sbaglio?

Lo strato limite si separa dalla superficie perché le particelle di fluido non hanno sufficiente energia cinetica per rimanere attaccate. Man mano che una particella di fluido procede verso il bordo di uscita del profilo, va incontro a gradienti di pressione "avversi" (sempre vero e più aumenta l'angolo di attacco, più i gradienti diventano avversi). Le particelle di fluido per vincere e superare tali gradienti devono "consumare" energia cinetica.

Una volta separato lo strato limite, particelle tendono a tornare indietro perché si forma la c.d. bolla di separazione.

qui un'immagine da wikipedia:



Risposte ancora più dettagliate le puoi trovare su un qualsiasi libro di aerodinamica: ti consiglio "Fundamentals of Aerodynamics" di John D. Anderson, testo completo e non troppo complesso.

Grazie a tutti, ho capito ma già che ci sono rilancio con un'altra domanda; come mai ,considerando per esempio un profilo alare, la resistenza dovuta alla differenza di pressione (tra leading e trailing edge)è maggiore nel caso in cui lo strato limite sia separato dal profilo rispetto al caso in cui sia attaccato fino quasi al bordo di uscita? Teoricamente è un controsenso dal momento che più lo strato limite è attaccato e più depressione si crea sul dorso dell'ala mentre invece staccandosi e diminuendo l'Ek delle particelle di fluido inevitabilmente la pressione aumenta

[maurom]

Non è che l'avrebbero "spinta" in avanti, l'avrebbero "tirata indietro" meno.

Una coda tronca persino un po' concava nella parte centrale fa sì che i vortici di coda si formino più indietro, riducendo una depressione indotta che costituisce altrimenti un freno: prova ne sia che la prima versione della Spyder "Duetto" (la "osso di seppia" del film Il Laureato con Dustin Hoffman) con la sua coda affusolata e raccordata ha un Cx peggiore rispetto alla II serie con la coda tronca e l'orrido spoiler di gomma attorno.

La II serie trovò un buon compromesso, eliminò la bordatura schifosa senza peggiorare il Cx grazie ad un'idea di spoiler sul bordo del cofano.

Forse può anche spiegarsi considerando la resistenza nel mezzo come somma di due componenti: la resistenza di forma (tanto minore quanto quanto più la vettura si avvicina al corpo aerodinamico perfetto) e la resistenza di attrito (attriti viscosi sulle superfici) tanto maggiore quanto più estesa è la superficie.
Troncando la coda si producono dunque due effetti: aumentano i vortici di coda (e quindi aumenta la resistenza di forma) ma diminuisce la superficie complessiva (e diminuisce conseguentemente la resistenza di attrito).

[Achille]

Grazie a tutti, ho capito ma già che ci sono rilancio con un'altra domanda; come mai ,considerando per esempio un profilo alare, la resistenza dovuta alla differenza di pressione (tra leading e trailing edge)è maggiore nel caso in cui lo strato limite sia separato dal profilo rispetto al caso in cui sia attaccato fino quasi al bordo di uscita? Teoricamente è un controsenso dal momento che più lo strato limite è attaccato e più depressione si crea sul dorso dell'ala mentre invece staccandosi e diminuendo l'Ek delle particelle di fluido inevitabilmente la pressione aumenta

Nessun controsenso. La resistenza di pressione dipende anche dalla dimensione della scia: scia piccola resistenza bassa.
Su quale base si può dire che "più è attaccato e più depressione si crea"? Non è lo SL che crea la depressione.
Ps la pressione nella bolla separata è costante..

[Fabio Airbus]

Puoi chiedere anche all'ALFA ROMEO che progettò la GIULIA troncando il posteriore proprio perchè i vortici l'avrebbero spinta in avanti riducendo i consumi. Questo diceva la pubblicità di allora. Fattelo spiegare da loro però, io non sono in grado.

Oppure la Citroen "squalo" la macchina con il migliore CX mai prodotta.

[cizo]

Grazie a tutti, ho capito ma già che ci sono rilancio con un'altra domanda; come mai ,considerando per esempio un profilo alare, la resistenza dovuta alla differenza di pressione (tra leading e trailing edge)è maggiore nel caso in cui lo strato limite sia separato dal profilo rispetto al caso in cui sia attaccato fino quasi al bordo di uscita? Teoricamente è un controsenso dal momento che più lo strato limite è attaccato e più depressione si crea sul dorso dell'ala mentre invece staccandosi e diminuendo l'Ek delle particelle di fluido inevitabilmente la pressione aumenta

Nessun controsenso. La resistenza di pressione dipende anche dalla dimensione della scia: scia piccola resistenza bassa.
Su quale base si può dire che "più è attaccato e più depressione si crea"? Non è lo SL che crea la depressione.
Ps la pressione nella bolla separata è costante..

Quindi ricapitolando: un profilo alare a con un basso angolo di attacco presenta una bassa resistenza di forma poichè lo strato limite si separa quasi verso il bordo di uscita. Al contrario se avesse un grande angolo di attacco si separerebbe molto prima. La separazione del bordo di uscita è causata dal gradiente di pressione dp/dx che aumentando sempre di più verso la coda fa si che le particelle di fluido debbano spendere la loro Ek per superarlo: si creano così dei vortici in coda al profilo causati dalle particelle che cercano di risalire verso la depressione del bordo di attacco. Nel frattempo, verso la coda del profilo, la sezione di in cui scorre il fluido laminare è dimiuita(prendiamo in considerazione una linea retta di particlle lontane dal profilo e il profilo stesso) dal momento che si sono creati i vortici. La diminuzione della sezione provoca un abbassamento della presione nella zona posteriore al profilo(minore di quella antistante) che genera la cosiddetta resistenza di forma.
E' corretta come lettura? grazie mille

[Achille]

si creano così dei vortici in coda al profilo causati dalle particelle che cercano di risalire verso la depressione del bordo di attacco. Nel frattempo, verso la coda del profilo, la sezione di in cui scorre il fluido laminare è dimiuita(prendiamo in considerazione una linea retta di particlle lontane dal profilo e il profilo stesso) dal momento che si sono creati i vortici. La diminuzione della sezione provoca un abbassamento della presione nella zona posteriore al profilo(minore di quella antistante) che genera la cosiddetta resistenza di forma.

I "vortici in coda al profilo" non "cecano di risalire" da nessuna parte. Man mano che aumenti l'angolo di attacco il punto di separazione si sposta verso il Leading Edge e la bolla di separazione aumenta le dimensioni.

Non ho capito l'ultima parte.

[cizo]

si creano così dei vortici in coda al profilo causati dalle particelle che cercano di risalire verso la depressione del bordo di attacco. Nel frattempo, verso la coda del profilo, la sezione di in cui scorre il fluido laminare è dimiuita(prendiamo in considerazione una linea retta di particlle lontane dal profilo e il profilo stesso) dal momento che si sono creati i vortici. La diminuzione della sezione provoca un abbassamento della presione nella zona posteriore al profilo(minore di quella antistante) che genera la cosiddetta resistenza di forma.

I "vortici in coda al profilo" non "cecano di risalire" da nessuna parte. Man mano che aumenti l'angolo di attacco il punto di separazione si sposta verso il Leading Edge e la bolla di separazione aumenta le dimensioni.

Non ho capito l'ultima parte.

Da quel che so:
i vortici si creano perchè le particelle che invertono il loro moto (non avendo più ek sufficiente per vincere il gradiente si dirigono come logico verso le zone di minor pressione) incontrano il flusso che inevitabilmente scorre sul profilo . Il vortice non avanza sul profilo, si crea dopo la separazione dello strato limite.
La seconda parte è indice della mia confusione: facendola breve io non ho capito dove e come si forma la depressione in coda: si forma dove ci sono i vortici? perchè? oppure si forma nella zona di fluido laminare sopra i vortici stessi?

[cizo]

Ciao, ho qualche domanda da porvi:
1) La forza esercitata dalle particelle di fluido sul dorso del profilo alare (dovuta alla pressione mano a mano inferiore avvicinandosi all'ala) ha direzione perpendicolare a quest'ultimo e verso diretto verso il ventre dell'ala. Per il principio di azione reazione si genera una forza di uguale modulo e direzione ma di verso opposto .
Ora io mi chiedo cosa succede sul ventre dell'ala?Teoricamente la forza dovuta alla pressione sulle particelle di fluido dovrebbe avere direzione perpendicolare al profilo e stesso verso della forza che agisce sul dorso dell'ala(ovvero dal dorso al ventre o per essere ""più chiari"" verso il basso). E' lecito anche in questo caso applicare il principio di azione reazione che genererebbe una forza diretta dal ventre al dorso???
2)La seconda domanda è sullo strato limite.Lo strato limite si distacca dal profilo quando l' Ek delle particelle non riesce a vincere il gradiente di pressione dp/dx sempre più positivo. Si formano così i vortici in coda al profilo.
Dove e come si forma la depressione in coda (che genera la resistenza di pressione): si forma dove ci sono i vortici? perchè? oppure si forma nella zona di fluido laminare sopra i vortici stessi?

[Achille]

Premessa:

Provo a rispondere alle domande e provo a farlo con le migliori intenzioni (però dopo lavoro, la birra e vista l’ora non garantisco una cosa perfetta).

Con Xfoil viene tutto bello e tutto bene a parte il fatto che fa i disegni con giallino e azzurrino su sfondo bianco (so che si può cambiare ma non mi ricordo come si fa). Con il metodo alternativo purtroppo non si può vedere il comportamento dello strato limite sul profilo.

Per fare i conti ho preso un profilo a caso e standard, ovvero un Naca 2410 (asimmetrico e con il 10% di spessore massimo). Cosiderando una corda di 0.5 metri e una velocità di 20 m/s a spanne esce un Reynolds uguale a 1500000, importante per simulare spessore dello strato limite e coefficiente di resistenza.

Ho deciso di prendere 4 differenti angoli di attacco (Alfa): 0, 5, 10 e 20 gradi.

Coefficiente di resistenza che tiene conto di resistenza di forma e resistenza di attrito = Cd
Coefficiente di portanza bidimensionale considerando lo spessore dello strato limite e Mach = Cl
Coefficiente di pressione (non mi ricordo se per xfoil è Cp=1-(v/V)^2 ) = Cp

Il profilo è il seguente:


Nel caso di Alfa=0 come puoi notare i Cp sono abbastanza contenuti e il Cp del dorso è un po’ più negativo del Cp del ventre (il profilo non è simmetrico e proprio in questo caso la curvatura si fa sentire), infatti si genera un Cl positivo ma abbastanza piccolo. Come ti dicevo prima si crea quindi un gradiente (differeza) di pressione tra sopra e sotto il profilo, quindi una forza che punta verso l’alto.

Man mano che Alfa diventa sempre più grande il Cp del dorso dalla parte del bordo di attacco “schizza a -1000” (la tangente alla parete del profilo localmente punta verso l’alto e quindi le molecole subiscono una compressione e accelerano. Lo spessore dello strato limite cala), mentre andando verso il bordo di uscita diventa sempre più basso.

Da a Alfa 5 gradi si comincia a vedere il gradiente di pressione orizzontale. Infatti le particelle di aria localmente subiscono una espansione perchè la parete del profilo va verso il “basso”. Subendo un espansone le molecole di fluido rallentano e lo strato limite (impoverito di energia cinetica) aumenta lo spessore.

Ad un certo punto lo strato limite non ce la fa più e si stacca dal profilo. Ciò è ben visibile per circa x=0.8 nel caso di Alfa 20 gradi. Si capisce che il flusso è separato perchè il Cp rimane pressochè costante.

Spero di non aver parlato a vanvera e di aver risposto ai tuoi quesiti, in caso contrario spara pure!
Se qualcuno trova delle cavolate gentilmente me lo faccia sapere (son troppo stanco per rileggere ).
Buonanotte.

[cizo]

Ti ringrazio per il tempo speso per rispondermi.
Ho capito perfettamente quello che hai scritto ma tutte le considerazioni corrette che hai fatto sono legate a un approccio diverso da quello che intendevo: mi spiego meglio. Per spiegare la genesi della portanza hai utilizzato il Cp lower e higher utili per il calcolo della forza netta(portanza) che si crea sul profilo. Quello che volevo capire meglio te lo spiego con un disegno del buon vecchio paint;

Immagine.png

Sulla sinistra dell'immagine è disegnata una particella di fluido sopra il profilo di dimensioni 1dx,1dy,1dz. La particella subisce una forza dalla particella superiore dovuta alla pressione che agisce sulla sua area, e una forza dalla particella inferiore dovura alla pressione che agisce sulla sua area inferiore. La risultante è una forza che punta verso il ventre dell'ala e la portanza si genera dal principio di azione reazione. Ora cosa succede sul ventre? la stessa cosa?
Per quanto riguarda lo strato limite ho capito come si stacca e perchè, il problema è dove e come si forma la depressione in coda al profilo che genera la resistenza di pressione.
Grazie ancora, mi spiace farti perdere tempo

[Achille]

La particella subisce una forza dalla particella superiore dovuta alla pressione che agisce sulla sua area, e una forza dalla particella inferiore dovura alla pressione che agisce sulla sua area inferiore. La risultante è una forza che punta verso il ventre dell'ala e la portanza si genera dal principio di azione reazione. Ora cosa succede sul ventre? la stessa cosa?

Spiegare la generazione della portanza in questo modo mi sembra ""fisicamente sbagliato"", forse perchè sui libri di testo che ho utilizzato non l'ho mai trovato o semplicemente perchè sono un po' testone. Non capisco perchè la risultante debba essere "in giù", se il Cp è negativo (il Cp è calcolato sulla parete del profilo, o più precisamente appena fuori dallo strato limite) vuol dire che le particelle al netto si spingono dalla parte opposta, no?
Devo pensarci su un po' meglio, perchè questa interpretazione non mi suona molto chiara, nel caso ti faccio sapere.

Per quanto riguarda lo strato limite ho capito come si stacca e perchè, il problema è dove e come si forma la depressione in coda al profilo che genera la resistenza di pressione.
Grazie ancora, mi spiace farti perdere tempo

E proprio qui tornavano utili le immagini di Xfoil! In quel caso si vede bene come si stacca lo strato limite (in corrispondenza del Cp costante) e come la scia (cioè la somma dello strato limite sopra e sotto) sia più grande. Stasera ci riprovo, a costo di dover fare gli screenshot.

Da quello che mi ricordo del corso di aerodinamica degli aeromobili (anni anni e anni fa ) la resistenza di pressione (chiamata anche di forma) dipende dalla dimensione della scia. A bassi Alfa hai l'attrito che domina (scia piccola) e ad alti Alfa il contrario.

Che cosa intendi per "depressione in coda al profilo che genera la resistenza di pressione"? Dove hai letto questa cosa?
Ti posso chiedere da che punto di vista stai studiando tutte queste cose?

Faccio queste domande per poter poi darti risposte più precise.

[dg300]

Sperando di chiarire alcuni dubbi emersi nella discussione, ricercando sul web "wing section boundary layer", ho trovato uno schema che illustra in modo elementare cosa sono la resistenza di forma (a: form drag) e la resistenza di attrito (b: frictional drag).

a) è responsabile del mancato recupero di pressione a valle del profilo, causato dalla scia vorticosa,
b) è dovuto alle forze di attrito viscose che agiscono parallele alla superficie del profilo (si riduce con superfici più lisce)
La forza risultante totale è data dalla somma di tutte le pressioni perpendicolari alla superficie del profilo.
La risultante dell'attrito è dovuta alla somma di tutti gli sforzi viscosi sulla superficie.
Tanto più grande è la scia vorticosa tanto maggiore è la dissipazione energetica e quindi la resistenza.
Ecco perché la sfera (Cd=0,47) ha un coefficiente di resistenza maggiore di una semisfera (Cd=0,42).
Nello schema seguente il Cd riportato per ogni forma è riferito a quello di una lastra piana di pari sezione alla forma considerata (Cd=1)

(fonte: http://keepcalmandbrakelate.files.wordpress.com/2014)
Sia sul ventre che sul dorso del profilo, a seconda dell'angolo d'incidenza e della forma, si possono avere zone di depressione rispetto alla pressione asintotica (quella rilevabile nel flusso indisturbato distante dal profilo); come si può vedere nell'esempio precedente fornito da Achille (diagramma Cp(x) ad AoA=0° per 0<x<0,6, profilo NACA2410).