Appunti di Energia eolica e marina

Simulazione delle turbine eoliche e le curve polari degli airfoil

Corrispondono alle rispettive forze adimensionalizzate alla componente cinetica (dove S è la corda per lo span ed è la superficie in pianta dell'airfoil, è tutta la superficie che fa portanza), per poi avere il parametro adimensionale del momento devi dividere per la corda. Su questi 3 stronzi si basa la simulazione delle turbine, più sei bravo a determinare questi oggetti e più sarai bravo a simulare la turbina eolica.

Da queste poi nascono le carte di identità degli airfoil, le curve polari, o polari degli airfoil, che sono la collezione degli andamenti dei coeff. Aerodinamici. Usiamo qui come esempio un NACA 4415, e le più classiche polari, sono un CL con coincidenza sulle ascisse, lo stesso per il CD, il coefficiente CM, spesso si fa vedere anche l'andamento CL/CD (glide ratio, mi dice quanto sono più liftante che draggante, ovviamente è una stima di quanto è grado di spingere questo airfoil.

può arrivare anche a 200, tendenzialmente DEVI SEMPRE DISEGNARE SCHEMI IN CUI LAF LIFT è TANTO PIÙ GRANDE DEL DRAG, il disegno sopra non è in scala) riferito all'angolo di incidenza, oppure si fa anche vedere un andamento CL-CD. Come si disegna una polare: Partendo da un profilo asimmetrico, in quanto tale ad incidenza nulla, questo produce comunque un minimo di lift, dell'ordine di un coeff CL 0,1 o 0,2. Poi CL via aumenta con l'aumentare dell'angolo d'attacco (inclinando il profilo) linearmente, quindi la performance cresce linearmente con alfa, poi a seconda dell'airfoil, si raggiunge un incidenza, tra i 14 e i 20° in cui avviene il massimo del CL, l'airfoil stalla, e oltre di li perde di performance, ci fermiamo ai 30°. Il tipico range di funzione dell'airfoil lo vediamo qui tra 0 e 30°, in campo aeronautico o turbomacchinistico l'airfoil deve lavorare più o meno ad incidenza costante e quindi si.

Cerca sempre di tenerla dove si ha la massima performaza del CL. L'angolo d'attacco può essere qualunque, solitamente si plotta da 180° a -180°, con 0 nel mezzo, non si fa convenzionalmente 0-360° ma si da incidenza positiva per convenzione da 0 a 180 sulla pressure e 0 a -180 sulla suction. A questo punto se vado verso incidenze negative l'airfoil avrà CL decrescente e avrà un punto a zero lift, per angoli leggermente negativi, da li inizia la deportanza, fino ad un punto in cui stallerà anche in giù, il lift massimo negativo sarà minore del lift massimo positivo, l'airfoil è progettato per fare lift con incidenze ottimali. Il coefficiente di lift massimo di un profilo camberato in genere va da 1.4 a 2.2. Come sai il lift e drag che si generà dipende sempre dall'incidenza della velocità relativa sul profilo, sulla base di quella ho il drag, e il lift sarà dato dalla sua direzione perpendicolare.

In questi range quindi si ottiene delle porali di questo tipo, i diversicolori sono i diversi Re(in questo caso è simmetrico, lo vedi perché ad alfa zero c'è zero portanza):Il drag invece abbiamo detto essere sempre positivo, il lift quindi rispetto all'asse yabbiamo visto essere antisimmetrico (non perfettamente per il profilo camberatoma hai capito), il drag invece è sempre positivo, e quindi anche ad incidenza nulla siaper profili simmetrici e cambered c'è un drag, perché ovviamente c'è sempre unaresistenza dovuta alla viscosità, diciamo quindi come valore minimo di 0,01.Vedi poi che per un primo tratto, il fluido rimane attaccato all'airfoil il drag è quasipiatto e sale molto poco, perché finché il fluido riesce a girarci intorno domina laparte di viscosità e vediamo che il drag sale poco, quando poi il flusso inizia astaccarsi, stallo del profilo, il fluido fa quei vortici.

Il drag inizia a salire in maniera più marcata. Dall'altra parte è ca SIMMETRICO ma in realtà no, non è perfettamente simmetrico perché il profilo non è uguale sopra e sotto, ma in prima approssimazione possiamo definirlo simmetrico:

Il caso di un profilo simmetrico è questo: Lift perfettamente antisimmetrico, zero portanza, stalla un pochino prima di un cambered. Il drag è perfettamente simmetrico, ha minor drag di partenza ma è più facile separare un drag da un cambered.

In questo confronto tra simmetrici e non, il camberato fa un CL/CD più alto ed ha molto più momento rispetto ad un simmetrico. Le performance dell'airfoil vanno quindi in funzione dell'angolo d'attacco e del reynolds, il tutto si gioca sulla capacità del profilo di rimanere attaccato al profilo superando il gradiente di P avverso, e tanto più è veloce, energizzato questo profilo meglio ci riesce.

Infatti come vedi in questo caso hai diversi reynolds molto bassi. Fino a Re 500000 i profili eolici soffrono, nelle turbine eoliche grandi non ci sono mai, in quelle piccole può capitare. Apparte per Re molto bassi dove nella parte lineare si ha un trend di verso, tutte le altre vediamo che l'airfoil si comporta più o meno sempre alla stessa maniera, quando si arriva alla zona critica, il gradiente di pressione è molto intenso e quindi più è alto il Re più lo SL tende a rimanere attaccato, al crescere del Re il punto di stallo, di max lift, si sposta sempre più in su e più a destra, quindi è più resistente allo stallo e spinge di più in termini di lift. Questo è a parità di airfoil ovviamente. In genere però il concetto è che lo SL resiste di più, puoi quindi spostarti ad angoli d'attacco più grandi e quindi liftare di più. Poiché riusciamo a stare

più attaccati come 3° effetto abbiamo che il drag cresce meno e quindi il rapporto CL/CD vedi che all'aumentare del numero di Re le curve si spostano a valori più bassi poiché il drag non sta dietro al lift. Questi confronti si possono riferire alle ali di aerei. Quando siamo in cruise abbiamo un'incidenza tendenzialmente costante, e quello che succede è che essendo in queste condizioni possiamo adottare profili un po' più simmetrici, perché non abbiamo problemi sull'angolo d'attacco, voliamo dritti, quindi disegnata l'ala scegliamo l'incidenza e sfruttiamo minore drag con profili non troppo simmetrici, si sfrutta quindi il poco drag e stiamo anche ad alti reynolds in cruise. Nell'atterraggio e nel decollo abbiamo reynolds molto più bassi, meno della metà, angolo d'attacco grande, quindi usiamo i flap per aumentare la camber line del profilo, allungando la corda quindi aumentiamo

L'area in pianta, abbiamo un maggiore lift, inoltre lostiamo facendo camberato, spinge di più e a maggior ragione lo fa perché abbiamoreynolds più bassi. Poi quando atteriamo i flap si aprono completamente il flusso viene completamente staccato, il drag schizza alle stelle e si aiuta l'aereo a frenare.

Parliamo quindi dello stallo vero e proprio: Il flusso quindi quando il gradiente di P avverso diventa troppo forte, il flusso attacato separa e si creano macrostrutture vorticose dietro, dette burbling, e c'è una perdita di lift che può essere modesta o molto grossa avendo l'abrupt stall, tanto lift perso di botto. Nelle turbine eoliche ci sono tanti stalli, lo stallo si sente tanto nelle turbine eoliche.

Tornando quindi alle polari degli airfoil, nell'en eolica lo stallo c'è e lo dobbiamo combattere, tutti i codici di simulazione del caso chiedno di avere polari da -180 a 180, perché gli airfoil di turbine.

Le pale eoliche possono incontrare incidenze molto alte. Prendiamo quindi un profilo simmetrico: dopo lo stallo dei ca 20°, il lift crolla come vedi, arriva ad un punto tipico dei 35° a seconda dell'airfoil, in cui la roba vista fin ora è legata al tipico airfoil, da li in poi tendono a comportarsi tutti alla stessa maniera, tanto che un tempo i dati 360 da un punto in poi erano riferiti a quelli di una lastra piana. Perché tanto l'incidenza che abbiamo è talmente alta, che la forma dell'airfoil non è più così influente, perché tanto il flusso non sarà mai più attaccato. L'andamento di questo oggetto a questo punto: prevede che il lift crolli (a volte subito dopo lo stallo può esserci una leggera risalita ma anche no), dai 90° in poi abbiamo incidenza perpendicolare alla corda, il profilo sicuramente farà drag ma zero lift, nell'intorno dei 90° quindi il lift va a zero. Se si

supera i 90°, l'incidenza è diretta quindi dalla coda dell'airfoil, questo avrà drage inizia la deportanza, perché è come se cambiasse il verso da cui arriva il flusso. Il lift cambia segno quindi, ottiene un minimo, che sarà minore del massimo (sia per simmetrici che asimmetrici, perché tanto lo spessore è davanti sulla pala non dietro) e poi a 180°, con un flusso che gli arriva sul trailing edge per un profilo simmetrico c'è di nuovo un lift nullo, a 180° abbiamo di nuovo zero lift. Come sempre anche in questo caso è perfettamente antisimmetrico. ATTENZIONE: MEGLIO SE LO SPIEGHI TENENDO FERMA LA FRECCIA E GIRANDOGLI INTORNO l'orientazione dell'airfoil. Per quanto riguarda il drag, abbiamo che parte da un valore positivo basso, poi finché il flusso è attaccato resta quasi piatto, poi il flusso stalla, il drag si impenna e raggiunge il massimo a 90°, quando il flusso

Poi diverse polari con diversi metodi di simulazione, fino al punto di stallo e oltre, la maggior parte funzionano solo finché il flusso è attaccato.