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PRINCIPI FISICI

LE AZIONI AERODINAMICHE – RESISTENZA-

Un caso semplice: Il cilindro ovvero un corpo tozzo o C ) è un coefficiente

Il coefficiente di resistenza aerodinamica (anche noto con i simboli C

D x

adimensionale che misura la resistenza aerodinamica di un corpo in moto in un fluido. Dipende dalla forma

del corpo e dalla velocità a cui viene effettuato il moto.

૚ ૛

ࡰൌ ࡯ ࢁ ࡿ

ࢊ

૛

PRINCIPI FISICI

LE AZIONI AERODINAMICHE – RESISTENZA-

Spiegazione

Nel caso di un Flusso Inviscido la distribuzione di pressione differenziale superficiale è simmetrica per cui non

esiste forza resistente risultante (Paradosso di D’Alembert). Nel caso viscoso la presenza dello strato limite

fa si che vi sia una asimmetria nella distribuzione di pressione fra monte e valle, ciò dà luogo ad una

Resistenza aerodinamica. La distribuzione del coefficiente di pressione mostra, nel caso Inviscido, un

minimo per θ=90°, tale minimo è pari a -3; per θ=0°e θ =180°si hanno 2 punti di ristagno

pressione differenziale

PRINCIPI FISICI

LE AZIONI AERODINAMICHE – GENERATORI A RESISTENZA-

Turbine ad asse verticale - tipo Savonius

turbina “lenta”;

9 basso valore di efficienza;

9 utilizzabile per bassi valori di velocità;

9 necessità di un dispositivo meccanico

9 frenante per fermata;

necessità di una struttura robusta per

9 resistere a venti estremi (data l’elevata

superficie delle pale esposta);

adatta solo per applicazioni di piccola

9 potenza;

poco rumorosa.

9 ࢁ ൌ ࢁ ൅ ࢁ

૚ ஶ ࡾ

૚ ૛

ࡲ ൌ ࡯ ࢁ R

ି ࡰ૚ ૚

૛ ࢁ ൌ ࢁ െ ࢁ

૛ ஶ ࡾ

૚ ૛

R Raggio della turbina ൌ ࡯ ࢁ

ࡲ R

ା ࡰ૛ ૛

૛

ࢁ Velocità del vento

ஶ PRINCIPI FISICI

LE AZIONI AERODINAMICHE – PORTANZA –

Oltre alla forza di resistenza, allorché il corpo sia asimmetrico nella direzione del flusso, si genera una forza

di portanza (Lift) è la componente della forza aerodinamica globale calcolata in direzione perpendicolare alla

direzione del vento relativo. La forza aerodinamica globale è generata dalla differenza di pressione tra la

superficie superiore ed inferiore di un corpo. ૚ ૛

ࡸൌ ࡯ ࢁ ࡿ

Portanza (L) ࡸ

૛ D

ࡸ

Alta velocità,

Bassa Pressione

Bassa velocità,

Alta Pressione PRINCIPI FISICI

PORTANZA: INTERPRETAZIONE FISICA

La forza centrifuga costringe le particelle ad allontanarsi dalla superficie riducendo così la forza degli impatti

di queste ultime sulla stessa. Ciò porta ad una diminuzione di pressione. Poiché la forza centrifuga aumenta al

diminuire del raggio di curvatura si avrà che l’abbassamento di pressione sull’INTRADOSSO del profilo sarà

inferiore all’analogo abbassamento sull’ESTRADOSSO.

La PORTANZA è così data dalla differenza di depressione fra l’Estradosso e l’Intradosso

PRINCIPI FISICI

LE AZIONI AERODINAMICHE

Tali azioni sono divisibili in DUE contributi fondamentali: Portanza e Resistenza

૚ ૛

࡯ ࢁ ࡿ

Lൌ ࡸ

૛

૚ ૛

ൌ ࡯ ࢁ ࡿ

D ࢊ

૛

La distribuzione locale degli sforzi tangenziali e dei carichi normali può essere studiata su due distinti

sistemi di riferimento: il primo solidale al corpo e il secondo solidale alla direzione del flusso.

Come è legato α con la portanza?

PRINCIPI FISICI

LE AZIONI AERODINAMICHE

Il comportamento aerodinamico di un profilo deve essere studiato per angoli di incidenza variabili da 0 a 360

gradi, in quanto la velocità incidente sulla pala può presentare un angolo di attacco elevato (macchina ferma e

durante le fasi di regolazione).

Area di lavoro ordinaria PRINCIPI FISICI

PORTANZA: COEFFICIENTE DI PORTANZA E STALLO

In un profilo alare il coefficiente di portanza presenta una variazione lineare per gran parte del campo di

lavoro del profilo. Generalmente gli angoli di lavoro sono inferiori a 10-12 gradi per cui lo strato limite rimane

sufficientemente aderente al profilo; il campo di moto mostra, sull’estradosso, un punto di separazione che si

sposta lentamente verso il naso mano a mano che l’angolo aumenta. Quando l’angolo di attacco diventa

elevato, in genere oltre i 10°, il punto di

separazione inizia ad avanzare più

rapidamente e la scia turbolenta che

segue la separazione inizia a mostrare

una sensibile influenza sulla resistenza.

Tutto ciò porta ad un punto di massima

portanza oltre il quale la separazione

dello strato limite sull’estradosso è totale:

è l’angolo di STALLO. Oltre l’angolo di

Stallo la portanza diminuisce, più o meno

bruscamente, e la resistenza aumenta

considerevolmente.

PRINCIPI FISICI

LE AZIONI AERODINAMICHE

Uno dei grafici più importanti per la caratterizzazione di un profilo alare è quello che lega il coefficiente di

portanza a quello di resistenza. Da esso è possibile estrarre le informazioni principali dell’aerodinamica

del profilo osservandone il valore di resistenza minima e l’angolo per il quale è massimo il rapporto C /C .

L D

Proprio quest’ultimo parametro, chiamato Efficienza aerodinamica, ci permette di determinare l’angolo

per il quale si ottengono le migliori prestazioni.

Angolo ottimale di attacco del vento alla pala

PRINCIPI FISICI

LE AZIONI AERODINAMICHE –Velocità del vento e velocità apparente –

La velocità che agisce sul profilo della pala è data sia da quella del vento che da quella che deriva dalla

rotazione della pala. Il vento mette in rotazione la pala la quale crea un vento apparente sulla pala stessa. La

forza risultante, e l’angolo di attacco (α), è quindi funzione sia della velocità del vento che di quella di

rotazione della pala. ഥ

࢜

α ࢚

࢜

ࡾ ഥ

࢜

࢚

࢜

ஶ

‡Ž‘ ‹–†‡Ž˜‡–‘

ݒ

ஶ

‡Ž‘ ‹–’”‘’”‹ƒ†‡ŽŽƒ’ƒŽƒ

ݒ

ഥ

௧

ݒ ഥ

=ݒ +ݒ

ோ ஶ ௧ Sez AA

PRINCIPI FISICI

GENERATORI AD ASSE VERTICALE

I tipici generatori a portanza ad asse verticale sono i Darrieus

Ottima integrazione architettonica della risorsa eolica. Lo sviluppo

verticale dell’elemento architettonico, tipico degli arredi

urbani, si fonde con degli aerogeneratori ad asse verticale.

L’orientamento verticale dell’asse induce inoltre una sostanziale

indipendenza dalla direzione del vento.

I carichi pesanti (generatore, etc) possono essere posti al suolo. Sez AA

Efficienze molto basse a causa della variazione lungo θ

dell’angolo di attacco (α) e di un lato non portante!

Incapacità di alcuni modelli di avviarsi autonomamente

PRINCIPI FISICI

GENERATORI AD ASSE ORIZZONTALE

I tipici generatori a portanza ad asse orizzontale sono i tripala

9 Ottimo rendimento poiché le pale sono sempre, se adeguatamente progettate e controllate, soggette ad un

vento relativo orientato secondo l’angolo di attacco ottimale

9 Tutto il carico è concentrato nella navicella in asse al mozzo

9 Deve essere orientato nella direzione del vento

PRINCIPI FISICI

GENERATORI AD ASSE ORIZZONTALE

–Velocità del vento e velocità apparente – α

La velocità che agisce sul profilo della pala è data sia da ഥ

࢜ ࢚

quella del vento che da quella che deriva dalla rotazione

della pala. Il vento mette in rotazione la pala la quale, ࢜

ࡾ

rotando intorno al mozzo, crea un vento apparente sulla

pala stessa. La forza risultante, e l’angolo di attacco, è

quindi funzione sia della velocità del vento che di quella di ࢜

ஶ

rotazione della pala.

‡Ž‘ ‹–†‡Ž˜‡–‘

ݒ

ஶ ‡Ž‘ ‹––ƒ‰‡œ‹ƒŽ‡†‹”‘–ƒœ‹‘‡

ݒ

ഥ ൌ ȳ ܴ

௧ ௥

ݒ ഥ

=ݒ +ݒ

ோ ஶ ௧

L’angolo ottimale è quindi variabile lungo la pala!

PRINCIPI FISICI

GENERATORI AD ASSE ORIZZONTALE

I tipici generatori a portanza ad asse orizzontale sono i tripala

Ottimo rendimento poiché le pale sono sempre, se

adeguatamente progettate e controllate, soggette ad un vento

relativo orientato secondo l’angolo di attacco ottimale α

࢜

α ࢚

R ࢜

ࡾ Al fine di mantenere un

angolo di attacco

ottimale in ogni sezione

࢜

ഥ

࢜ della pala, la geometria

ࡾ

࢚ della stessa è variabile

࢜ (svergolatura) con la

࢜

ஶ ஶ distanza dal mozzo.

PRINCIPI FISICI

GENERATORI AD ASSE ORIZZONTALE

La solidità del generatore eolico esprime il rapporto fra la proiezione frontale

dell’area del rotore e l’area spazzata dallo stesso. Esistono legami diretti fra la

solidità di un aerogeneratore e la capacità di produzione. Tipici esempi di

generatori ad elevata solidità sono i multipala americani, normalmente utilizzati

in accoppiamento a pompe idrauliche per la captazione di acque profonde; ciò

grazie all’elevata coppia meccanica che sono in grado di generare a basse

velocità di rotazione. Generatori a bassa solidità sono invece i tripala ed i bipala,

che ruotano a velocità maggiori ed offrono maggiori attitudini alla produzione di

energia elettrica da riversare in rete. ࡯ ‘‡ˆˆ‹ ‹‡–‡†‹’‘–‡œƒ

ࡼ Solidità

Alta

Bassa

PRINCIPI FISICI

GENERATORI AD ASSE ORIZZONTALE

I generatori eolici possono avere il piano rotorico posto a valle o a monte della Piano

navicella (HUB della macchina) in relazione alla direzione del vento incidente. Rotorico

La soluzione maggiormente utilizzata è quella di tipo upwind, in cui il piano

rotorico si trova a monte della navicella e quindi viene investito prima dal flusso Upwind

d’aria. La posizione può essere mantenuta meccanicamente (grande eolico) o

mediante un timone (micro eolico).

La soluzione downwind (mini eolico) presenta invece il piano rotorico a valle Downwind

della navicella; questa posizione, che comporta un maggior disturbo del flusso

incidente sul rotore a causa della scia della navicella e della torre di sostegno, ha

il vantaggio di essere auto-allineante rispetto alla direzione del vento e di

consentire la flessione delle pale. Upwind con timone

Downwind PRINCIPI FISICI

GENERATORI AD ASSE ORIZZONTALE

La classificazione sul controllo delle macchine eoliche distingue fra controllo sui

giri, fissi o variabili, e sull’angolo di attacco delle pale, fisso o variabile. La Con