XFLR5: calcolo delle caratteristiche aerodinamiche di un'ala

XFLR5 è un software per l'analisi di ali e aerodine complete sviluppato dal francese Andre Deperrois, distribuito con licenza open source. XFLR5 analizza il comportamento non solo di un profilo isolato (come fanno le "gallerie del vento virtuali" come XFoil) ma anche di un'ala finita tenendo conto del suo allungamento e della sua forma, e di un'aerodina completa. In questo modo è possibile studiare la resistenza indotta dell'ala, costruire la polare dell'ala o del modello, analizzare la distribuzione di portanza lungo l'apertura alare, individuare le condizioni di trim e di stabilità del modello.
Per testere la bontà dei calcoli effettuati da XFLR5, faremo riferimento al report no. 1422 della NACA di James C. Sivells. Procuriamoci da qui le coordinate del NACA 65-210. Questo è il profilo utilizzato nel report e che costituirà la sezione della nostra ala. Importiamo il file .dat relativo al profilo (File -> Load File) e passiamo a calcolare una famiglia di polari per questo profilo in modo da coprire un range di numeri di Reynolds significativo. XFLR5 userà queste polari per stimare il contributo viscoso, interpolando tra i Re calcolati: bisogna perciò che la copertura dei diversi Re sia abbastanza fitta da permettere a XFLR5 di lavorare. Benché si possa fare tutto a mano, Re per Re, c'è una comoda opzione per calcolare una famiglia di polari tutt'assieme. Selezioniamo, dal menù nella toolbar, il profilo caricato e poi, dal menù "Polars", scegliamo "Run Batch Analysis" e impostiamo i valori nei singoli campi così come indicato nella figura seguente:

Premendo il bottone "Analyze", la routine XFoil del programma si metterà all'opera e calcolerà tutto quanto richiesto. Al termine del lavoro potremo chiudere la finestra, e andare nel menù "View" per selezionare "Polars". Comparirà così la famiglia di polari appena calcolate; si potrà scegliere quale grafico vedere (Cl / Cd, Cl / Alfa, Cm / Alfa, ecc.) scegliendo l'opportuna opzione nel menù "Polars -> View" e ottenere, ad esempio, il seguente andamento del Cl vs. Alfa ai diversi numeri di Reynolds:

Ora che abbiamo le famiglie di polari 2D dei nostri profili, possiamo iniziare ad avventurarci nel campo della simulazione 3D attraverso il Vortex Lattice Method (VLM).
Per entrare nel modulo di XFLR5 che controlla la geometria del modello, bisogna selezionare dal menù "Application" l'opzione "Wing Design". Fatto questo, dal menù "Wing/Plane" scegliamo "Define a Plane" e ci troviamo davanti la finestra che ci permetterà di definire la geometria della nostra ala. Facendo riferimento alla geometria riportata a pag. 10 del report di Sivells impostiamo i dati nella finestra "Wing Design" così come vengono riportati nella figura seguente:

Osserviamo le caratteristiche dell'ala appena disegnata in questo particolare dell'immagine precedente:

Una volta accettati i dati dalla finestra di definizione della geometria, è possibile selezionare "3D" dal menù "View" per poter osservare la vista assonometrica del modello appena progettato:

Siamo finalmente ad un passo dal calcolo della polare della nostra ala. La polare viene calcolata in base a un insieme di condizioni al contorno: possiamo scegliere se considerare fissa la velocità all'aria, la portanza generata o l'angolo di incidenza. Dal menù "Polars" scegliamo "Define a Polar Analysis". Poichè il test riportato nel report è fatto a M=0.17, supponendo di trovarci in condizioni standard al livello del mare, imporremo una velocità di volo dell'ala costante e pari a 57.85 m/s (vedi figura):

A questo punto diamo OK e siamo pronti per iniziare l'analisi: nel pannello a destra della finestra indichiamo che vogliamo analizzare una sequenza (casella "Sequence" selezionata) di angoli di incidenza, per esempio da -4° a 14° a passi di 0.25°, selezioniamo le opzioni "Store OpPoints" e "Store points outside the polar mesh". Infine, diamo il via al calcolo con il bottone "Analyze". Selezionando "3D" dal menù "View" potremo ora vedere in una rappresentazione a colori la distribuzione del coefficiente di pressione locale sulla superfice portante, e variando l'angolo di incidenza potremo osservare come la distribuzione si modifica.

Ci sono altre rappresentazioni altrettanto interessanti anche se meno belle: proviamo a selezionare "Polars" dal menù "View", quindi facciamo click con il tasto destro sul grafico che sarà comparso e selezioniamo dal menù pop-up "Graph -> Variables". Si aprirà una finestra in cui potremo selezionare quale variabile mettere in ascissa e quale in ordinata: proviamo per esempio a mettere sull'asse Y il Lift coef. e sull'asse delle X, invece, l'angolo Alpha. Otterremo l'andamento riportato in figura:

Può essere conveniente, a questo punto, salvare i dati ottenuti da quest'analisi in un file da processare, ad esempio, con Gnuplot. Per fare questo basta posizionarsi sul grafico con il mouse, premere il pulsante destro e selezionare "Current Analysis/Polar" e poi, successivamente, "Export".
Il confronto con i dati riportati nel report (vedi pag. 13) è, come si può osservare, abbastanza accurato.

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