Gurney flap in sailing, do they help? (Italian version)

1. DAL TORNIO AL COMPUTER
Prima Edizione del
Premio all’Innovazione Industriale
Come utilizzare una striscia di materiale rigido (Gurney flap) per
incrementare le prestazioni in un’ imbarcazione a vela
Gurney flap
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2. Organizzazione della ricerca
Il Gurney flap
Possibili usi di Gurney flap in una barca a
vela:
I. su deriva:
i. come generatore di asimmetria
ii. per far uso di derive più piccole
II. su randa.
Applicazioni di fluidodinamica
computazionale
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3. Il Gurney flap
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4. Cenni storici
Nasce come striscia di metallo modellata ad L
collocata perpendicolare e fissa lungo la coda di
spoiler automobilistici alta 0.5÷3.0% la corda [2].
Attualmente può essere realizzata per estrusione
d’alluminio o in materiali compositi. A differenza di
qualsiasi altra configurazione di flap, la striscia
riusciva ad aumentare il carico aerodinamico a terra
senza incrementi significativi di resistenza.
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5. Gurney flap su profilo alare
NACA0012 modificato con Gurney flap di varie altezze[3]
Il profilo modificato è come se aumentasse la propria curvatura, da cui un
notevole incremento del carico aerodinamico, grafico a sinistra. Carico
valutato dal coefficiente adimensionale Cl.
L’aumento di resistenza con l’angolo di attacco si può ritenere trascurabile
entro i limiti che interessano il nostro campo d’applicazione: grafico al centro
con angolo α Є [0;8°] entro il quale il coefficiente adimensionale di
resistenza Cd rimane pressoché costante.
Per Cl≥1.2 l’efficienza aerodinamica complessiva del profilo modificato
aumenta per qualsiasi altezza del Gurney; ovvero a parità di Cl/Cd si hanno
coefficienti di portanza Cl maggiori rispetto alla configurazione originaria
(None). Grafico di sinistra.
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6. Conclusioni
Nel sistemare sulla coda del profilo il Gurney flap più opportuno,
occorrerà scegliere quello con altezza tale che lavori immerso nello
strato limite turbolento[4]; strato generato sulla superficie del
profilo a causa della viscosità del fluido. Infatti si è dimostrato che
- il suo funzionamento non ne viene compromesso;
- si hanno i migliori vantaggi in termini di efficienza aerodinamica.
Le nuove tecniche al calcolatore della fluidonamica computazionale
(CFD) possono aiutare a valutare lo spessore dello strato limite
turbolento sulla coda di un profilo alare senza che questo venga
realmente realizzato e facendo quindi a meno di lunghe e costose
prove sperimentali in galleria del vento.
Occorrerà prima validare un processo di simulazione al calcolatore
ovvero dimostrare valida una procedura di sperimentazione virtuale
confrontando dati da prove sperimentali già esistenti con quelli
ottenuti al calcolatore.
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7. Possibili usi di
Gurney flap in una
barca a vela
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8. 2 aree d’interesse
I. Sulla deriva o chiglia:
i. come generatore di
asimmetria,
ii. per far uso di un’ appendice
idrodinamica più piccola.
deriva
II. Sulla randa come propulsore
aggiuntivo.
randa
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9. Teoria della navigazione[5],
funzione di una deriva
Con il suo profilo alare
simmetrico deve far nascere una
forza Fh che equilibri l’azione del
vento sulle vele Fs.
Ma affinchè Fh si mantenga, è
necessario che la barca navighi
seguendo la linea tratteggiata in
figura e non la giusta rotta
(course) indivuduata dalla linea
continua. Infatti solo così il
profilo simmetrico, incontrando il
flusso d’acqua con angolo
d’attacco λ non nullo, potrà
generare Fh. Angolo λ detto di
deviazione dalla giusta rotta o di
scarroccio.
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10. Gurney flap su deriva, come generatore
di asimmetria
Aggiungendo quindi un Gurney ad una deriva
tradizionale si avrà una portanza, sotto il livello
dell’acqua, maggiorata. Quest’incremento sarà come se
utilizzato dall’imbarcazione per risparmiare in rotazione
su se stessa nel generare l’angolo λ, raggiungendo
prima la condizione di equilibrio Fh=Fs.
I vantaggi di un minor angolo di scarroccio λ sono
quindi:
- barca più “manovriera” ovvero più agile in manovra
raggiungendo prima la condizione d’equilibrio;
- minor deviazione dalla giusta rotta e cioè Vmg (velocity
made good o velocità di risalita contro il vento)
maggiore.
- indirettamente miglior angolo d’incidenza del vento
sulle vele ossia incremento di spinta. 10

11. Gurney flap per ridurre le dimensioni
della deriva
Una deriva più piccola, quando fornita di Gurney flap,
genera la stessa portanza di una più grande [6]. Si
possono quindi ridurre superficie bagnata e peso
dell’appendice con evidenti aumenti di efficienza
idrodinamica sull’intera imbarcazione.
Per distribuzione di portanza ellittica, un Gurney flap
su deriva con profilo NACA incrementa la portanza
massima di oltre il 25% [7]. Ciò significa, a parità di
portanza, una pari riduzione di area nominale quindi
resistenza. Pur trattandosi di situazione ideale,
l’entità del risparmio è tale da meritare ulteriori
approfomdimenti.
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12. Gurney flap su deriva, conclusioni
1. Si è dimostrato come una
nuova deriva modificata
semplicemente incernierando
una striscia di materiale rigido
sulla sua coda possa
incrementare le prestazioni di
un’imbarcazione a vela.
2. Il flap sarà quindi comandato
da bordo e dovrà occupare
solo tre posizioni: le due
opposte a 180° l’una dall’altra,
per fissarlo perpendicolare al
lato di pressione della deriva
(che cambia ad ogni cambio di
mura dell’imbarcazione) e
quella centrale di riposo.
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13. Gurney flap su deriva, conclusioni
3. La foto mostra come attualmente esistano derive asimmetriche
(flapped centerboard) che possono essere comandate
semplicemente dalla coperta. Analogo sisitema si può prevede per il
Gurney flap.
Per gentile concessione di Bob Lewis, Ontario, Canada. 13

14. Teoria della navigazione[5], le vele
In una barca che risale il
vento, le vele agiscono
come delle ali di spessore
nullo generando
portanza. Relativamente
alla direzione di rotta, tale
forza Fs è scomponibile in
una componente
propulsiva FR ed una di
sbandamento FH .
Il grafico polare mostra
come, aumentando la
freccia della vela ossia la
sua curvatura, può
crescere la spinta
propulsiva.
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15. Gurney flap sulla vela
Ma il Gurney applicato lungo la
coda del profilo, è proprio come
se ne aumentasse la curvatura. balumina
Posta tale striscia di materiale
rigido lungo la balumina della
randa, si avrà come una nuova
vela capace di una spinta
superiore con il minimo di
resistenza all’avanzamento in più.
Infatti minime sono le dimensioni
in altezza di cui ha bisogno tale
flap per funzionare al meglio.
Si può prevedere la striscia di
materiale composito, inserita in
una lunga feritoia o sacca cucita
sulla vela, come avviene per le
usuali stecche poste orizzontali e Stecche orizzontali
adibite a modellare la concavità
della randa.
Analogamente si dovrà prevedere
un sistema per cui la feritoia possa
cambiare lato in modo tale da
essere sempre perpendicolare
sulla vela dal lato di pressione,
lato da cui arriva il vento.
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16. Applicazioni di
fluidodinamica
computazionale
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17. Approfondimenti: applicazioni di
fluidodinamica computazionale
Si dimostra di seguito che la fluidodinamica
computazionale può aiutare nella progettazione di un
Gurney flap su profilo alare con i vantaggi già elencati a
pag. 5.
A tal fine si è realizzato un metodo di simulazione ossia:
- si è creato un modello del flusso attorno al profilo alare
modificato,
- si è trovata la migliore soluzione per il flusso.
Poi, si è andati alla ricerca della validazione ossia si è
rappresentata la soluzione numerica in termini di grafici
e dal confronto con quelli sperimentali si sono tratte le
opportune conclusioni.
Vale la pena ricordare che tali risultati sono stati ottenuti
con software attualmente in commercio quindi disponibili
a tutti (Fluent© e Gambit©) e potenza di calcolo
comune a quasiasi computer da tavolo di media potenza.
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18. Approfondimenti: applicazioni di
fluidodinamica computazionale
Si è simulato il comportamento di un NACA0012 con
Gurney flap alto 2% la corda, di cui si ha in letteratura
un’ampia analisi sperimentale in galleria del vento[3].
Si sono ricercati, in sequenza, i tre migliori modelli di
flusso stazionario corrispondente ognuno ad un diverso
angolo d’attacco λ pari a 0, 6 e 10°.
Per ogni modello tre diversi grafici rappresentanti il
flusso sono stati ricavati e confrontati con i relativi
sperimentali:
1) distribuzione di pressione sul profilo alare,
2) velocità di strato limite sul lato d’aspirazione del
profilo ad una distanza dalla testa pari al 90% la corda,
3) velocità di scia ad una distanza dalla coda pari al
70% la corda.
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19. Fluidodinamica computazionale
Flusso medio stazionario a valle del profilo per λ=0°
Rappresentazione grafica del flusso medio stazionario individuato in galleria del vento.
Risoluzione del flusso e visualizzazione vettori velocità in Fluent©:
sono riconoscibili il vortice a monte e i due vortici controrotanti a valle del flap, come nella
prova in galleria del vento. Il fusso risulta perciò prevedibile con buona approssimazione.
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20. Fluidodinamica computazionale
Distribuzione di pressione sul profilo per λ=0, 6 e 10°
Andamento sperimentale
La simulazione in Fluent ripropone lo stesso andamento qualitativo dei
grafici ottenuti in galleria
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21. Fluidodinamica computazionale
Profilo di velocità sullo strato limite per λ=0, 6 e 10°
Andamento sperimentale
Grafici di nuovo analoghi agli sperimentali
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22. Fluidodinamica computazionale
Profilo di velocità sulla scia per λ=0, 6 e 10°
Andamento sperimentale
Anche la scia è qualitativamente accettabile
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23. Obiettivi raggiunti
dalla ricerca
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24. E’ stato individuato un nuovo ed ampio campo di ricerca
nell’aumento delle prestazioni di un’imbarcazione a vela.
Quest’ultimo può avvenire in maniera molto semplice ed
economica modificando opportunamente la deriva e/o la
randa già esistente dell’imbarcazione stessa.
Principalmete si tratterà d’incernierare in coda una
striscia di materiale rigido di banale realizzazione. Le
forme di brevetto potranno riguardare una nuova deriva
e una nuova vela forniti di Gurney flap opportunamente
dimensionato oppure solamente il sistema
d’incernieramento su tali componeti.
Con l’utilizzo di software commerciale e computer di uso
comune, si è validato un metodo di simulazione del
flusso stazionario attorno ad un profilo alare simmetrico
modificato con Gurney flap: il flusso simulato può infatti
prevedere con buona approssimazione gli effetti
qualitativi del flap sul profilo. Tale procedura può quindi
rendere la progettazione dell’opportuno Gurney flap
molto rapida ed economica, limitando al minimo il
comunque necessario ricorso all’analisi sperimentale in
galleria del vento o in vasca.
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25. Bibliografia
1. Bonfigli, F. (2004) Potenziali applicazioni di Gurney flap in
un’imbarcazione a vela, Bologna, Università degli Studi, Facoltà
d’Ingegneria, Meccanica.
2. Liebeck, R. H., “Design of Subsonic Airfoils for High Lift,” Journal of
Aircraft, Vol. 15, No. 9, 1978, pp. 547-561.
3. Li, Y., Wang, J. and Zhang, P., “Effects of Gurney Flaps on a
NACA0012 Airfoil,” Flow, Turbulence and Combustion, Vol.
68, No.1, 2002, pp. 27-39.
4. Good, M. C., and Joubert, P. N., “The Form Drag of Two-
Dimensional Bluff-Plates Immersed in Turbulent Boundary Layers,”
Journal of Fluid Mechanics, Vol. 31, Pr. 3, Feb. 1968, pp. 547-582.
5. Garret, R. (1987) The symmetry of sailing, London, Adlard Coles
Ltd.
6. Bethwaite, F. (1996) High performance sailing, Shrewsbury,
Waterline Books.
7. Storms, B. L. and Jang, C. S., “Lift Enhancement of an Airfoil Using
a Gurney Flap and Vortex Generators,” Journal of Aircraft, Vol.
31, No. 3, 1994, pp. 542-547.
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