Analysis and implementation of the actuator line method for aeronautical propellers.

Lo studio delle eliche propulsive è caratterizzato da una grande varietà di metodi disponibili per prevederne le prestazioni, con livelli molto diversi di accuratezza e costo computazionale. Alcuni metodi analitici largamente utilizzati si basano su una serie di approssimazioni che consentono di svolgere calcoli, in poco tempo e con un discreto livello di accuratezza. Tra questi metodi vanno citati in particolare quello che si basa sulla Teoria del momento e quello che si basa sulla Blade Element Theory (BET); rimane da citare la Blade Element Momentum Theory (BEMT), che nasce da una combinazione delle altre due. L’introduzione di tecniche di fluidodinamica computazionale basate sulla risoluzione delle equazioni di Navier-Stokes ha consentito lo sviluppo di simulazioni ad alta affidabilità ma, di solito, dal costo computazionale molto elevato. Negli ultimi decenni gli sforzi dei ricercatori si sono concentrati sul tentativo di sviluppare nuovi metodi che possano in qualche modo combinare l’efficienza computazionale della Blade Element Mometum Theory con l’accuratezza dei risultati garantita dalle tecniche CFD. In questo contesto, si inserisce l’introduzione dell’Actuator Disk Method (ADM) e, successivamente, del più accurato Actuator Line Method (ALM). Queste tecniche implementano la risoluzione delle equazioni di Navier-Stokes modellizzando però l’elica come una sorgente di momento. Nel metodo del disco attuatore, le forze scambiate tra elica e fluido vengono uniformemente distribuite su di un disco di spessore infinitesimo, mentre nel metodo della linea attuatrice le stesse forze sono radialmente distribuite lungo linee rotanti che rappresentano le pale dell’elica. L’obiettivo di questa tesi è quello di implementare il metodo della linea attuatrice in un codice CFD e di applicarlo all’analisi di un’elica propulsiva di cui sono note la geometria e i dati sperimentali, confrontando in particolare le prestazioni dell’elica fornite dal modello implementato con quelle risultanti dalle sperimentazioni in galleria del vento e da altri risultati numerici disponibili in letteratura. Nel primo capitolo verrà presentata una breve introduzione, nella quale ci si concentrerà in particolare sui vantaggi e gli svantaggi dei vari metodi a disposizione e sulle motivazioni che hanno portato all’introduzione del metodo della linea attuatrice. Nel secondo capitolo verranno presentati i vari metodi oggi a disposizione per lo studio di un’elica propulsiva, nello specifico: Momentum Theory, Blade Element Theory e Blade Element Momentum Theory; i metodi che implementano una completa risoluzione del flusso attraverso simulazioni di fluidodinamica computazionale ad alta affidabilità; il metodo del disco attuatore. Nel terzo capitolo presenteremo nel dettaglio il metodo della linea attuatrice, con particolare attenzione alle strategie adottate durante l’implementazione del codice utilizzato. Nel capitolo quarto saranno forniti invece tutti i dettagli riguardanti il caso di studio considerato, soffermandosi in particolare sui dati rilevanti relativi alla geometria dell’elica e ai risultati delle analisi sperimentali. Infine, nel quinto capitolo, verranno presentati i risultati ottenuti attraverso l’implementazione del metodo della linea attuatrice, valutandone l’effettiva accuratezza ed il costo computazionale richiesto dalle simulazioni.