Ottimizzazione della Geometria e Analisi Fluidodinamica di un Ugello a Doppia Campana con CFD e MATLAB. = Geometry Optimization and Fluid Dynamic Analysis of a Dual Bell Nozzle with CFD and MATLAB.

Questa tesi si concentra sull'ottimizzazione della geometria di un ugello a doppia campana (Dual Bell Nozzle) mediante un codice sviluppato in MATLAB e un'analisi fluidodinamica computazionale (CFD) stazionaria e instazionaria. L'obiettivo principale del lavoro è validare un modello numerico di simulazione, confrontando i risultati ottenuti con i dati sperimentali esistenti. Il secondo obiettivo è lo studio del comportamento dell'ugello in vari scenari operativi, inclusa la transizione dalla modalità a livello del mare alla modalità ad alta quota. Il codice parametrico ha permesso di creare una geometria di ugello Dual Bell nota, sulla quale è stata eseguita la validazione del metodo CFD tramite simulazioni numeriche di diversa tipologia, che sono state confrontate con i dati sperimentali pubblicati da Genin (2011). In particolare, è stata esaminata la qualità della mesh e la validità dei metodi di risoluzione numerica impiegati per simulare il comportamento degli ugelli. Successivamente, il comportamento dell'ugello è stato studiato al variare del Nozzle Pressure Ratio (NPR), in particolare durante la transizione tra la modalità sea level e quella ad alta quota. Questo ha incluso l'analisi della stabilità del flusso, lo studio del ciclo di isteresi e l'approfondimento delle problematiche connesse alla geometria dell'ugello, come la Sneak Transition e i Side Loads. La tesi è suddivisa nei seguenti capitoli: - Capitolo 1: Introduzione agli ugelli supersonici, con una panoramica dei parametri e delle prestazioni chiave, e una descrizione dei diversi tipi di ugelli, inclusi quelli adattivi come l'ugello Dual Bell. - Capitolo 2: Descrizione dettagliata dell'ugello Dual Bell, comprensiva della progettazione geometrica, dei principi di funzionamento e delle modalità operative (sea level e altitude mode). Vengono inoltre analizzate le criticità, come la transizione instabile e le problematiche legate alla separazione del flusso. - Capitolo 3: Studio dei metodi per creare i profili degli ugelli, inclusi i metodi MOC (Metodo delle Caratteristiche) nel caso planare e assialsimmetrico, RAO (Rocket Nozzle Optimization) e le differenze tra i vari approcci. Viene anche presentato il codice parametrico sviluppato per generare diverse geometrie di ugelli. - Capitolo 4: Set up dell'analisi CFD, con descrizione della geometria, della discretizzazione della mesh e della simulazione numerica. Si esamina il modello fisico utilizzato, le condizioni al contorno e il metodo numerico scelto. - Capitolo 5: Presentazione dei risultati delle simulazioni CFD, inclusi il confronto tra diverse configurazioni di mesh, modelli di turbolenza e la validazione dei risultati con dati sperimentali. Si analizzano anche i risultati delle simulazioni instazionarie e del ciclo di isteresi, e si discute lo studio di geometrie scalate per future analisi sperimentali. In conclusione, questa tesi fornisce un'analisi completa della geometria e delle prestazioni dell'ugello Dual Bell, evidenziando i vantaggi e le criticità di questa soluzione per applicazioni aerospaziali. Il lavoro propone inoltre un approccio numerico robusto per validare e ottimizzare la progettazione degli ugelli in vari scenari operativi.