ITGE20090093A1 - Metodo per ridurre la resistenza al moto di corpi in un fluido, rivestimento per la sua attuazione e veicolo comprendente tale rivestimento - Google Patents

Description

Descrizione dell'Invenzione Industriale dal titolo:

“Metodo per ridurre la resistenza al moto di corpi in un fluido, rivestimento per la sua attuazione e veicolo comprendente tale rivestimento”

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un metodo atto a ridurre la resistenza di avanzamento di un corpo quando quest’ultimo è in moto in un fluido.

In generale è noto che quando un corpo è in moto in un fluido (sia esso aria, acqua o altro) è sottoposto ad un campo di forze che comprendono, oltre al peso del corpo, anche la portanza, ovvero la componente perpendicolare al moto, e la resistenza (in inglese definita come “drag”), vale a dire la componente parallela al moto del corpo che si oppone al suo avanzamento.

La resistenza nel particolare caso dei veicoli a motore (aerei, automobili, navi, sottomarini o simili) è uno dei fattori che incide sul consumo di carburante e sulla velocità massima raggiungibile, ed è perciò importante riuscire a diminuirla. Allo stesso modo è importante riuscire a ridurre la resistenza all’avanzamento di palette di pompe e turbine in acqua e aria, di pale eoliche in aria, etc.

In linea di principio esistono due tecniche principali per ridurre la resistenza di un corpo in moto in un fluido: quelle attive e quelle passive.

Le soluzioni del primo tipo hanno come caratteristica comune quella di dover essere alimentate da una fonte di energia: tra queste si ricordano brevemente quelle relative all’iniezione o prelievo di fluido nei pressi della superficie del corpo; quelle che prevedono di variare la temperatura sulla superficie di quest’ultimo per alterare conseguentemente la viscosità del fluido nei suoi pressi; infine ancora altre che prevedono di variare la forma della superficie del corpo, ad esempio con alettoni o simili.

Tutte queste tecniche sortiscono buoni risultati, tuttavia necessitano sia dell’apporto di energia per funzionare che di opportuni dispositivi atti allo scopo.

Le tecniche passive, invece, prevedono di configurare in modo opportuno la superficie del corpo, così da determinare una diminuzione della resistenza senza che sia necessario fornire energia esterna.

Nel settore delle tecnologie passive sono noti gli esempi forniti dagli incavi (macroscopici) previsti sulla superficie delle palle da golf che creano uno strato limite turbolento e diminuiscono così la resistenza al moto: gli incavi riducono le dimensioni dell'inevitabile ricircolo (separazione) del fluido nella zona dietro la palla.

Infatti uno strato limite turbolento, reso anche prematuramente tale dall’impiego di mezzi passivi come gli incavi, tende a rimanere attaccato ad una superficie più di uno strato limite laminare, con la conseguente modifica del campo di pressione dietro al corpo.

In questo caso i risultati, seppure sufficienti, sono ancora distanti da produrre una riduzione della resistenza ottimale per l’utilizzo in un campo di moto caratteristico di veicoli (quali le automobili, le navi, gli aerei e i sommergibili) o di strumenti con parti in rotazione (quali le palette di pompe e turbine, le pale eoliche, etc.).

Restando nel campo delle tecniche passive, una valida soluzione alternativa che presenta risultati interessanti, è quella dell’inserimento di rugosità o corrugamenti superficiali microscopici sulla superficie del corpo; tali rugosità sono note anche sotto il nome inglese di “riblets” ai tecnici del ramo.

Questa tecnica, in breve, prevede che le rugosità superficiali perturbino il substrato viscoso dello strato limite turbolento, riducendo la resistenza di attrito attraverso la generazione di micro vortici - dominati dalla viscosità - che modificano lo strato limite fluido nell’immediata prossimità della parete.

In questa seconda soluzione il principio che si segue è simile a quello degli incavi macroscopici sulle palline da golf, salvo il fatto che si interviene in campo microscopico introducendo rugosità dell’ordine di poche decine di micron. Nel primo caso (incavi macroscopici) si interviene sulla resistenza di pressione, mentre nel secondo (riblets microscopici) si agisce sulla resistenza di attrito.

Un inconveniente di questa seconda soluzione è che le rugosità superficiali sono predisposte per far diminuire la resistenza secondo una direzione preferenziale, corrispondente a quella di normale avanzamento del corpo, e pertanto, qualora la direzione del flusso che investe il corpo vari, la bontà dei risultati decade in modo piuttosto sensibile.

Un ulteriore inconveniente è legato alle dimensioni microscopiche di tali rugosità, la cui realizzazione può essere particolarmente complessa.

Scopo della presente invenzione è quello di mettere a punto un metodo passivo auto-adattativo per ridurre la resistenza al moto di corpi immersi in un fluido, capace di ovviare ai su menzionati inconvenienti.

Tale scopo è conseguito da un metodo le cui fasi di attuazione sono enunciate nella rivendicazione 1 allegata. L’idea alla base della presente invenzione è quella di controllare il flusso del fluido attorno al corpo mediante l’utilizzo di un rivestimento provvisto di setole; preferibilmente tali setole presentano un orientamento ed una flessibilità opportunamente progettati per ridurre maggiormente la resistenza al moto, a seconda del tipo di fluido e delle caratteristiche del moto, della forma e dimensioni dell’oggetto, nonché di altri parametri eventuali da prendere in considerazione.

L’invenzione concerne altresì un rivestimento per l’attuazione del metodo anzidetto, le cui caratteristiche sono anch’esse enunciate nelle rivendicazioni annesse.

Queste caratteristiche ed ulteriori vantaggi risulteranno maggiormente chiari dalla descrizione di un esempio di realizzazione del presente trovato, mostrato nei disegni annessi a puro titolo esemplificativo e non limitativo, in cui:

fig. 1 illustra un rivestimento secondo l’invenzione applicato ad un corpo, in assenza di moto;

fig. 2 illustra il rivestimento di fig. 1 investito da un flusso di fluido, in presenza di un gradiente di pressione imposto avverso alla direzione del moto;

fig. 3 illustra un ingrandimento di una delle setole del rivestimento di fig. 1;

fig. 4 illustra l’effetto del rivestimento di fig. 1 per diverse modalità di applicazione su corpi cilindrici; fig. 5 è un grafico che mostra la comparazione tra i coefficienti di resistenza dei corpi di fig. 4;

fig. 6 mostra un ingrandimento di uno dei corpi cilindrici della fig. 4;

fig. 7 mostra la distribuzione delle forze indotte dal rivestimento di fig. 6;

fig. 8 mostra un profilo alare sul quale è applicato un rivestimento secondo l’invenzione;

le figg. 9(a), 9(b) mostrano in forma di diagramma la distribuzione delle pressioni intorno ad un profilo alare; la fig. 10 mostra dei diagrammi relativi al coefficiente di resistenza del rivestimento secondo l’invenzione, in differenti condizioni operative.

Con riferimento ai disegni, nel primo di essi è mostrato un tratto della superficie esterna di un corpo 1 in condizione statica, vale a dire in assenza di moto relativo tra il corpo ed un fluido in cui esso è immerso (aria, acqua o simili). Sulla superficie del corpo 1, in accordo agli insegnamenti della presente invenzione, è applicato un rivestimento 2 di setole 3.

Il funzionamento del rivestimento 2 quando il corpo 1 è in moto in un fluido verrà descritto più oltre, con riferimento alle figg. 2 e 4.

Per quanto attiene alle setole 3, il cui diametro medio della sezione viene indicato con d nei disegni e in questa descrizione, esse possono venire realizzate con materiali sia naturali che sintetici.

La densità ρ del materiale costituente le setole 3 deve essere compresa tra 200 kg/m<3>e 1000 kg/m<3>, al fine di ottenere una riduzione della resistenza quando il corpo 1 è in moto in un fluido come l’aria; qualora invece si preveda di avere un fluido come l’acqua è necessario che la densità del materiale costituente le setole 3 sia di circa 2000 – 8000 kg/m<3>.

I materiali che soddisfano i requisiti sulla densità ρ delle setole sono ad esempio:

acciaio inossidabile, alluminio o vetro per fluidi come l’acqua;

cheratina, PVC, policarbonati o poliolefine per il moto in fluidi gassosi.

Per quanto attiene invece al numero di setole per unità di volume del rivestimento, questo deve essere sufficientemente basso per permettere al fluido di passare facilmente tra una setola e quelle adiacenti, evitando che il rivestimento 2 reagisca come un solido, cosa che causerebbe un comportamento dinamico errato delle setole 3 che invece sono preposte a reindirizzare il flusso di fluido che le attraversa.

Da prove in laboratorio si è trovato che il rapporto tra il volume delle setole 3 sul volume totale V dello spazio in cui si trovano le setole deve essere compreso tra 0,001 e 0,01, con valori decrescenti al crescere del numero di Reynolds. Ad esempio, il valore ottimo è pari a 0,006 per il caso di moto di un corpo cilindrico a numero di Reynolds pari a Re = 2R U/ν = 200 (R raggio del cilindro, U velocità del cilindro e ν viscosità cinematica del fluido), e un altro valore ottimo è pari a 0,001 per il caso del moto di un profilo alare in aria a numero di Reynolds pari a 10000 (basato su una scala di lunghezza pari a quella della corda del profilo).

Il volume totale V è calcolato come l’area A occupata dalle setole 3 sulla superficie del corpo per l’altezza h delle setole 3 in condizione imperturbata, mostrata nelle figg. 1 e 3, cioè in assenza di moto.

Per quanto attiene alle caratteristiche di flessibilità delle setole, si fa notare che la scelta della rigidità del rivestimento è di primaria importanza per la riduzione della resistenza.

La scelta della flessibilità (o della rigidezza) del rivestimento corrisponde alla scelta della frequenza caratteristica degli elementi strutturali del rivestimento. A tal fine si può applicare la teoria della trave (teoria di Eulero-Bernoulli, si consulti a titolo di esempio il sito http://it.wikipedia.org/ wiki/Teoria_della_trave), presa in questo caso incastrata ad un’estremità e libera dall’altra. Tale teoria fornisce come prima frequenza di oscillazione il valore:

con E il modulo di elasticità dell’elemento strutturale (in Pascal) ed S un numero senza dimensioni che rappresenta il rapporto di assottigliamento (in inglese definito come “slenderness ratio”) della trave. Nel caso di trave cilindrica, vale S = 4 h / d.

Il valore 1,875 nella formula qui sopra corrisponde al primo auto-valore della teoria della trave sottile (cioè al numero d’onda del primo modo, preso lungo l’asse della trave), come riportato da S.M. Han, H. Benaroya e T. Wei, “Dynamics of transversely vibrating beams using four engineering teories”, Journal of Sound and Vibrations, Vol. 225, No. 5 (1999) pp.

935-988.

Si osserva che il modello di Eulero-Bernoulli è valido finché il rapporto di assottigliamento S = 4 h /d è maggiore di 100, come nel caso delle simulazioni effettuate nel presente contesto.

Si trova infine il periodo caratteristico di ogni elemento strutturale, cioè:

Come verrà descritto nel seguito è importante che si instauri una sincronizzazione tra le setole formanti il rivestimento e il moto fluido in condizioni di regime, cioè deve esistere una relazione tra Tstrutturae Tfluido, dove con Tfluidoviene indicato il periodo caratteristico del moto fluido quando il corpo non è dotato del presente rivestimento. Per fissare il periodo di oscillazione degli elementi strutturali Tstrutturasi deve scegliere opportunamente il modulo di elasticità E (anche noto come modulo di Young) e la densità ρ del materiale costituente le setole, secondo l’espressione fornita alla fine del paragrafo precedente

Per quanto riguarda Tfluido, quando il corpo è in moto in un fluido l’interazione tra i due si manifesta anche sotto forma di vortici che si distaccano dal corpo. Tale fenomeno è conosciuto anche come scia (vorticosa) di von Kármán, ed in breve è una configurazione di scia caratterizzata dal distacco alternato di vortici su due lati opposti del corpo; il fenomeno è noto in sé e ben descritto nella letteratura scientifica (una trattazione di base può essere ritrovata per esempio su Wikipedia, all’indirizzo internet http://it.wikipedia.org/wiki/ Scia_di_von_Kármán), per questo non ci sofferma oltre su di esso.

Ai fini della presente descrizione si deve solo notare che i vortici, nel tempo, presentano una certa frequenza media di distacco dal corpo, detta frequenza di formazione, che dipende da diversi fattori quali le caratteristiche del fluido, la velocità del flusso attorno al corpo e la forma di quest’ultimo. Tale frequenza di formazione è l’inverso di Tfluido.

In linea di principio è pertanto necessario determinare la frequenza naturale del distacco dei vortici dal corpo, in assenza di rivestimento, mediante un’analisi di Fourier di un segnale temporale. Siccome in regime di moto turbolento viene eccitato un largo spettro di frequenze, è necessario scegliere una frequenza intermedia in una spiaggia compresa tra quelle che presentano le densità spettrali di potenza maggiore. Una volta determinato Tfluido, sulla base delle indicazioni che seguono per la scelta di Tstruttura, si potrà determinare il rapporto tra il modulo di elasticità e la densità del materiale, e scegliere quindi il materiale appropriato.

Ogni setola 3 presenta poi un angolo di deflessione caratteristico, individuato come l’angolo massimo di cui una setola di riferimento – supposta rigida - può inclinarsi rispetto alla superficie del corpo sotto l’azione di un flusso di fluido che lo investe.

Per quanto attiene a tale angolo, il suo valore dipende dal materiale in cui è realizzata la setola e viene considerato ai fini della presente trattazione quale parametro secondario, a condizione che tale deflessione sia compresa tra venti e novanta gradi rispetto ad una posizione di equilibrio, così da ottenere una buona adattabilità del rivestimento al flusso.

La posizione di equilibrio delle setole, cioè la posizione in cui si trovano le setole in assenza di moto relativo tra il fluido e il corpo, è quella in cui le setole sono orientate parallelamente alla direzione principale del moto fluido (quando quest’ultimo sia presente).

Per quanto attiene invece al posizionamento del rivestimento sul corpo 1, esso deve essere collocato preferibilmente attorno alla regione di distacco incipiente del flusso, così da massimizzare l’effetto di adattamento del rivestimento al flusso di fluido che investe il corpo 1. La regione attorno alla quale avviene il distacco della vena fluida è nota sperimentalmente e/o analiticamente per quasi tutte le configurazioni geometriche semplici come cilindri o profili alari in moto uniforme, ed è generalmente conosciuta anche nel caso di configurazioni più complesse sulla base di indicazioni sperimentali.

Lo spessore del rivestimento 2, ovvero l’altezza h delle singole setole 3 deve essere scelto in modo tale che il rivestimento abbia uno spessore circa pari ad almeno due volte quello dello strato limite nella zona di separazione dei vortici. Si desidera cioè che la punta delle setole sia ben immersa nella regione separata. Lo spessore δ dello strato limite in prossimità della regione di distacco, per il caso di un cilindro con asse ortogonale al moto, è dato da:

δ ≈ 4,2 R Re<-0.5>,

espressione disponibile, ad esempio, sul libro di H. Schlichting, “Boundary-Layer Theory”, McGraw-Hill, Seventh Edition 1987, pagina 171.

Quindi, nel caso di un corpo cilindrico in moto a velocità uniforme l’altezza delle setole cilindriche vale h ≈ 9 R Re-

<0.5>. Conducendo esperimenti in acqua a temperatura ambiente (ν = 10<-6>m<2>/s) con un cilindro di raggio R = 1 m in moto a U = 0,1 m/s, l’altezza h delle setole deve essere di circa 2 cm (per quanto riguarda il diametro d di ogni setola, esso può essere scelto in modo che il rapporto di assottigliamento S come definito dalla teoria di Eulero-Bernoulli, sia pari a 100). Per esperimenti in aria a temperatura ambiente (ν = 15 x 10<-6>m<2>/s) con un cilindro di raggio R = 1 m in moto a U = 5 m/s, lo spessore h del rivestimento dovrà essere pari a circa 1 cm.

In linea di principio, maggiore è la velocità del fluido che arriva sul corpo, e più sottile è lo strato limite che si forma attorno al corpo. Di conseguenza, per velocità più alte lo spessore del rivestimento sarà più piccolo.

I risultati sulle dimensioni ottimali dello strato di setole sono stati ottenuti tramite un approfondito studio parametrico basato sulla risoluzione numerica delle equazioni di Navier-Stokes, accoppiate ad equazioni per il rivestimento, modellato come un insieme di setole collegate tra loro da molle e smorzatori. Si è tenuto conto sia dell’effetto del fluido sulle setole (tramite una decomposizione della forza fluidodinamica lungo la direzione parallela e la direzione ortogonale ad ogni setola) sia della reazione di ogni setola sul fluido (tramite una tecnica numerica nota come “la tecnica dei contorni immersi” che permette di studiare la presenza di più corpi solidi all’interno di un continuo fluido). La discretizzazione delle equazioni di Navier-Stokes è stata effettuata con una procedura detta dei volumi finiti, in cui il dominio fisico è stato suddiviso in tanti volumetti elementari, all’interno di ciascuno dei quali viene imposto che i bilanci locali di massa e quantità di moto siano soddisfatti, impiegando schemi numerici di ordine superiore o uguale a due nel tempo e nello spazio. In assenza di setole i risultati sono stati confermati da raffronto con risultati presenti in letteratura.

Facendo riferimento alla fig. 2, si può osservare schematicamente il funzionamento del rivestimento 2 sopra descritto applicato ad un corpo in moto in un fluido, nell’ipotesi in cui nelle vicinanze del corpo ci sia un gradiente di pressione longitudinale avverso.

Nella zona prossima alla superficie del corpo 1, fino a dove si estendono le setole 3, coesistono sia un elemento solido (ovvero le setole 2) che il fluido 4 che le attraversa: tale zona nel seguito verrà definita per brevità “regione di prossimità”, e si considererà il corpo 1 fermo ed il fluido in movimento (ciò essendo ininfluente ai fini della trattazione).

All'entrata nella regione di prossimità il fluido 4 trasmette parte della sua energia cinetica alle setole 3, che vibrano e si deformano.

Queste ultime si deformano tanto più quanto maggiore è la portata di fluido che attraversa tale regione di prossimità; in particolare si piegano maggiormente nel caso di zone di ricircolo (vortici) 41 del fluido, come mostrato in fig. 1. Il fluido nel suo passaggio tra le setole 3 viene quindi orientato da queste.

Le setole 3 si piegano sotto l’azione del flusso di fluido e pertanto, con riferimento all’esempio di fig. 2, si avranno zone in cui esse sono orientate le une contro le altre, a formare una sorta di cuspide (zona A) e zone in cui sono invece orientate in modo uniforme (zona B), a seconda dei vortici 41, 42 che si generano. L’effetto è tanto più significativo quanto meglio si riesce a sincronizzare il moto del fluido con il movimento del rivestimento, nel qual caso la retroazione delle setole sul fluido è amplificata, e l’energia del fluido viene aumentata localmente in prossimità della parete. E’ ben noto che uno strato limite più energetico (tale lo strato limite turbolento) resiste meglio al distacco della vena fluida (ad esempio rispetto ad uno strato limite laminare). Il risultato netto del ritardo nel distacco è una distribuzione di pressione diversa rispetto al caso senza setole. In particolare, dietro al corpo investito dalla corrente, la pressione sarà più alta di quella che si avrebbe in assenza di setole, con una conseguente riduzione della resistenza di pressione.

Il meccanismo di funzionamento delle setole sarà maggiormente chiarito dall’analisi delle figure successive.

In fig. 4 ad esempio è mostrato un confronto delle scie di Von Karman che si generano su di un cilindro in moto in un fluido, in quattro casi differenti: un cilindro liscio C1, un cilindro C2 provvisto di setole rigide radiali disposte sulla superficie laterale del cilindro non affacciata al flusso di fluido, un cilindro C3 provvisto di setole rigide parallele tra loro e alla direzione del flusso ed un cilindro C4 provvisto di setole che vibrano in reazione allo sforzo esercitato dal fluido, secondo la presente invenzione. Si faccia attenzione al fatto che le setole di figura non rappresentano tutte le setole del rivestimento (di densità fissata a 0,006 per il caso in figura), ma solo un numero limitato di setole di riferimento, sufficienti però a rappresentare bene l’onda di superficie che si forma sulla superficie esterna del rivestimento sotto l’azione della forza esercitata dal fluido.

Nei quattro casi di figura è stato scelto un numero di Reynolds pari a 200, e le setole, quando presenti, hanno lunghezza uguale a 0,6 R.

Come appare chiaramente la presenza delle setole diminuisce l’effetto del distacco dei vortici dalla superficie del cilindro, di fatto diminuendo la resistenza: in sostanza il rivestimento, essendo mobile, si adegua al flusso del fluido rispetto al corpo, attenuando gli effetti negativi delle regioni di distacco del fluido dal corpo.

La principale differenza che sussiste tra i corrugamenti microscopici (i “riblets”) noti e le setole 3 è nella capacità del rivestimento 2 secondo la presente invenzione di auto-adattarsi alle variazioni del flusso di fluido, rendendo il rivestimento idoneo per applicazioni in diversi regimi e condizioni di moto, poiché esso tende ad adattarsi alle perturbazioni che si formano nel fluido (si pensi ad esempio al vento o ad una corrente d’acqua).

Infatti è intuitivo che una variazione di direzione del flusso di fluido comporterà uno spostamento delle setole 3 che si disporranno in una nuova condizione ottimale al fine della riduzione della resistenza.

In fig. 5 è mostrata una comparazione tra i coefficienti di resistenza Cdragdei quattro casi mostrati in fig. 4: come si può notare il coefficiente di resistenza Cd(cioè la forza che si oppone al moto del corpo, resa adimensionale in modo opportuno) di ogni cilindro varia nel tempo attorno ad un valore medio, ma si può affermare che in generale il cilindro C2 provvisto di setole fisse radiali presenta mediamente il più alto coefficiente, mentre il cilindro liscio C1, il cilindro C3 provvisto di setole fisse parallele al flusso ed il cilindro C4 provvisto di setole mobili secondo la presente invenzione (con Tstrutturascelto pari ad un quarto di Tfluido) presentano nell’ordine valori del coefficiente di resistenza decrescenti.

Questa prova corrisponde al caso di un cilindro in moto uniforme, con numero di Reynolds pari a 200.

In fig. 6 è mostrato un ingrandimento del cilindro C4 nella zona di distacco dei vortici ed in fig. 7 sono riportati i vettori del campo di forze indotte dal rivestimento sul fluido. Tali figure mostrano come l’effetto generato dal rivestimento dell’invenzione si opponga istante per istante al distacco del fluido dal corpo, riducendo così la resistenza.

In fig. 8 è invece mostrato un profilo alare di forma NACA 0012 (questi profili sono codificati dall’ente americano National Advisory Committee for Aeronautics e per maggiori ragguagli si può fare riferimento alle numerose pubblicazioni e manuali tecnici sull’argomento, o si consulti il sito internet http://en.wikipedia.org/ wiki/NACA_airfoil) dotato di setole attorno alla regione del distacco dello strato limite. Nell’esempio scelto il profilo è inclinato di un angolo di 18 gradi rispetto alla direzione del moto incidente. Il numero di Reynolds scelto è di 10.000 (che corrisponde ad esempio al caso di un profilo alare di corda pari a 15 cm, investito da una corrente d’aria – di viscosità cinematica presa pari a 1,5 x 10<-5>m<2>/s - a velocità di 1 m/s). In figura sono mostrate sia le setole di riferimento (in tratto più spesso) che l’insieme di tutte le setole del rivestimento (in tratto più sottile), che è stato preso di densità pari a 0,001.

Nella posizione di equilibrio, trascurando cioè la forza impressa dal fluido al rivestimento, le setole sono posizionate ad un angolo intermedio tra la normale alla superficie del corpo e la direzione del moto incidente.

Per esperimenti in aria, le setole sono formate da cheratina (ρ = 890 kg/m<3>) e hanno una altezza h pari a 1,2 cm.

In fig. 9(a) è raffigurato il campo di pressione (reso adimensionale con la pressione dinamica) mediato nel tempo.

Nell’immagine di fig. 9(a) il campo medio di pressione è calcolato in assenza del rivestimento di setole, nell’immagine di fig. 9(b) il rivestimento è presente (anche se non è raffigurato per non falsare il raffronto tra i campi di pressione nelle due immagini). Dalla comparazione tra i due casi si evince immediatamente che la pressione media sull’estradosso del profilo è più alta nel caso in cui il rivestimento è presente. Questo si traduce in una minore caduta di pressione e quindi in una ridotta resistenza al moto del profilo alare. Nel caso di fig. 9 (b) la scala caratteristica del periodo del rivestimento è stata scelta pari a Tstruttura= Tfluido.

Infine, in fig. 10 (immagine superiore) è rappresentata l’evoluzione nel tempo (reso adimensionale con il rapporto tra la corda e la velocità del profilo) del coefficiente di resistenza Cdrag(o Cdin breve) per il caso in cui Tstruttura= Tfluido. Si osserva una riduzione del coefficiente medio di resistenza di circa 10% rispetto al caso senza rivestimento. Nell’immagine inferiore della fig. 10 si osserva un paragone tra il caso senza elementi di controllo (etichettato come “Cd ref”, linea tratteggiata) e altri quattro casi scelti con scale di tempo caratteristiche delle setole diversi tra di loro. Dalla figura si evince come il caso etichettato “Ts = Tflow” (che corrisponde a Tstruttura= Tfluido) sia effettivamente quello che arreca maggiori benefici in termini della riduzione della resistenza al moto. Un altro effetto della presenza delle setole è la stabilizzazione del moto, come si può arguire osservando la riduzione dell’ampiezza delle oscillazioni di Cd.

Altre simulazioni effettuate al variare del numero di Reynolds dimostrano che la migliore interazione tra le setole e il moto fluido si ottiene generalmente quando si instaura una risonanza fondamentale (Tstruttura= Tfluido), ad eccezione dei casi in cui il numero di Reynolds sia piuttosto basso (inferiore a circa 1000). Ad esempio per il caso del moto dietro un cilindro a Re = 200 si è trovato una risposta ottima per Tstruttura= Tfluido/3.

Da quanto sopra esposto si può dunque comprendere come il metodo dell’invenzione ed il rivestimento per la sua attuazione, basati sull’uso di setole opportunamente flessibili, risolva il problema tecnico che è alla base dell’invenzione.

Infatti le setole rappresentano un mezzo di tipo passivo, cioè che non richiede alcun apporto di energia esterna, per ridurre la resistenza all’avanzamento di un corpo rivestito con esse.

Le setole possono inoltre essere realizzate con costi limitati usando materiali disponibili in commercio e possono assicurare una durata lunga di funzionamento, richiedendo una manutenzione limitata o anche nulla a seconda del tipo di applicazione.

A tale riguardo si segnala che il metodo di rivestimento secondo l’invenzione si presta ad essere vantaggiosamente impiegato su oggetti in movimento relativo in un fluido, vale a dire sia oggetti che si muovono di per sé come ad esempio veicoli di qualunque genere, terrestre, aereo o marino.

Pertanto negli autoveicoli il rivestimento sarà preferibilmente applicato in zone non visibili (come il fondo oppure vicino alle ruote), dato che potrebbe alterare l’aspetto esteriore; per quanto riguarda gli aerei si potrà usare il rivestimento sulle ali o sugli alettoni, questi ultimi avendo dimensioni limitate, mentre per i natanti si potranno applicare le setole sulle chiglie di imbarcazioni, sui timoni e quant’altro.

Bisogna inoltre considerare che il rivestimento può comunque essere utilizzato vantaggiosamente anche su oggetti statici, investiti da correnti fluide: si pensi in tal senso a costruzioni quali ponti, grattacieli e quant’altro.

Numerose altre applicazioni dell’invenzione potranno poi riguardare oggetti e parti di macchine in movimento; così le setole potranno servire per rivestire alcune zone delle pale dei generatori eolici oppure delle giranti di pompe, turbine ecc.

Tutte queste varianti rientrano comunque nelle rivendicazioni che seguono.

Claims (21)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per ridurre la resistenza di avanzamento di un corpo in un fluido, caratterizzato dal fatto di rivestire almeno una parte della superficie del corpo (1) con una pluralità di setole (3) flessibili.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui dette setole (3) sono disposte in corrispondenza delle regioni di distacco incipiente dei vortici della scia.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il periodo (Tfluido) di distacco dei vortici è sostanzialmente proporzionale al periodo (Tstruttura) di risonanza delle setole (3).
4. 4. Metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui il volume delle setole (3) rispetto al volume (V) dello spazio definito come V = A x h (A è l’area del corpo coperta dalle setole e h è la loro altezza in assenza di moto nel fluido), è compreso tra 0,001 e 0,01.
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui il rapporto tra il volume delle setole (3) e quello dello spazio occupato dal rivestimento è decrescente con il numero di Reynolds.
6. 6. Metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui il materiale costituente le setole presenta una densità (ρ) compresa tra 200 kg/m<3>e 1000 kg/m<3>per il caso di moto di un corpo in aria.
7. 7. Metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui il materiale costituente dette setole presenta una densità (ρ) compresa tra 2000 kg/m<3>e 8000 kg/m<3>quando il fluido è acqua.
8. 8. Metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui il materiale delle setole (3) presenta un modulo di elasticità (E) collegato al periodo di risonanza (Tstruttura) delle setole (3) dalla seguente relazione: (Tstruttura) = 7.15 h<2>ρ<0.5>/ (d E<0.5>).
9. 9. Metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui il materiale delle setole (3) comprende uno o più tra i seguenti: acciai inossidabili, alluminio, fibre di carbonio o kevlar per il moto in fluidi liquidi.
10. 10. Metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 8, in cui il materiale delle setole (3) comprende uno o più tra i seguenti: cheratina, PVC, policarbonati o poliolefine per il moto in fluidi gassosi.
11. 11. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui dette setole 3 presentano una altezza h pari a circa due volte lo spessore dello strato limite laminare prima che avvenga il distacco dei vortici, nella zona di separazione dei vortici.
12. 12. Metodo secondo la rivendicazione 11, in cui l’altezza h delle setole (3) h ≈ α L Re<-0.5>, con α costante di proporzionalità, L una lunghezza caratteristica del corpo investito dal moto, Re il numero di Reynolds (basato sulla velocità imperturbata, la lunghezza caratteristica L e la viscosità cinematica).
13. 13. Rivestimento (2) atto a ridurre la resistenza di avanzamento di un corpo in un fluido caratterizzato dal fatto di comprendere una pluralità di setole (3) flessibili.
14. 14. Rivestimento secondo la rivendicazione 13, in cui le setole (3) sono realizzate in uno o più dei seguenti materiali: acciai inossidabili, alluminio, fibre di carbonio o kevlar per il moto in fluidi liquidi; cheratina, PVC, policarbonati o poliolefine per il moto in fluidi gassosi.
15. 15. Rivestimento secondo la rivendicazione 13 o 14, in cui il volume delle setole (3) rispetto al volume (V) dello spazio definito come V = A x h (dove A è l’area del corpo coperta dalle setole e h è la loro altezza in assenza di moto nel fluido), è compreso tra 0,001 e 0,01.
16. 16. Rivestimento secondo la rivendicazione 15, in cui il rapporto tra il volume delle setole (3) e quello dello spazio occupato dal rivestimento è decrescente con il numero di Reynolds.
17. 17. Rivestimento secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui il materiale costituente le setole presenta una densità (ρ) compresa tra 200 kg/m<3>e 1000 kg/m<3>per il caso di moto di un corpo in aria.
18. 18. Rivestimento secondo una qualunque delle rivendicazioni da 13 a 16, in cui il materiale costituente dette setole presenta una densità (ρ) compresa tra 2000 kg/m<3>e 8000 kg/m<3>quando il fluido è acqua.
19. 19. Veicolo terrestre, aereo o marino, caratterizzato dal fatto di comprendere un rivestimento di una sua porzione, secondo una qualunque delle rivendicazioni da 13 a 18.
20. 20. Costruzione civile quale un ponte, un edificio e simili, caratterizzata dal fatto di comprendere un rivestimento di una sua porzione, secondo una qualunque delle rivendicazioni da 13 a 18.
21. 21. Organo di macchina quale una pala di una girante, uno statore di una macchina a fluido e simili, caratterizzato dal fatto di comprendere un rivestimento di una sua porzione, secondo una qualunque delle rivendicazioni da 13 a 18.