Caratterizzazione Aerodinamica di un nuovo Velivolo da Aviazione Generale mediante codice CFD

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Capitolo 2 
Geometria 
 
 
 
2.1  Elaborazione della geometria dell’oggetto di studio 
 
Per iniziare a lavorare sul dominio desiderato è necessario avere a disposizione una geometria 
realizzata al meglio ovvero il più possibile fedele alla realtà. Il modello geometrico viene realizzato 
con dei software CAD (Computer Aided Drafting), al giorno d’oggi essi ricoprono un ruolo di tale 
importanza da essere soggetti a continui miglioramenti pur avendo raggiunto un elevato livello di 
evoluzione tecnologica. 
Il modello CAD dovrà rappresentare fedelmente l’oggetto reale da analizzare, in questo caso un 
velivolo, ma dovrà anche essere semplificato laddove vi siano dei dettagli non rilevanti per l’analisi 
fluidodinamica. Bisogna inoltre tenere conto che la volontà di voler analizzare a fondo anche il più 
piccolo dettaglio può essere limitata dalle potenze di calcolo disponibili. 
L’importante, quando si prepara una geometria che servirà per sviluppare una Mesh, è avere delle 
superfici continue e tutte confinanti tra loro. Non devono essere presenti i cosiddetti “gaps” tra le 
superfici, ovviamente il calcolatore è limitato da un livello di tolleranza del disegno infatti una volta 
definita la tolleranza minima che si vorrà nella Mesh è importante restare al di sotto di tale valore 
nella costruzione della geometria.
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La superficie esterna del dominio dovrà essere una superficie chiusa. Questo è necessario al fine di 
creare un volume chiuso che verrà discretizzato per rappresentare la parte di fluido interessata. Se i 
confini del dominio fossero aperti nascerebbero gravi problemi durante la realizzazione della Mesh. 
Gli elementi più importanti , in questo caso, sono le superfici esterne del velivolo quindi l’intera 
fusoliera, l’ala e i piani di coda orizzontale e verticale. Alcuni dettagli possono essere analizzati a 
parte in un disegno CAD separato mentre altri possono essere integrati nel disegno principale uno 
per volta per poter studiare gli effetti di ogni singolo particolare. Bisognerà tenere conto però degli 
effetti dovuti all’interazione delle parti osservate separatamente. 
Nello studio di questo velivolo sono stati realizzati i seguenti disegni CAD: 
 Velivolo senza elica, senza carrelli e con superfici non deflesse 
 Velivolo senza elica, con carrello e con superfici non deflesse 
 Velivolo con elica, senza carrelli e con superfici non deflesse 
 Velivolo senza elica, senza carrelli e con equilibratore deflesso nelle posizioni tra 0° e -25° 
con passo di 5° 
 Impennaggio orizzontale isolato dal resto del velivolo con equilibratore deflesso nelle 
posizioni tra 0° e -25° con passo di 5°
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2.2  Elaborazione della geometria del dominio di calcolo 
 
In questo studio il dominio è rappresentato dall’aria intorno al velivolo. Nella realtà l’aria intorno al 
velivolo sarebbe quella presente in tutta l’atmosfera terrestre. Oltre all’impossibilità di poter 
rappresentare in un disegno CAD tale volume è anche importante considerare quale parte di aria 
intorno al mezzo aereo sarà influente sulla sua aerodinamica di conseguenza quanto dovrà 
estendersi il volume racchiuso dalla superficie esterna del disegno. Essendo il Robin lungo circa 7 
metri abbiamo considerato il volume nel raggio di circa 14 volte la sua lunghezza ovvero 100 metri 
intorno al velivolo in tutte le direzioni a partire dal suo baricentro. Abbiamo creato così un 
“Farfield” di forma semicilindrica, dovuto alla simmetria della parte di velivolo considerata, con 
asse parallelo all’asse x body. 
Nei casi analizzati, è stato possibile semplificare la geometria data la simmetria del velivolo. In tutti 
i casi, il vettore della velocità imposto come BC apparteneva al piano longitudinale del velivolo e 
quindi abbiamo utilizzato solo la metà del velivolo che comprende la semiala destra dal punti di 
vista del pilota ovvero nel verso positivo della direzione y degli assi body. Dovendo mantenere 
chiuso il confine del volume di aria, è stato inserito un piano detto di “Simmetria” complanare al 
piano longitudinale del velivolo. 
 
 
Figura 2. 1 - Boundary Surfaces rispetto al velivolo
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2.3  Importazione della Geometria 
 
Per procedere allo sviluppo della Mesh può essere necessario dover passare a un altro software. Non 
tutti i programmi di disegno integrano la possibilità di sviluppare una Mesh, alcuni ne hanno la 
possibilità ma non sono in grado di realizzare discretizzazioni molto precise o non sono dotati degli 
strumenti necessari o non sono adatti per certe tipologie di discretizzazione. 
Per ottenere la geometria necessaria per il SW discretizzatore è stato necessario importare il disegno 
dal SW CAD nella workbench di del SW CFD per generare una Mesh preliminare. Ottenuta questa 
è stato possibile esportare Mesh e geometria in un progetto di adatto al software per la 
discretizzazione. Una volta aperto il progetto con il software per la Mesh si elimina la griglia 
preliminare e si procede con le operazioni di controllo per verificare la corretta importazione della 
geometria precedentemente creata.
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2.4  Geometry Check 
 
Prima di iniziare a lavorare sulla creazione della Mesh è opportuno essere certi di avere davanti una 
geometria corretta. Questa deve soddisfare ancora i requisiti imposti durante la realizzazione. 
Innanzitutto bisogna tenere a mente come procede il software nella procedura di importazione del 
file. L’operazione d’importazione consiste nella ricreazione della geometria. Può accadere che per 
diversi motivi, tra cui l’incompleta compatibilità di alcuni programmi, durante la ricreazione di 
alcuni elementi possano verificarsi degli errori. Questi possono essere: 
 Mancanza di parti come punti, curve o superfici 
 Creazione di una superficie in modo differente da come era stata disegnata nel CAD 
Si tenga presente che durante l’esportazione delle informazioni non vengono trasmesse 
informazioni sulle procedure effettuate dal disegnatore per creare il disegno. 
Per procedere, dopo ogni importazione, sono stati eliminati tutti i punti, le linee e gli elementi di 
volume lasciando così intatte solo le superfici. In seguito si controllano tramite GUI le superfici per 
verificare che esse siano uguali a quelle del file generato nel CAD. Se così non fosse bisognerebbe 
ripetere il processo di importazione controllando di non commettere errori nelle procedure e se 
questo non fosse sufficiente ci si avvale dei tools geometrici del software di meshatura per 
ricostruire al meglio la superficie errata o mancante.
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2.5  Geometry Repair 
 
Il principale obiettivo del Geometry Repair è di individuare e correggere i “gaps” tra se superfici 
confinanti richiedendo come input il livello di tolleranza Per questo studio si è sempre utilizzato un 
livello di tolleranza massima di: 
0.1 mm 
 
 
Figura 2. 2 - Tolleranza tra gli spigoli di due superfici 
 
Le linee e i punti sono ricreati a seconda della prossimità tra bordi delle superficie Le curve sono 
visualizzate con un colore specifico che mostra la informazioni di connessione con le superfici. 
Vengono così identificati: 
 Single or free edge curves adiacenti ad una sola superficie 
 Double edge curves adiacenti a due superfici 
 Multiple edge curves adiacenti a tre o più superfici. 
 Unattached curves, linee libere non adiacenti ad una superficie
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2.5.1 Normali delle superfici 
 
Si controllano i versori delle superfici in modo che le normali siano orientate tutte o verso l’esterno 
o verso l’interno. 
Se le orientazioni delle facce delle superfici non fossero tutte congruenti, successivamente, in fase 
di calcolo della soluzione si otterrebbero degli errori da parte del solutore, che crasherebbe, oppure 
delle inesattezza matematiche nella soluzione causate da problemi di versori errati del flusso. 
 
 
Figura 2. 3 - Visualizzazione grafica delle normali congruenti sulle superfici 
 
Er controllare che tutte le normali abbiano orientamenti congruenti tra loro si può utilizzare 
l’interfaccia grafica. Quando il tool farà vedere tutte le superfici con la stessa colorazione, allora 
avremmo ottenuto il risultato desiderato.
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2.6  Organizzazione delle parti 
 
Completate tutte le procedure per rendere pronta la geometria, si devono organizzare gli elementi in 
gruppi geometrici chiamati parti. Queste permetteranno di ottenere con maggiore semplicità risultati 
del post-processing sulla sola parte desiderata. 
 
2.6.1 Superfici 
 
Per una facile identificazione nell’albero logico di questi elementi, i nomi sono stati fatti precedere 
dal prefisso. 
S_ 
La suddivisione in parti delle superfici viene anche ereditata dal software che si occuperà del 
processing e del post-processing. Questo significa si potranno ottenere risultati separati per le varie 
parti del velivolo, quindi questa semplice operazione diventa estremamente significativa per 
discernere dal totale i carichi agenti sull’ala, sugli impennaggi, sul carrello e sulla fusoliera.
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La geometria è stata suddivisa nelle seguenti parti: 
 
 Ala interna (angolo dietro nullo) superiore ed inferiore 
 Ala esterna (angolo diedro positivo) superiore ed inferiore 
 Ala tip (parte terminale dell’ala) superiore ed inferiore 
 Vertical Tail 
 Horizontal Tail superiore e inferiore 
 Fillet (tra l’ala e la fusoliera) superiore ed inferiore 
 Elevator superiore e inferiore 
 Canopy Laterale 
 Canopy Frontale 
 Main Gear 
 Nose Gear 
 Body, comprendente tutte le superfici rimanti della fusoliera 
 Piano di Simmetria 
 Confini del Farfield 
 
 
Figura 2. 4 - Visualizzazione grafica delle parti
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Alcune parti, come ad esempio l’ala, sono state divise in superiore ed inferiore anche per poter 
risolvere una comune problematica del generare la Mesh di zone che presentano uno spigolo molto 
acuto. 
 
2.6.2 Curve 
 
Per una facile identificazione nell’albero logico di questi elementi, i nomi sono stati fatti precedere 
dal prefisso: 
L_ 
Durante la generazione della Mesh il software crea dei nodi sulle linee quindi è molto importante 
isolare e classificare i gruppi di linee che definiscono un confine importante, come tra l’ala e il 
fillet. Inversamente può essere utile eliminare alcune curve laddove non si ritiene opportuno 
vincolare la creazione della Mesh lungo una linea. 
I gruppi di linee sono stati creati: 
 Su bordi di attacco dell’ala, del piano orizzontale di coda 
 Sui bordi di fuga dell’ala, del piano orizzontale di coda 
 Al confine di due distinte superfici o parti contenenti superfici 
 Sul bordo del Farfield piano di simmetria agli estremi del dominio  
 
2.6.3 Punti 
 
Tutti i punti sono stai raggruppati in un’unica parte chiamata: 
P_All 
Poiché non è stata considerata necessaria una sottoclassificazione dei punti.