La strumentazione, composta da un nuovo sistema di telecamere ad alta velocità, espande le capacità del Centro per la ricerca e l'ingegneria nella tecnologia aerodinamica
Comprendere il comportamento del flusso e l'acustica del flusso, sia sott'acqua che in aria, è fondamentale per progettare e costruire veicoli più silenziosi, veloci ed efficienti dal punto di vista energetico per il mare e il cielo.
Numerose strutture di ingegneria della Virginia Tech dedicano le proprie risorse alla ricerca e all'istruzione relative al flusso e all'acustica del flusso. A causa della vicinanza dell'università a diversi laboratori navali nella regione dell'Atlantico centrale, Virginia Tech è da tempo impegnata a costruire e sostenere la ricerca con rilevanza diretta per la Marina degli Stati Uniti e investire in strumentazione che spingerà le capacità di ricerca in anticipo.
Per un importante istituto di ricerca che collabora con la Marina, è anche fondamentale sviluppare una pipeline di ingegneri qualificati che entreranno a far parte della forza lavoro e sosterranno la missione del Dipartimento della Difesa.
Virginia Tech ha recentemente ricevuto 391.000 dollari attraverso il Programma di Strumentazione per la Defense University Research Instrumentation Program (DURIP) del Dipartimento della Difesa. La sovvenzione sostiene l'acquisto di ulteriori telecamere di ricerca e hardware per il flusso ad alta velocità e la misurazione acustica del flusso presso la galleria del vento di stabilità (Stability Wind Tunnel) (01), il laboratorio avanzato di propulsione e potenza (Advanced Propulsion and Power Lab) (02) e il laboratorio di cavitazione, propulsione e flusso multifase (Multiphase Flow Laboratory). (03)
La flessibilità delle nuove attrezzature da condividere e utilizzare in tutte e tre le strutture garantirà che un gran numero di studenti possa essere addestrato all'uso di questa tecnologia all'avanguardia.
Il premio altamente competitivo è il risultato di un concorso di merito per il finanziamento DURIP condotto dall'Ufficio di ricerca dell'esercito, dall'Ufficio di ricerca navale e dall'Ufficio di ricerca scientifica dell'aeronautica.
Parliamo di flusso
I flussi di fluido sono classificati come laminari o turbolenti e i loro comportamenti sono drasticamente diversi. I flussi laminari sono regolari e aerodinamici, mentre i flussi turbolenti sono irregolari e caotici.
Ad esempio, quando un flusso turbolento colpisce lo scafo della fusoliera di un aereo, la forza provoca vibrazioni, con conseguente rumore all'interno della cabina. Per un'accurata modellazione dei fluidi nella fluidodinamica computazionale, ingegneri e progettisti devono avere una comprensione profonda e completa di questi movimenti turbolenti.
«La nostra visione è misurare tutto, ovunque, ogni volta», ha affermato il dottor William Devenport (04), professore di ingegneria di Crofton e direttore del Virginia Tech Stability Wind Tunnel. «Per i tipi di problemi che il nostro team sta affrontando - fluttuazioni di pressione negli strati limite, suoni prodotti da un rotore che taglia la turbolenza o cavitazione - ci sono complesse proprietà nascoste del flusso e dell'acustica del flusso che dobbiamo cercare».
Il nuovo sistema di telecamere ad alta velocità fa parte di una seconda fase nella creazione di capacità di misurazione del flusso ottico che sfruttano appieno le strutture riconosciute a livello internazionale. Nel 2018, come parte di un precedente premio DURIP, i ricercatori hanno acquistato un sistema di velocimetria di imaging di particelle planari per condurre misurazioni del campo di flusso su tutto il piano a una velocità senza precedenti a piena risoluzione di 25.600 fotogrammi al secondo. Durante gli esperimenti, i ricercatori possono aggiungere particelle, far brillare un foglio laser attraverso il flusso e catturare i risultati su video ad alta velocità. Confrontando ogni fotogramma, il team può vedere come si muovono e si comportano le particelle e può determinare la velocità, la velocità del flusso e la direzione.
L'aggiunta di due nuove telecamere e software ad alta velocità espande le capacità di misurazione del sistema per fornire una vista 3D, acquisendo così un livello più avanzato di risoluzione della misurazione del flusso e di elaborazione del tracciamento delle particelle. Vedere il flusso in 3D è la chiave per capire perché si comporta in quel modo, perché la turbolenza si muove e interagisce in 3D.
I sistemi hardware e software per computer ad alta velocità aumenteranno l'efficienza delle misurazioni, consentendo ai ricercatori di acquisire dati statisticamente convergenti in un tempo molto più breve rispetto alle misurazioni convenzionali. Questa caratteristica è fondamentale perché l'efficienza della misurazione è un importante moltiplicatore di produttività nella ricerca fondamentale sul flusso e sull'acustica del flusso.
Promuovere la ricerca in corso e futura
«Sebbene esistano sistemi simili al nostro in altre strutture di ricerca, la nostra applicazione della strumentazione, in particolare nella galleria del vento di stabilità, ci posiziona all'avanguardia», ha affermato William Devenport. «L'utilizzo di questo nuovo sistema in una galleria del vento acustica, in combinazione con le capacità uniche esistenti della struttura, ci consente di osservare il flusso e l'acustica del flusso in modi senza precedenti».
Le capacità potenziate avranno un impatto diretto su una serie di progetti di ricerca in corso e proposti sponsorizzati dall'Office of Naval Research.
Il dottor Devenport e il professor Todd Lowe (05) stanno studiando insieme un progetto sulla forma e la fonte delle fluttuazioni di pressione causate dalla turbolenza vicino allo scafo o alla fusoliera di un veicolo. Per visualizzare matematicamente la fonte di queste pressioni è necessaria la misurazione simultanea delle velocità del flusso ovunque in un volume del flusso in funzione del tempo. La nuova apparecchiatura renderà tutto ciò possibile per la prima volta e sarà utilizzato insieme all'innovativo array di sensori risonanti della Stability Wind Tunnel. Comprendere i dettagli e l'origine di queste fluttuazioni di pressione migliorerà la precisione con cui è possibile prevedere le vibrazioni della fusoliera o dello scafo indotte dal flusso, consentendo lo sviluppo di aeroplani con rumore di cabina ridotto.
Il dottor Devenport e l'assistente professore W. Nathan Alexander (06) stanno studiando la risposta aeroacustica dei sistemi di rotori che ingeriscono turbolenza. Quando le eliche di un aeroplano o di un veicolo autonomo senza pilota ingeriscono turbolenze, producono un rumore che può essere radicalmente modificato durante il decollo e l'atterraggio. Il sistema di velocimetria di tracciamento delle particelle 2D (PTV) verrà utilizzato per visualizzare i dettagli dei disturbi transitori mentre vengono risucchiati in un'elica. Contemporaneamente, il team misurerà il suono irradiato dal rotore utilizzando una serie di 251 microfoni. La comprensione di entrambi aiuterà a identificare direttamente i componenti della turbolenza responsabili dei rumori più forti e fornirà ai progettisti le informazioni di cui hanno bisogno per progettare veicoli più silenziosi.
Nel laboratorio di cavitazione, propulsione e flusso multifase, il professor Olivier Coutier-Delgosha (07) sta studiando la cavitazione, o la vaporizzazione dell'acqua, nelle eliche o nelle appendici delle navi ad alta velocità e come influisce sull'aumento della velocità e sui limiti dell'efficienza dell'elica. Il nuovo sistema PTV sarà combinato con immagini a raggi X veloci a 270.000 hertz e una risoluzione spaziale di 1 micrometro, per risolvere l'evoluzione temporale di tutte le bolle di cavitazione. I dati ad alta velocità acquisiti consentiranno al team di visualizzare in che modo le perturbazioni provenienti dalla scia dello scafo e la rugosità della superficie influiscono sul campo di flusso sulle pale dell'elica o sui timoni, nonché sulle instabilità del flusso generate dalla cavitazione.
Ciascuno di questi progetti di ricerca rientra nel Center for Research and Engineering in Aero/Hydrodynamic Technology (08) e nel Kevin T. Crofton Department of Aerospace and Ocean Engineering. (09)
Conduttura educativa
«La formazione alla ricerca per studenti laureati è di fondamentale interesse per la Navy and the Department of Defense», ha affermato Devenport. «Grazie all'esperienza degli studenti nella partecipazione a questo tipo di ricerca, sono pronti a diventare leader e innovatori una volta entrati nel mondo del lavoro. La Marina vede valore nello sviluppo del gasdotto e si impegna a investire nella ricerca educativa per vederlo prosperare».
Gli studenti laureati coinvolti in progetti di ricerca che utilizzano questo nuovo sistema di misurazione (10) apprenderanno competenze essenziali nel funzionamento di tecniche diagnostiche ottiche ad alta velocità e ad alta risoluzione, insieme all'elaborazione dei dati associata, ampliando così la loro comprensione della fisica del flusso in una varietà di condizioni.
Inoltre, la galleria del vento di stabilità è dedicata a presentare agli studenti universitari le tecniche più recenti e un ambiente di test realistico su larga scala ospitando esperimenti di laboratorio universitari attraverso corsi nei dipartimenti di ingegneria aerospaziale e oceanica e ingegneria meccanica. Questi esperimenti in genere coincidono con progetti di ricerca sponsorizzati per esporre gli studenti universitari alla portata di un tale progetto, contribuendo anche direttamente allo sforzo di ricerca.
Riferimenti:
(01) Virginia Tech Stability Wind Tunnel
(02) Advanced Propulsion and Power Lab
(03) Multiphase Flow Laboratory
(04) William Devenport
(05) Todd Lowe
(06) W. Nathan Alexander
(08) Center for Research and Engineering in Aero/Hydrodynamic Technology
(09) Kevin T. Crofton Department of Aerospace and Ocean Engineering
(10) Integrating research projects and undergraduate education at the wind tunnel - Virginia Tech - Video
Descrizione foto: Gli studenti laureati fanno brillare i laser attraverso i flussi d'aria e catturano i risultati su video ad alta velocità all'interno della sezione di prova della Stability Wind Tunnel. Confrontando ogni fotogramma, il team può vedere come si muovono e si comportano le particelle nel flusso e determinare la loro velocità, velocità del flusso e direzione. - Credit: Ray Meese for Virginia Tech.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Instrumentation expands capabilities at Center for Research and Engineering in Aero/Hydrodynamic Technology