La combinazione di flap ingegnerizzati con altre strutture ispirate alle ali di gabbiano migliora la portanza, riduce lo stallo nelle pale delle turbine eoliche
L'energia eolica si basa su efficienti pale eoliche, che fungono da profili alari, strutture simili all'ala di un aeroplano. Gli accessori per il controllo del flusso d'aria simili a quelli che si trovano negli aerei migliorano le prestazioni aerodinamiche della pala della turbina. Un profilo alare con una buona stabilità e un elevato rapporto portanza-resistenza può migliorare efficacemente la stabilità e le prestazioni aerodinamiche della pala della turbina eolica.
Ispirandosi alle eccellenti prestazioni di planata delle ali di gabbiano, il profilo e la struttura unici di queste ali vengono prima estratti per ristrutturare il profilo aerodinamico bionico. Quindi, viene introdotto l'accessorio di controllo del flusso che combina il lembo bionico e il lembo Gurney per migliorare ulteriormente le prestazioni aerodinamiche statiche e dinamiche del profilo alare del gabbiano bionico.
Nel Journal of Renewable and Sustainable Energy, (1) di AIP Publishing, gli scienziati cinesi mostrano che un approccio bionico che combina le caratteristiche dell'ala di un gabbiano con un accessorio di controllo del flusso ingegnerizzato, noto come Gurney flap (lembo di Gurney), può migliorare notevolmente le prestazioni della turbina eolica.
Un lembo di Gurney è una piccola linguetta che sporge ad angolo retto dal bordo d'uscita di un'ala. La sua presenza disturba i flussi del vento ed è particolarmente efficace nel migliorare le prestazioni ai bassi angoli di attacco. In aerodinamica, l'angolo di attacco è l'angolo tra una linea attraverso il centro dell'ala di un aeromobile e il flusso d'aria in arrivo.
Sebbene i lembi di Gurney migliorino le prestazioni dei profili alari con angoli di attacco bassi, non sono molto adatti angoli di attacco più ampi. La ricerca ha dimostrato che sebbene i lembi di Gurney possano migliorare significativamente le prestazioni delle turbine eoliche in alcune situazioni, la velocità della turbina sarà ridotta.
Il controllo del flusso bionico è un approccio relativamente nuovo che imita i sistemi di controllo del volo biologico, in altre parole, ali e piume. L'idea nasce dall'osservazione che durante l'atterraggio o in una raffica di vento, le piume sulla sommità delle ali di un uccello salteranno fuori, creando un lembo naturale.
Studi computazionali e sperimentali mostrano che i lembi ispirati alla piuma bionica possono aumentare la portanza e ritardare l'inizio dello stallo ad alti angoli di attacco. Nonostante i loro vantaggi, l'aggiunta di lembi bionici può anche ridurre la portanza, in particolare prima che si stabilisca uno stallo. Pertanto, i ricercatori hanno provato un approccio che combina i lembi di Gurney con caratteristiche bioniche.
Per ottenere le migliori prestazioni aerodinamiche, gli scienziati hanno simulato l'uso dell'accessorio per il controllo del flusso combinato in una varietà di situazioni, inclusi angoli di attacco alti e bassi e scenari pre e post stallo. Hanno confrontato le loro simulazioni computazionali con risultati sperimentali per l'ala di un aeromobile che subisce uno stallo dinamico.
«L'andamento generale della curva di portanza calcolata è in buon accordo con i risultati della misurazione sperimentale. Pertanto, la nostra accuratezza della simulazione è considerata accettabile, perché lo stallo dinamico e il suo controllo sono notoriamente difficili da prevedere», ha affermato l'autrice Xiaomin Liu. (2)
Secondo la dottoressa Xiaomin Liu, l'accessorio di controllo del flusso combinato migliora efficacemente il coefficiente di portanza del profilo alare. «Per angoli di attacco compresi tra 16 e 24 gradi, il coefficiente di portanza massimo del profilo alare viene aumentato del 15% quando viene utilizzata una combinazione di flap Gurney e flap bionico».
Journal of Renewable and Sustainable Energy è una rivista interdisciplinare che pubblica in tutte le aree rilevanti dell'energia rinnovabile e sostenibile per le comunità di scienze fisiche e ingegneria. Gli argomenti trattati includono l'ambito solare, eolico, biocarburanti e altro, nonché integrazione delle energie rinnovabili, meteorologia e climatologia energetica, risorse rinnovabili e previsioni. (3)
Riferimenti:
(2) Xiaomin Liu
(3) Journal of Renewable and Sustainable Energy
Descrizione foto:
Foto sinistra: Modelli di flusso d'aria attorno a un lembo di Gurney. - Credit: Liming Wu, Xiaomin Liu, Yang Liu, and Guang Xi.
Foto destra: L'accessorio combinato per il controllo del flusso migliora efficacemente il coefficiente di portanza del profilo alare nella regione pre-stallo e post-stallo. - Credit: Liming Wu, Xiaomin Liu, Yang Liu, and Guang Xi.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Bionic Wing Flaps Improve Wind Energy Efficiency