gallerìa (aerodinamica)
Indice
Descrizione generale
Le gallerie aerodinamiche vennero realizzate per la prima volta verso l'inizio del sec. XX ed ebbero un'enorme importanza nel determinare un'impostazione dei problemi aerodinamici svincolata, almeno in parte, dalle insoddisfacenti formulazioni teoriche dell'epoca: oggi sono molto usate anche per prove relative a veicoli terrestri, edifici, ponti, in funzione delle sollecitazioni loro imposte da masse d'aria in movimento. Le gallerie aerodinamiche sono impianti aventi lo scopo di produrre correnti d'aria che vengono dirette su aeromobili, o più frequentemente su modelli in scala dei medesimi, su cui è possibile eseguire misure di forze, di pressioni, di temperature, ecc. in modo da trarre previsioni su quello che sarà il comportamento dell'aeromobile in volo. La tecnica di sperimentazione, ormai estremamente raffinata, si basa sul principio di reciprocità, il quale afferma che le azioni aerodinamiche che un aeromobile incontra nel suo moto in seno all'atmosfera sono le medesime che si manifestano quando l'aeromobile, fermo, viene investito da una corrente d'aria tale che le velocità relative aeromobile-aria siano le medesime in entrambi i casi. La possibilità di utilizzare apparecchiature di misura collegate all'oggetto della prova aumenta notevolmente le possibilità della sperimentazione riducendo altresì tempi, costi e rischi della sperimentazione rispetto a quelli che si dovrebbero affrontare ricorrendo alle prove di volo su aerei a grandezza reale. Una corretta interpretazione dei fenomeni aerodinamici, così come desunta dalle esperienze nella galleria aerodinamica, richiede, peraltro, che le prove rispettino fedelmente il fenomeno al vero. È perciò necessario che, oltre alla similitudine geometrica tra l'aeromobile e il suo modello, siano rispettate la similitudine aerodinamica, quella relativa ai valori delle masse e alla loro distribuzione (per le prove in cui il modello sia libero di muoversi), e quella tra le caratteristiche elastiche nelle esperienze su fenomeni aeroelastici. Le gallerie aerodinamiche possono classificarsi, oltre che per la loro architettura, per le velocità che in esse si raggiungono e per le loro caratteristiche di funzionamento.
Gallerie subsoniche
Sono le gallerie più diffuse; impiegate anche per prove su veicoli (in alcuni casi in vera grandezza), ponti, edifici, ecc., sono generalmente basate sugli schemi Eiffel o Prandtl, entrambi costituiti da un condotto, percorso da una corrente d'aria accelerata da un'elica, la cui sezione più ristretta (in cui si raggiunge la massima velocità) funge da camera di prova; quest'ultima può essere di tipo chiuso (con contorno laterale delimitato da pareti solide), oppure di tipo aperto. Nel tipo Eiffel, o senza ritorno, l'aria che la percorre viene captata a un'estremità del condotto e scaricata dall'altro; nelle Prandtl, o con ritorno, il condotto ha forma toroidale e l'aria che abbandona la camera di prova viene nuovamente immessa nella medesima. Importante in ogni galleria. è vincere le perdite di energia che l'aria incontra nel suo moto e che crescono, a parità di tutte le altre condizioni, proporzionalmente al quadrato della velocità della corrente: si cerca conseguentemente di far in modo che i condotti abbiano la maggior sezione possibile, così da ridurre la velocità e quindi le perdite. Poiché tuttavia è importante ottenere elevate velocità nella camera di prova, l'aria viene immessa in questa attraverso un tronco di condotto, detto convergente o collettore, le cui sezioni vanno progressivamente diminuendo sino all'imbocco della camera di prova stessa: questa tecnica, e l'adozione di opportuni raddrizzatori ad alveare e di serie di reti metalliche a maglie progressivamente più fitte, permette anche di ottenere una corrente più regolare e poco turbolenta nella camera di prova. Il tronco di condotto, nelle gallerie senza ritorno, ha sezioni progressivamente crescenti e fa seguito alla camera di prova; è detto divergente e consente il ricupero di parte almeno dell'energia cinetica della corrente sotto forma di energia di pressione. Nelle gallerie con ritorno il condotto presenta usualmente dei gomiti, in numero di quattro, entro cui sono disposte schiere di alette deviatrici che consentono di ottenere la variazione di direzione della corrente senza che si debba incorrere in eccessive perdite di energia. Le eliche impiegate nelle gallerie sono generalmente azionate da motori elettrici; la regolazione della velocità della corrente viene eseguita variando il passo dell'elica (generalmente dotata di numerose pale) o, più correttamente, variandone il numero di giri. Poiché qualsiasi elica imprime alla corrente d'aria che la attraversa, oltre a un incremento di pressione (che si traduce in un aumento della velocità della vena), anche una componente rotatoria di velocità, la quasi totalità delle gallerie è munita di eliche seguite da opportune palettature raddrizzatrici, il cui scopo è appunto quello di togliere alla corrente qualsiasi componente rotatoria, che potrebbe seriamente compromettere l'esecuzione di prove accurate. In taluni casi queste gallerie hanno raggiunto dimensioni imponenti, che richiedono l'impiego di potenze molto elevate che provocano un notevole aumento della temperatura dell'aria con sensibili variazioni delle caratteristiche fisiche di questa; pertanto, nelle gallerie con ritorno è necessario prevedere o l'impiego di adeguati gruppi refrigeranti, o l'espulsione di parte dell'aria circolante, da sostituirsi con aria fresca prelevata all'esterno.
Gallerie supersoniche
Hanno architettura completamente diversa dalle precedenti perché, date le leggi della fluidodinamica delle alte velocità, la velocità sonica può essere raggiunta dall'aria (o dal gas utilizzato nell'impianto) solo dove il condotto ha sezione minima. Conseguentemente l'esecuzione di prove a velocità supersonica può ottenersi solo in una camera di prova preceduta da un condotto convergente-divergente, nella cui gola si raggiunge la velocità sonica, mentre nel tronco divergente che segue si giunge a velocità supersoniche. Un secondo tronco convergente-divergente segue la camera di prova e nella sua gola la velocità giunge nuovamente al valore sonico, decelerando fino a velocità subsoniche nel tronco divergente. Tali gallerie sono normalmente dotate di più condotti convergenti-divergenti, sostituibili secondo il numero di Mach che si vuole ottenere, o di condotti con pareti flessibili in acciaio, che possono venir adattati alle esigenze della sperimentazione prevista a diversi numeri di Mach. Poiché la pressione che la girante di una galleria supersonica deve fornire alla corrente è particolarmente elevata, in questo tipo d'impianto l'elica è di norma rimpiazzata da un compressore assiale a più stadi. Inoltre la potenza di tali gallerie è così elevata che esse vengono spesso fatte funzionare a pressione sensibilmente inferiore a quella atmosferica; per poter eseguire esperienze aerodinamiche a velocità ipersoniche si fa ricorso allora alle gallerie a funzionamento intermittente. In queste si fa pervenire, attraverso un'opportuna valvola ad apertura rapida, aria sotto pressione, contenuta in un adeguato serbatoio, al condotto convergente-divergente che precede la camera di prova (galleria tipo soffiante). La durata della prova è, però, di pochissimi secondi dato che il riempimento del serbatoio richiede un tempo piuttosto lungo: la violenta espansione che si ha nella camera di prova comporta inoltre vistose diminuzioni di temperatura nella corrente d'aria che la percorre; per ovviare all'inconveniente, rappresentato da fenomeni di condensazione di umidità, l'aria immessa nel serbatoio sotto pressione viene preventivamente essiccata e riscaldata. Altro inconveniente è che, durante la prova, si determina una progressiva diminuzione della pressione nel serbatoio per cui possono verificarsi indesiderabili variazioni di velocità della vena fluida. Ciò può essere ovviato facendo fluire l'aria che attraversa il complesso convergente-divergente – camera di prova – e aspirandola poi entro un serbatoio posto in depressione (gallerie tipo aspirante); queste ultime consentono di operare a velocità costante fintanto che nella gola del condotto convergente-divergente, che segue la camera di prova, sussistono condizioni soniche. In tutte le gallerie d'alta velocità è necessario fare in modo che le onde d'urto, che si formano sul modello, non vengano riflesse dalle pareti della camera di prova sul modello stesso, perché, in caso contrario, si verificherebbero vistose variazioni delle pressioni che agiscono sul modello e i risultati delle prove sarebbero radicalmente falsati. Per superare questo inconveniente si utilizzano camere di prova con pareti munite di opportune feritoie regolabili, che captano le onde d'urto e ne impediscono la riflessione.
Gallerie speciali (studio della caduta a vite; a fumo)
Lo studio di alcune condizioni di volo richiede l'uso di gallerie aerodinamiche speciali, quali per esempio quelle per lo studio delle caratteristiche della caduta in vite di un aereo: queste hanno asse verticale e servono a provare modelli liberi (cioè non vincolati ad apparecchiature di misura ma telecontrollati) che vengono mantenuti a una quota praticamente costante dalla corrente d'aria, proveniente dal basso con una velocità pari a quella con cui il modello scenderebbe nell'aria immobile; permettono di valutare se le caratteristiche aerodinamiche di un determinato velivolo siano favorevoli o meno all'entrata in vite e alla successiva uscita e quali siano le manovre all'uopo più convenienti. Interessanti esperienze di visualizzazione del flusso possono essere eseguite in gallerie aerodinamiche a fumo, in cui sottili fili di fumo vengono iniettati nella corrente a monte del modello, permettendo così di osservare come la corrente segua la superficie del modello in prova; a velocità soniche, o più elevate, le esperienze di visualizzazione vengono eseguite sfruttando le variazioni di densità dell'aria tipiche dei fenomeni di comprimibilità.
Gallerie del vento
Si tratta delgli impianti utilizzati per la determinazione sperimentale di forze, momenti e pressioni di origine aerodinamica che agiscono su un corpo. La rilevazione dei dati in una galleria del vento, sia il modello in prova sia quello di un aereo o di un ponte, avviene in due modi. Il primo sistema si basa sulla percezione visiva e consiste nell'osservare gli orientamenti di fili di lana o seta che hanno una estremità incollata sul modello, oppure il percorso di sottili emissioni di fumi o di fluidi colorati che fuoriescono da forellini praticati sull'oggetto in esame nei punti dove si richiede una maggiore attenzione. Se i fili o i fumi si orientano perfettamente nella stessa direzione del vento senza evidenziare vortici significa che il flusso d'aria scorre bene sulla superficie dell'oggetto e non crea resistenze o vortici. Il secondo e più importante sistema di analisi viene effettuato mediante la misurazione delle forze generate dal vento sull'oggetto allo studio. Quest'ultimo è posto su una “piattaforma dinamometrica” che misura portanza, deportanza, forze longitudinali e laterali di resistenza al flusso dell'aria. La piattaforma, girevole per controllare il comportamento anche al vento laterale, poggia su una grande “bilancia”, collocata in un locale posto sotto la sala di prova. Tutte queste misure sono registrate e analizzate da un computer. In quasi tutte le gallerie del vento esistono inoltre particolari dispositivi di misura o di correzione delle condizioni di prova. Tra i primi, una sonda manometrica posizionabile con un comando a distanza che permette la misura in un certo punto di valori di pressione e di direzione. Tra i secondi, l'impianto di controllo del cosiddetto “strato limite” per effettuare la prova in condizioni il più possibile simili alla realtà. Lo strato limite è lo spessore dell'aria che lambisce il pavimento nella zona di prova e che viene rallentato nel suo scorrimento. Fra gli altri particolari costruttivi delle gallerie del vento, assumono particolare importanza i raddrizzatori dei filetti fluidi dell'aria, la cui funzione è quella di costringerla a seguire un percorso parallelo alle pareti e impedire la formazione di vortici. Fra gli impianti di prova più versatili e moderni, ve ne sono alcuni che simulano tempeste di pioggia, neve, sabbia, grandine, l'irraggiamento solare, la nebbia. È quindi possibile riprodurre anche le condizioni ambientali più estreme, dai gelidi venti dei Poli al clima torrido e saturo di umidità dei Tropici. Il più grande impianto al mondo è quello che la NASA possiede in California, ad Ames, realizzato nel 1944 e rimodernato nel 1988; la galleriadel vento è utilizzata per collaudare sistemi di frenaggio aerodinamico delle sonde interplanetarie, manovre aeroassistite per missioni interplanetarie, navette ipersoniche. La più veloce galleriadel vento del mondo, in grado di raggiungere velocità pari a 45 volte quella del suono, si trova presso l'Università del Queensland, in Australia. Una delle maggiori gallerie del vento italiane è quella realizzata dalla Pininfarina nel 1972 per effettuarvi prove sui suoi prodotti. Tale galleria viene anche adoperata da ricercatori esterni, compresi quelli che si occupano di sport; per esempio, vi è stata provata la bicicletta del record dell'ora di F. Moser del 1986. Altre tre gallerie del vento (una aerodinamica e due per le prove climatiche) esistono dalla metà degli anni Settanta al Centro ricerche FIAT. Un'altra galleria del vento è stata costruita dalla Ferrari, a Maranello.