SIMULAZIONE FLUIDODINAMICA DI UN MODERNO AEREO CIVILE IN CONDIZIONI DI ATTERRAGGIO

A large part of industrial research in aircraft and engine design and manufacturing involves optimizing and enhancing existing technologies to reduce emission, noise and fuel consumption. One of the key ideas on which Rolls-Royce decided to invest is the UltraFan™, a concept 2.5-shaft of high bypass ratio engine. One of the UltraFan™ features is the generation of reverse thrust using a Variable Pitch Fan (VPF) system, which promises benefits in drag and weight reduction, and in reverse thrust generated. The synergy between Cranfield UTC and Rolls-Royce aims at establishing a complete 3D-CFD model to study the engine aerodynamics with this device. This thesis project, in cooperation with a parallel one, intends to investigate the external aerodynamic of a whole aircraft model during landing in direct thrust; simulations in reverse thrust condition will use this work as a starting point. To do this, an axisymmetric nacelle and a pylon have been modelled with CATIA, and joined to a scaled model of the DLR-F11 aircraft. An adequate computational domain has been defined, and a prevalently unstructured mesh created. After having obtained appropriate boundary conditions, three sets of simulations have been run, examining different landing speed, ambient temperatures, and airport altitudes. The force and the flow properties have been analysed: the presence of complex turbulent regions around the pylon, the nacelle and the wake, have been detected. Both lift and drag tend to increase with the velocity, while they decrease with temperature and altitude. In this case, a consistent effect of mass flow variation has been observed. Net thrust provided decreases with increasing velocity and altitude, slightly increases with temperature increase.

Gran parte della ricerca nella progettazione di aerei e motori aeronautici si occupa di ottimizzare e migliorare le tecnologie esistenti per la riduzione di emissioni, rumore e comsumi. Una delle idee chiave su cui Rolls-Royce ha deciso di investire è l’ UltraFan ™, un innovativo motore ad alto bypass ratio. Una delle caratteristiche dell’ UltraFan ™ è la generazione di spinta inversa utilizzando un Fan a passo variabile (VPF), che permette benefici in riduzione di resistenza e peso, e nella quantita’ di spinta realizzata. La collabotrazione tra Cranfield UTC e Rolls-Royce mira a preparare un modello completo per studiare con la CFD l'aerodinamica del motore con questo dispositivo. Questo progetto di tesi, in cooperazione con un lavoro parallelo, intende indagare l'aerodinamica esterna di un intero velivolo durante l'atterraggio in spinta normale; questo lavoro sara’ il punto di partenza per le simulazioni in condizioni di spinta inversa. A tale scopo, una nacelle assialsimmetrica e un pilone sono stati modellati con CATIA e uniti ad un modello in scala del prototipo DLR-F11. E’ stato definito un opportuno dominio di calcolo, riempito con una mesh prevalentemente non strutturata. Dopo aver ottenuto condizioni al contorno appropriate, sono stati eseguite tre serie di simulazioni, esaminando diverse velocità, temperature ambiente e altitudini. Sono state analizzate le proprieta’ del flusso e le forze, rilevando la presenza di complesse regioni turbolente intorno al pilone, la nacelle e nella scia. Sia portanza che resistenza tendono ad aumentare con la velocità, mentre diminuiscono con la temperatura e l'altitudine. In questo caso, è stato osservato un effetto costante di variazione della portata di massa elaborata dal motore. La spinta prodotta diminuisce alll'aumentare della velocità e altitudine, mentre aumenta leggermente con l'aumento della temperatura.