La conoscenza dell'aerodinamica è un elemento indispensabile nel bagaglio culturale di un ingegnere aerospaziale. La comprensione degli aspetti fondamentali alla base della generazione delle forze aerodinamiche che agiscono su un aeromobile è necessaria qualunque sia il percorso nel quale i futuri ingegneri si specializzeranno.
L'insegnamento "Aerodinamica Applicata", rivolto agli studenti che frequentano il terzo anno della Laurea in Ingegneria Aerospaziale nel percorso "EASA Part 66", si propone di fornire gli elementi base dell'aerodinamica applicata agli aeromobili, dal regime subsonico fino al regime supersonico.
Dopo la derivazione, l'analisi e la spiegazione del significato fisico delle equazioni che governano l'aerodinamica, il corso si concentrerà sui principali modelli che portano alla determinazione delle forze sui profili alari e sulle ali. A differenza dell'insegnamento "Aerodinamica" rivolto al percorso "generalista", nell'insegnamento "Aerodinamica Applicata" viene anche proposta un'introduzione ad argomenti che saranno in seguito in parte approfonditi nell'eventuale successivo percorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Aerospaziale, quali l'aerodinamica del regime transonico e supersonico, e i metodi ingegneristici di stima delle forze aerodinamica su una configurazione di velivolo completo.
Le esercitazioni compendiano i temi descritti a lezione con applicazioni pratiche nelle quali gli studenti applicano i concetti appresi a lezione per ottenere risultati quantitativi in applicazioni realistiche, appoggiandosi a strumenti analitici e numerici.
Knowledge of aerodynamics is an indispensable element in the cultural background of an aerospace engineer. Understanding the fundamental aspects underlying the generation of aerodynamic forces acting on an aircraft is necessary, whatever path future engineers will choose.
The teaching "Applied Aerodynamics," aimed at students in the third year of the Aerospace Engineering degree in the "EASA Part 66" pathway, aims at providing the fundamental elements of aerodynamics applied to aircraft, from the subsonic to the supersonic regime.
After the derivation, analysis, and explanation of the physical meaning of the equations governing aerodynamics, the course will focus on the principal models leading to the determination of forces on airfoils and wings. In contrast to the "Aerodynamics" course, which is part of the "generalist" track, the "Applied Aerodynamics" course also offers a preliminary introduction to topics covered in the eventual, subsequent Master of Science in Aerospace Engineering degree track. These are the aerodynamics of the transonic and supersonic regimes and engineering methods of estimating aerodynamic forces on a complete aircraft configuration.
Exercises summarize the topics described in the lectures with practical applications where students apply the concepts they learned to obtain quantitative results in actual cases, relying on analytical and numerical tools.
Al termine dell’insegnamento si chiederà allo studente di:
- conoscere le leggi che descrivono l'aerodinamica e il loro significato fisico;
- conoscere il significato dei parametri adimensionali che definiscono i vari regimi aerodinamici e consentono in alcuni casi di applicare ipotesi semplificative;
- conoscere i principali modelli di fluido e i loro limiti di applicazione;
- conoscere i principali modelli matematici adeguati alla valutazione preliminare delle forze e dei momenti aerodinamici su profili alari e ali;
- conoscere gli effetti della viscosità di un fluido su un campo aerodinamico e in particolare nella generazione delle forze aerodinamiche;
- conoscere gli aspetti fondamentali dei regimi di moto subsonico incompressibile e compressibile, transonico e supersonico;
- applicare le conoscenze acquisite per risolvere problemi del tipo proposto durante le esercitazioni.
Ability to determine the aerodynamic forces acting on the aircraft and to evaluate their dependence on geometric and fluid dynamics parameters that characterize a given configuration.
Elementi di calcolo differenziale e integrale e principi di fisica di base acquisiti nei vari insegnamenti di matematica e fisica del biennio precedente e nell'insegnamento "Termodinamica applicata e trasmissione del calore".
Elements of differential and integral calculus, basics of physics.
L'insegnamento è articolato in sette parti.
Parte I - Le equazioni di governo della fluidodinamica per un fluido generico (circa 10 ore).
Parte II - Le equazioni di governo della fluidodinamica nella loro approssimazione per un fluido non viscoso e incomprimibile (circa 10 ore).
Parte III. Aerodinamica di un fluido non viscoso e incomprimibile applicata a flussi bidimensionali e in particolare ai profili alari (circa 10 ore).
Parte IV. Effetti diffusivi (viscosi) in prossimità di parete, teoria dello strato limite, i concetti di flusso laminare e turbolento e di transizione tra flusso laminare e turbolento (circa 8 ore).
Parte VI. Estensione dell'aerodinamica non viscosa e incomprimibile (Parte III) a flussi tridimensionali, in particolare alle ali dei velivoli (circa 3 ore).
Parte VI. Effetti di comprimibilità nei gas in regime subsonico, transonico e supersonico: introduzione alle fenomenologie e alla loro modellizzazione (circa 10 ore).
Parte VII. Metodi per la stima delle forze aerodinamica agenti su un velivolo completo (circa 3 ore).
Parte IX. Introduzione all'aerodinamica dell'ala rotante (circa 3 ore).
Discussione elaborati e flipped classroon (circa 3 ore).
Alle esercitazioni vengono dedicate 20 ore: 18 in aula e 2 in laboratorio.
1) Fluid as a continuous medium. Balance equations in integral, differential, conservative and non-conservative form. Normal and shear stresses. Normalized equations. The speed of sound. Reynolds, Froude, Mach and Prandtl numbers. The entropy transport equation. The Crocco equation.
2) The ideal fluid approximation. Entropy in an ideal fluid. Streamlines, pathlines, streaklines and timelines. The Bernoulli equation. The Laplace equation. The vorticity equation. Stagnation quantities in compressible flows.
3) Two-dimensional flows of an ideal fluid. Steady and incompressible flow conditions. Steady, incompressible and irrotational flow conditions. The velocity potential. The stream function. Elementary flows: uniform flow, source, vortex, doublet. Freestream + doublet: the flow on a non-lifting cylinder. Pressure coefficient. The d'Alembert 's paradox. Freestream + doublet + vortex: the flow on a lifting cylinder. The Kutta-Joukowski theorem. Airfoils: nomenclature and aerodynamic forces. The pressure center. The stall. The Buckingham Pi theorem. Low speed flow on airfoils: the vortex surface concept, circulation distribution, Kutta condition, Kelvin's theorem and initial vortex. Thin airfoil theory: basic hypotheses, distributions of sources and vortices and their use, tangency condition and linearization of the pressure coefficient. Flow on a flat plate with non-zero angle of attack: calculation of the circulation distribution and verification of the result; thin airfoils theory applied to a flat plate: verification of the Kutta condition, calculation of lift, lift coefficient and slope of the cl:alpha plot, moment and moment coefficient, center of pressure position and aerodynamic center. Symmetrical airfoils. Airfoils with curved mean line: calculation of lift and moment coefficients, ideal angle of attack, center of pressure and aerodynamic center. Distribution of sources. Airfoil stall, effect of thickness. High-lift devices.
4) Introduction to viscous flows, effect of viscosity, dynamic and kinematic viscosity and their dependence on temperature, effect of thermal conductivity, dependence of thermal conductivity on temperature. No-slip condition, separation, form drag and skin friction drag, thermal boundary layer, turbulence, transition to turbulence, effect of turbulence on skin friction and form drag. Boundary layer equations, derivation of the boundary layer equations for compressible flows: mass balance, momentum and energy equations. Kinematic and thermal boundary layers. Boundary layer properties: boundary layer thickness, displacement thickness, momentum thickness, form factor, skin friction, local and average skin friction coefficient, drag coefficient. Boundary layer equations for incompressible flows, boundary layer on a flat plate at zero angle of attack, Blasius transformation, Blasius equation, self-similar velocity profile and Blasius solution, properties of the boundary layer on a flat plate at zero angle of attack. Boundary layer transition, factors that influence the transition. the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations, properties of the time averaging operator, derivation of the Reynolds stresses. The closure problem. Boussinesq model for the Reynolds stresses. Hierarchy of turbulent flow models: overview of DNS, LES and RANS. Velocity profile in the turbulent boundary layer. Boundary layer equations for turbulent flow. Turbulent boundary layer on a flat plate: formulas for the various coefficients. Transition Reynolds number and calculation of drag on a flat plate with transition. The thermal boundary layer. Prandtl number interpretation. Kinematic and thermal boundary layer thickness ratio as a function of the Prandtl number. Recovery enthalpy, recovery temperature and recovery factor. Reference temperature method for the analysis of compressible boundary layers or cold/hot wall boundary layers. The von Karman integral boundary layer equation. Thwaites method for the solution of the integral von Karman equation for laminar boundary layers. Head method for the solution of the integral von Karman equation for turbulent boundary layers. Michel's criterion for laminar / turbulent transition.
5) The wing: geometric definitions, tip vortices, downwash and induced angle of attack. Induced drag. Profile drag. Biot-Savart law for a curved vortex. Velocity field induced by an infinite straight vortex. Velocity field induced by a semi-infinite vortex. Helmholtz's theorems. Prandtl theory: horseshoe vortex. Velocity distribution induced by a single horseshoe vortex. The horseshoe vortex system. Continuous distribution of horseshoe vortices: downwash velocity and induced angle of attack, effective angle of attack, Prandtl's integro-differential equation and its meaning, evaluation of lift, induced drag and related coefficients. Elliptical distribution of lift: evaluation of downwash, induced angle of attack, lift, induced drag and related coefficients. Induced angle of attack and induced drag coefficient as a function of lift coefficient and wing aspect ratio. Shape of a wing with elliptical lift distribution. General solution of the Prandtl's integral-differential equation: calculation of lift, induced angle of attack and induced drag coefficient. General lift distribution on a wing: efficiency factor of the wing, slope of the lift / angle of attack curve for a wing with finite aspect ratio.
6) Definition and derivation of the speed of sound. Definition and physical meaning of the Mach number. Shock waves: definition and examples. derivation of jump conditions through a normal shock wave, derivation of the jump conditions through an oblique shock wave. Thin airfoils with small angle of attack in compressible flows: remarks on the governing equations and their approximations. The Prandtl-Glauert correction. Transonic flow and critical Mach number. Calculation of the critical Mach number. Effect of thickness. The drag rise phenomenon. Supercritical airfoils. Swept wings and critical Mach number. Slope of the cL / angle of attack curve in compressible regime and for swept wings. Linearized supersonic flow: basics, lift, drag and moment coefficients, position of the aerodynamic center, lift and drag coefficients for airfoils and wings (review). Mach number effects.
7) Forces on a complete aircraft. Contribution of the different aircraft parts. Induced and parasite drag. Parasite drag breakdown and empirical formulas. Wave drag and area rule. The Sears-Haack's body. Wave drag for bodies with area distribution different from the Sears-Haack body.
L’insegnamento è strutturato in:
- circa 60 ore di lezione in aula, mirate allo sviluppo delle conoscenze elencate nel programma del corso;
- circa 18 ore di esercitazione in aula mirate alla soluzione di esercizi applicativi basati sulle conoscenze apprese a lezione; in alcune esercitazioni le applicazioni richiederanno l'uso dei linguaggi Matlab/Python o di software (e.g. XFOIL);
- circa 2 ore di attività sperimentali nel laboratorio di Aerodinamica del Politecnico di Torino;
Tutorials will be carried out both in the classroom and in the laboratory and will focus on the following topics:
Venturi tube. Pitot tube in an incompressible subsonic flow and in a supersonic flow. Calculation of velocity profiles in laminar and turbulent boundary layers. Friction drag calculation on a flat plate with laminar, turbulent and transitional boundary layer. Friction drag calculation on flat plates in compressible flows. Calculation of the laminar boundary layer around a NACA 0012 airfoil: application of the Thwaites method. Application of the Michel criterion for estimating transition on an airfoil. Drag calculation for bluff bodies. Calculation of the critical Mach number and drag rise Mach number for a NACA 0012 airfoil. Calculation of the drag rise Mach number as function of the maximum thickness for NACA 4 digits airfoils. Calculation of angular lift coefficient as function of the Mach number. Calculation of the critical Mach number and drag rise Mach number for the wing. Calculation of wave drag. Study of the drag polar for the complete aircraft: application of empirical methods for the determination of the drag polar for a typical aircraft. Determination of the critical Mach number and drag rise Mach number for the complete aircraft. Laboratories: Measurement of the pressure distribution around the NACA 0015 airfoil at different angles of attack. Calculation of the aerodynamic characteristics Cl-alfa, Cm-alfa and the center of pressure.
In some tutorials, calculations will be carried out using MATLAB.
Testi di riferimento:
- J. Anderson, Fundamentals of Aerodynamics (può essere usata qualsiasi edizione), McGraw-Hill
- R. Arina, Fondamenti di Aerodinamica, Levrotto & Bella
- R. Arina, S. Scarsoglio, Esercizi di Aerodinamica, Levrotto & Bella
- R. Monti, R. Savino, Aerodinamica, Liguori Editore
- G. Iuso, F. Quori, Gasdinamica. Problemi risolti e richiami di teoria, Levrotto & Bella
Testi consigliati per approfondimenti:
- D. McLean, Understanding Aerodynamics: Arguing from the Real Physics, Willey
Reference books:
- J. Anderson, Fundamentals of Aerodynamics (any edition can be used), McGraw-Hill
- G. Iuso, F. Quori, Gasdinamica. Problemi risolti e richiami di teoria, Levrotto & Bella
For additional informations:
- D.P. Raimer, Aircraft Design: A Conceptual approach, AIAA Educational Series
- Barners W. McCormick, Aerodynamics, Aeronautics, and Flight Mechanics, John Wiles & Sons
Dispense;
Lecture notes;
E' possibile sostenere l’esame in anticipo rispetto all’acquisizione della frequenza
You can take this exam before attending the course
Modalità di esame: Prova scritta (in aula);
Exam: Written test;
...
Criteri, regole e procedure per l'esame:
L'esame serve a verificare l’adeguata conoscenza e comprensione degli argomenti trattati durante il corso e la capacità di utilizzare tale conoscenza per la valutazione quantitativa delle caratteristiche aerodinamiche di un corpo.
L'esame consiste in uno scritto costituito da due parti. La prima parte è organizzata come un questionario, in parte con risposte a scelta multipla, in parte con brevi risposte aperte. La seconda parte dello scritto prevede la soluzione di 2-3 problemi per il quale viene fornito un formulario compreso nel testo della prova. La prova scritta ha una durata complessiva variabile tra 1 ora e mezza e 2 ore. Il voto massimo previsto è 30 e lode. La somma dei punti raggiungibili rispondendo correttamente a tutte le parti dell'esame è di 32/30. Gli esami valutati 32/30 verranno poi verbalizzati come 30 e lode.
Non viene data la possibilità di utilizzare materiale didattico durante l'esame.
Agli studenti verrà proposto di svolgere degli elaborati durante l'anno su tematiche proposte dal docemte. Questi sono facoltativi e non valutati per l'esame, tuttavia verranno corretti e presentati. Il loro svolgimento è da vedersi come occasione di preparazione e approfondimento.
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Written test;
The adequate knowledge and understanding of the course topics will be checked and the ability to use such a knowledge for the quantitative evaluation of the aerodynamic characteristics and for the interpretation and description of problems related to the subject will be verified.
During the session (appello) that takes place immediately after the end of the lessons, the exam will be a written test consisting of two parts: the first part is a questionnaire without the possibility of using teaching materials, while the second part consists in the solution of 2 or 3 exercises. The written test will last for 1 hour and a half or 2 hours.
In the remaining sessions, the exams will be oral at this time, but the students will also be asked to solve an exercise. The oral exam will last for about 30/45 minutes. It is possible that, in case the number of students would increase significantly in the future, the written text will be extended to some exam sessions past the first one.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.