Portanza di un'ala in acqua: America Cup AC75
 

Sono alle battute finali di un progetto di modello di barca a vela "volante " Coppa America AC75 https://www.youtube.com/watch?v=CQFuYsG3ua4
In allegato foto del progetto.
Ho anche sviluppato un software Arduino integrativo ai due radiocomandi utilizzati per la gestione della navigazione e del volo.
Devo dimensionare e verificare il profilo alare e la portanza dei foil di sostentamento, ma purtroppo non mastico nè aerodinamica nè idrodinamica, quindi ho bisogno dell'aiuto di qualcuno che ci capisca.
Il sistema di sostentamento è costituito da un bulbo e due semiali munite di alettoni.
L'ala ha una regolazione dell'angolo di attacco di circa 6° e gli alettoni sono mossi da servi all'interno dello scafo collegati con bowden (cavetti freno biciclette).
Aspetto con ansia l'aiuto di un buon Samaritano a cui sarò tangibilmente riconoscente
Marco

La portanza è data dalla formula

P= 1/2 ( ro*v^2*S*Cp )
Dove
ro è la densità del mezzo in cui l'ala si muove
v è la velocità
S è la superficie dell'ala
Cp è il coefficiente di portanza per il profilo adottato all'incidenza di progetto.

Per trovare il Cp bisogna trovare le tabelle del suo valore al variare dell'angolo di incidenza ( roba vecchia ) o ricorrere ad un programma dedicato a questo come Profili2.

Nell'immagine ricavata col programma in questione puoi notare come il Cp varia,oltre che con alfa, anche col numero di Reynolds che , a sua volta, dipende da corda dell'ala e dalla velocità.
Non fare caso al profilo che ho usato, vale solo come esempio.

https://i.postimg.cc/52qd3mQq/1.jpg

Grazie per l'interessamento e per la spiegazione che però è per me un pò arabo.
Ti espongo il problema che vorrei risolvere.
La barca ha due foil ognuno con due semiali, ma quando la barca decolla sopra l'acqua il suo peso deve essere sostenuto da un solo foil. Durante la transizione la superfice bagnata diminuisce e quindi la barca accelera fino a poter alzare il foil sopravento ed accelerare ulteriormente
I dati del problema:
dimensioni della barca lunghezza 1 metro e baglio di 270 mm (scala 1:20 )
peso della barca 10 Kg
profilo alare NACA 4415bis (abbastanza grassa per accogliere una barra inox diam 8mm) scelto da me ma non obbligatorio
velocità di decollo circa 6 Knot = circa 10 Km/h con due foil immersi
angolo di attacco disponibile da 0° a 6° + alettoni
QUESITO
Questa barca riuscirà a decollare a 6 Knot con due foil?
A quanti nodi si riuscirà a sostenerla con un solo foil?
Quale profilo? (il mio va bene o no?) e... quale dimensione delle ali?
Come e quanto possono influire sul calcolo della portanza gli alettoni? vedi foto

Il punto dolente è il peso della barca (10 Kg) dovuto alla meccanica (4,5 Kg): gli attuatori devono avere una forza ragguardevole (e quindi pesanti) a causa delle forze cinematiche della movimentazione e ritegno dei foils (nel tamburo di rotazione i bracci sono molto ridotti e quindi le forze sono alte ; circa 110 Kg sui perni in asse agli attuatori: vedi foto), ed inoltre i bracci dei foils devono avere una alta resistenza a flessione.

Devo capire se esiste possibilità di successo prima di spendere una barca di soldi e scoprire poi che il modello non volerà mai.
Grazieeeeeee
Marco

Prima di rispondere avrei bisogno di conoscere la dimensioni dei foil. In una prima analisi ho pensato ad una corda di circa 30 cm il che porta ad un Re mooooooolto basso con rendimento del profilo ( rapporto portanza/resistenza ) altrettanto basso. Detto questo vista la complessità della costruzione dei flap che provocherebbe aggiunta di peso e sicuro aumento della resistenza direi di lasciar perdere l'idea, almeno in partenza. Immagino che tu abbia previsto un uso estensivo del carbonio in queste parti per avere rigidezza e peso ridotto. Potrei suggerire anche di aumentare quei bracci di leva, anche se questo potrebbe comportare lo sporgere di parti dalla tolda ( si dice così ? ). In un modello sperimentale così complesso è meglio tralasciare certe finezze.

Forse che movimentando TUTTO il profilo alare invece che solo un alettone si otterrebbero risultati di portanza migliori?
Marco

I foil che ho ipotizzato sono come disegni allegati, ma sono fatti a sensazione senza nessun calcolo.
Per non avere costi troppo eccessivi tutte le parti sono realizzate in stampa 3D sls (poliammide) rinforzate ove necessario con tondi inox.

Ogni semiala è lunga 150 mm

Aumentare i bracci di leva non porta a trovare attuatori più leggeri, gli unici trovati più leggeri hanno un quarto di forza che è insufficiente
Marco

Non riesco a leggere la quota della corda, mentre l'apertura totale è 340 mm.

70 mm

Quindi hai una superficie totale di 0,07x 0,34 = 0,024 m^2
il numero di Re per le dimensioni e la velocità prevista di 6 nodi = 3 m/sec
vale 236.000
i valori cacolati dal programma sono:
Cp = 1,1
Cr= 0,013
Questi sono valori teorici, in pratica differenze nella sezione e difetti superficiali possono alterare in peggio questi dati che, comunque danno una idea della situazione

Quindi
Portanza = 108 N
Resistenza = 1,4 N

Rimane da valutare quanto incidono il bulbo e il collegamento su questi valori.

P.S.
Salvo errori od omissioni.:fiu:

Credo che non sarà solo un banale problema di portanza.
Bisognerà considerare anche i vari punti di applicazione delle forze in gioco per calcolare il baricentro in assetto di volo.
Ma soprattutto esiste un controllo che mantenga fissa la quota di volo?
Su un hydrofoil e fondamentale che ci sia, bastano pochi cm per uscire col foil dall'acqua o per far toccare l'acqua allo scafo.
Questo controllo è impensabile da fare manualmente a distanza su uno scafo rc dove non hai nemmeno un feedback diretto sull'assetto.
Ad es i surfisti con hydrofoil sentono l'equilibrio sotto i piedi e compensano continuamente l'assetto del foil.
Il WASZP ha un controllo meccanico di tale assetto che si chiama wand system.
Buone riflessioni.

Rispondo a Ehstikazi
Quindi vorrebbe dire che grossomodo solo la portanza di un foil sostiene il peso di 10 Kg della barca (con quale angolo di attacco?) a 6 Knot.
Ritengo che questo valga senza intervento degli alettoni.
Allora c'è troppa portanza, sarebbe meglio averne un pò meno per poi aumentarla o diminuirla con gli alettoni per aumentarla in fase di decollo e diminuirla quando la velocità aumenta ed aumenta la portanza.
Cosa mi consigli di fare? Cosa ne dici del mio profilo?
Rispondo a Fabiovitti
Il baricentro sarà grossomodo in corrispondenza dei foil.
Per controllare la quota di volo ho sviluppato un codice Arduino che gestisce , assieme al radiocomando, gli alettoni (quando in automatico) tramite un sonar.
Il controllo del beccheggio è affidato ad un Flight Controller che gestisce il timone di profondità (come la coda di un aereo) per mantenere sempre l'assetto orizzontale.
Questo per il momento: in seguito vi sarà un controllo automatico o per il timone direzionale o per le velature a seconda che si voglia mantenere la rotta o viaggiare alla massima velocità ( anche questo tramite il Flight Controller)

Togliendo il bulbo diam 40 resta una lunghezza di 300
La portanza dovrebbe diminuire del 12%

Non è detto, il bulbo contribuisce alla portanza e anche, come ovvio alla resistenza. Il profilo dovrebbe andare, ma se dici che hai troppa portanza, l'ho calcolata col Cp a 6 gradi, direi piuttosto di ridurre lo spessore, nei limiti concessi dalla resistenza all'incastro che è comunque sicuramente abbondante dato che il Momento flettente è modesto, oppure, mantenendo lo stesso profilo che presenta una elevata incidenza di stallo, ridurre l'incidenza di partenza.

Cosa succederebbe riducendo l'angolo di attacco a 2° o 3° e aumentando la superficie dell'alettone portando il totale da 70 a 85 mm con una velocità di 4 Knot?
Ovviamente più è bassa la velocità di decollo e meglio è.
Secondo me il bulbo, non avendo angolo di incidenza dovrebbe avere solo resistenza: è sbagliato?
Secondo te di quanto varia la portanza inclinando l'alettone di +-10° ?
Scusami se ti faccio fare un sacco di calcoli, ma sto cercando di ottimizzare; non vorrei che aumentando molto la velocità fuori acqua (speriamo) la portanza diventasse esagerata e difficile da contrastare con gli alettoni che aumenterebbero anche la resistenza. Si sono viste barche decollare letteralmente.
Cosa significa alta incidenza di stallo?
Comunque sono molto contento perchè dai tuoi calcoli sembrerebbe funzionare nonostante i 10 Kg di peso.
Eternamente riconoscente.
Marco

Necessita forse un chiarimento.
La barca parte in dislocante con i due foil immersi.
Aumentando la velocità la barca inizia ad emergere.
Quando si raggiunge la velocità atta a sostenere la barca con un solo foil, il foil sopravento viene alzato e la barca continua ad accelerare fuori dall'acqua sostenuta da un solo foil.
Questa è la fase più critica di tutta la navigazione.
Ugualmente fenomeno simile si ha nelle virate quando in sequenza viene immerso anche il foil sopravento, si effettua la virata e si alza il foil ora sopravento.
Quando si immerge o si emerge un foil vi è un brusco cambiamento di portanza che deve essere controllato e corretto pena l'ammaraggio o il decollo della barca.
Nelle strambate invece si vira semplicemente senza muovere i foil perchè quello sopravento rimane sopravento.
Marco

Modificando i dati come hai detto la portanza si riduce a circa 40 N, il fattore più importante è la velocità che entra nella formula al quadrato.
Il bulbo difficilmente navigherà sempre a zero gradi quindi influirà in un modo o nell'altro.
come vedi dal grafico allegato il Cp varia da 0,4 a 1,4 per una variazione da 0 gradi a 10 gradi, per arrivare a Cp=0 , cosa inutile, l'incidenza diventa negativa -4 gradi.
Stallo significa brusca caduta del Cp al raggiungimento di un determinato angolo di incidenza il cui valore dipende dal profilo. Per il profilo scelto lo stallo non è ancora raggiunto a 10 gradi come si vede dalla curva ( praticamente una retta ) nel diagramma Cp/alfa.

https://i.postimg.cc/3NRRT4Hq/1.jpg

Boh, ci possono essere soluzioni varie e semplificare il più possibile può essere essenziale per il funzionamento di tale progetto, ma probabilmente e' troppo ambizioso e praticamente irrealizzabile, considerando le dimensioni e la variabilità delle onde, la discontinuità e variabilità del vento e il braccio di leva dell'albero/velatura, che aggiungerebbe ulteriore carico di lavoro al sistema di stabilizzazione.
Su yutub ci sono barche a vela che sfruttano il principio dell'aliscafo, però le alette di sollevamento stanno sul pelo libero.
Ma di questo progetto e' stato realizzato qcosa o e' ancora del tutto ipotetico..?
:)

Considerazioni:
angolo d'attacco 3° e velocità 4 Knot abbiamo portanza di 40N per foil quindi 80N con due foil immersi: siamo vicini al decollo: con una piccola azione sugli alettoni possiamo raggiungere facilmente 55*2N = 110N di portanza totale che produce il decollo (presumibilmente a più di 6Knot del primo calcolo che aveva 6° di incidenza e non 3°, ma come ha influito l'alettone?). Domanda: quale sarà questa velocità?
Ora dobbiamo attendere che l'aumento di velocità permetta di avere 110N su un solo foil per poterne alzare uno. Bisognerà diminuire alettone progressivamente per non decollare e ridare immediatamente alettone al momento del sollevamento del foil per non ammarare. Tutto questo dovrebbe essere gestito dal mio codice Arduino basato sul sonar di livello. Se Arduino non ce la facesse dovrà essere fatto in manuale tramite radiocomando.
Ipotizzando una velocità massima raggiungibile di 20Knot bisognerà avere la possibilità di ridurre alettoni al crescere della velocità in maniera adeguata (l'angolo d'attacco dell'ala è fisso a 3° quindi probabilmente bisognerà andare in negativo con l'alettone.
Domanda: quale portanza ci sarebbe con 3° di attacco e 20Knot di velocità con un solo foil? Quanto alettone negativo dovremo dare per mantenere la portanza intorno a 110N e non decollare?
Forse dovremmo impostare l'ala a 0 incidenza e lavorare solo con l'alettone. Domanda: quale portanza a 0 incidenza e 20Knot di velocità?
Per inciso: cosa è il grafico Cd a destra? la resistenza?
Domanda: come influisce l'alettone sull'angolo di attacco? Come si comporta un'ala simmetrica ad incidenza 0 al variare dell'angolo dell'alettone? Dove si scarica la portanza? Sulla superficie di tutta l'ala? Solo sull'alettone?

Anche Cristoforo Colombe era troppo ambizioso, ma senza un pò di follia non si arriva da nessuna parte.
Per tua informazione: questo progetto è sulla carta e sul PC, solo il codice Arduino è stato fatto ed il sonar di livello fatto e testato. Questo è il cuore del progetto, se non funzionasse il progetto sarebbe irrealizzabile. Ora dobbiamo risolvere il resto
Marco

Il mio consiglio è di considerare solo il profilo alare.
Il movimento degli alettoni serve a disturbare la condizione di equilibrio per volerla cambiare.
Pertanto se vuoi calcolare portane a varie velocità considera solo l'ala e la sua incidenza.
La portanza generalmente si applica sul centro di pressione che modellisticamente parlando è ad 1/4 della corda alare partendo dal bordo di entrata.
Il centro di pressione varia al variare dell'incidenza ma se cominci a considerare tutte queste cose non ne esci più.
Io mi concentrerei sulla velocità di decollo che voglio ottenere e sulla stabilità di un assetto di equilibrio

Per curiosità che mestiere fai?

Non ho ancora ben capito cosa intendi 'per ala e alettone. Per gli aerei l'alettone è una superficie sul bordo d'uscita dell'ala che può ruotare verso l'alto e verso il basso modificando in tal modo asimmetricamente la portanza delle semiali e quindi producendo un momento di rollio. Credo che tu intenda invece parlare di una superficie sempre sul B.U. e a questo completamente estesa che serve o modificare la curvatura del profilo in modo da aumentare o diminuire la portanza pur mantenendo l'angolo di attacco dell'intero profilo costante.E' quello che fa l'alettone, ma in questo caso si pensa ad un movimento simmetrico delle 2 semiali. In questo modo la dizione convenzionale è flap. Per sapere come cambia il Cp è necessario sapere il punto di cerniera della parte mobile , detto questo bisogna calcolare le polari per un numero discreto, 1 grado o mezzo grado di rotazione del flap, e vedere i Cp corrispondenti. Tieni presente che oltre che cambiare il Cp il flap modifica anche il Cr o, come indicato nell'immagine precedente con notazione inglese Cd ( drag ). Il Cp è indicato con Cl ( lift ) E quindi aumento di portanza sì, ma anche di resistenza il che, ovviamente, riduce la velocità.

Ala intendo la parte fissa
Alettone = Flap parte mobile

Se totale 70 mm allora 50 mm fisso e 20 mm mobile
Se totale 85 mm allora 50 mm fisso e 35 mm mobile

Quale scegliere delle due soluzioni?

Sono un ex imprenditore ingegnere meccanico in pensione da 15 anni
Sono bravo in meccanica pura ma nulla in aerodinamica o idrodinamica

Avevo pensato anche di adottare un'ala senza flap da far ruotare integralmente per cambiare l'incidenza.
Sarebbe una semplificazione meccanica notevole, ma vi sono due controindicazioni
1) la sensibilità di regolazione automatica dei servocomandi è molto ridotta, grande variazione di portanza per piccoli gradi di rotazione e quindi cattiva precisione
2) carichi e momenti elevati per i servocomandi utilizzabili che non possono essere dei carri armati

Hai calcolato la coppia necessaria ? Con quali dati ? Ci sono servocomandi per aeromodellismo con coppie di 50 kg*cm.

P.S.
sono anch'io ingegnere meccanico, o meglio ero dato il rincoglionimento attuale, dalla laurea sono passati 52 anni.:(

Questi i grafici per il profilo scelto di corda 70 mm e flap 20.
Inclinazione di 2 gradi

Nota come il Coefficiente di momento aumenti in valore assoluto.
Il Cm serve a calcolare il momento generato dal flusso considerato applicato al 25% della corda.
La formula per la determinazione è la stessa usata per portanza e resistenza .

https://i.postimg.cc/6pkc6QXj/2.jpg

https://i.postimg.cc/4y2vDfP1/1.jpg

In quanto a rincoglionimento non mi batti, io sono un 68ino classe '46.
Riguardo ai servi devo alloggiarli nel tamburo di rotazione che vedi nelle foto postate.
Il massimo che ho trovato, per non trasformare il tamburo (già diam 60mm) in una botte da vino ha 18 Kgcm ; ma soprattutto è la sensibilità e precisione necessaria che boccia l'ala integrale

Progetto affascinante che seguo con molto interesse !
Mi permetto, umilmente, di suggerirti una soluzione per il servo: se metti una riduzione sul movimento del servo (es.: 1:10 ) praticamente 100° del servo diventano 10° e, ovviamente, ottieni più precisione e più coppia ma meno velocità e movimento.
Ho utizzato questa soluzione per un mio progetto e funzionava alla grande.