L'obiettivo della ricerca è lo studio dell'effetto dello sciabordio (sloshing) del carburante, imbarcato nei serbatoi posti all¿interno delle strutture alari, sulla risposta aeroelastica globale ed in manovra dei velivoli medesimi, attraverso lo sviluppo di modelli di ordine ridotto (ROM), integrazione col modello completo di velivolo flessibile e verifica sperimentale. Tale attività sarà svolta in sinergia con il foriero progetto Europeo H2020 SLOWD (SLOshing Wing Dynamics), guidato da AIRBUS Operations (inizio settembre 2019) cui partecipano alcuni dei proponenti ed il cui obiettivo è esplorare il possibile utilizzo dello sloshing per ridurre i carichi che tale fenomeno esercita sulle strutture flessibili alari. Si propone, con la presente attività, di estendere la modellazione sviluppata in SLOWD per analizzare il comportamento del velivolo completo attraverso un'analisi integrata in grado di valutare gli effetti dello sloshing sulla stabilità e risposta aeroelastica e sulle prestazioni del velivolo. Tale studio innovativo integrato sarà effettuato con ROM efficienti sul profilo computazionale che consentiranno di effettuare le predette analisi sul velivolo completo. Sono previste anche attività sperimentali di validazione su un articolo di prova rappresentativo, (trave a sbalzo con serbatoio contenente un fluido di caratteristiche note). La tecnica di analisi modale operazionale (OMA), sviluppata all'interno del gruppo di ricerca, fornirà infine le indicazioni per la validazione del modello ROM attraverso la stima delle proprietà dinamiche del sistema in condizioni operative (diversi regimi di volo e condizioni di raffica). La ricerca avrà ricadute significative per la progettazione di grandi velivoli civili soggetti più intensamente agli effetti dello sloshing del carburante, soggetti alle numerose simulazioni richieste in fase di certificazione (EASA CS-25) e progettati per resistere ai carichi derivanti da raffiche atmosferiche e da impatti in atterraggio.
I proponenti vogliono affrontare la sfida di caratterizzare un sistema fisico complesso, che implica la conoscenza in un ampio spettro di aree di ricerca. Gli aspetti chiave del progetto riguardano quindi lo sviluppo di capacità di modellazione multi-fisica (twin digitale) per consentire la quantificazione degli effetti dello sloshing del carburante ospitato nelle strutture alari e la sua interazione con la struttura ospitante con il fine di provvedere con esso ad un controllo passivo dello stato vibrazionale. I metodi proposti sono ben oltre lo stato dell'arte, poiché mirano a descrivere e a controllare il comportamento accoppiato dello sloshing del carburante con la dinamica del velivolo in manovra e con l'aerodinamica esterna, in contrasto con l'approccio classico che presta attenzione alle singole discipline.
Le attuali pratiche di progettazione aeronautica non tengono alcun conto dell'effetto dello sloshing del combustibile, assumendo che esso sia descrivibile come un corpo rigido. D'altro canto, non sono disponibili metodi sperimentali, teorici o numerici che lo modellizzino adeguatamente nella fase di progettazione. Le potenziali capacità della metodologia proposta costituirebbero quindi un cambiamento significativo nella progettazione aeronautica. Il contributo di tale attività di ricerca, complementare al foriero progetto H2020 SLOWD, mira quindi a far progredire le capacità della progettazione aeronautica dell'interazione sloshing/struttura per aumentare la competitività internazionale dell'industria aeronautica.
L'applicazione di metodi e strumenti sviluppati nel presente contesto aeronautico può essere inoltre estesa ad altre ricerche e ingegneria e campi, come quelli relativi ai sistemi biologici o al trasporto marittimo di gas liquido: alcuni significativi esempi sono la modellizzazione del comportamento dei vasi sanguigni (flessibili) e i sistemi di contenimento delle grandi navi soggetti ai carichi d'urto delle onde. Pertanto, pur riconoscendo che l'attenzione accademica nel campo dell'interazione fluido/struttura in campo aeronautico è tipicamente focalizzata sullo studio interazionale tra struttura e flusso d'aria "esterno" (come nello studio dell¿instabilità critica di flutter), il progetto presente mira a portare all'attenzione della comunità della ricerca in campo aeronautico problemi di rilevanza industriale in cui la fase fluida "instabile" (ma non "destabilizzante") è contenuta all' "interno" di una struttura solida in volo che la ospita.
Impatti rilevanti previsti dalla presente ricerca sono almeno duplici:
- Lo sviluppo di metodi e modelli descritti e la loro integrazione in un quadro di progettazione aeronautica è considerato un potenziale enorme sia se applicato ad aggiornamenti di velivoli già certificati, che applicato su velivoli di nuova progettazione.
- Lo sviluppo di metodi e modelli descritti e la loro integrazione nel framework di progettazione industriale forniranno la capacità di studiare i fenomeni di sloshing come integrati in un ambiente multidisciplinare, in modo tale da ottenere, in un arco di tempo più breve rispetto ai metodi di progettazione tradizionali, un design ottimale che sfrutti direttamente lo sloshing come sistema naturale di smorzamento dinamico per il sistema globale velivolo.