Emissioni acustiche dei velivoli: il totale è maggiore della somma delle sue parti
In poco più di un secolo il mondo è passato dal primo aereo funzionante a motore a più di 400 partenze all’ora in tutto il mondo, con il trasporto di oltre 10 milioni di passeggeri al giorno e milioni di tonnellate di merci. Al di là di questo enorme numero di voli, gli aeromobili sono diventati inoltre più grandi e più potenti. Il rumore emesso dal motore dei velivoli, in particolare durante il decollo nella fase di massima spinta a bassa quota, è diventato un rilevante problema ambientale e politico: le compagnie aeree sono infatti soggette al pagamento di tasse per l’atterraggio e il decollo sulla base dell’inquinamento acustico generato dai loro aeroplani. Di conseguenza, si avverte l’urgente necessità di tecniche e tecnologie innovative per la soppressione delle emissioni acustiche. Sebbene non sia possibile raggiungere gli obiettivi di riduzione del rumore al fine di rendere gli aerei più silenziosi ed ecologici effettuando una modellizzazione separata del motore/ugello e della cellula, le ricerche svolte sulle interazioni tra questi elementi sono state sinora limitate. Il progetto DJINN, finanziato dall’UE, ha colmato questa lacuna di conoscenza sviluppando metodi computazionali e nuove configurazioni sperimentali su piccola scala.
L’accoppiata aerodinamica-aeroacustica delle interazioni tra scarico e ali
Le emissioni acustiche degli aerei sono aumentate e, al tempo stesso, l’odierna urbanizzazione ha fatto sì che sempre più persone vivano in prossimità degli aeroporti. La situazione si complica ulteriormente a causa dei nuovi motori ad alta efficienza progettati per ridurre il consumo di carburante e le emissioni di gas serra: essendo montati più vicini all’ala, generano una maggiore quantità di rumore a causa dell’interazione tra quest’ultima e lo scarico. «Gli strumenti avanzati di simulazione fluidodinamica computazionale (CFD, computational fluid dynamics) di DJINN per l’accoppiata aerodinamica-aeroacustica hanno concentrato l’attenzione sulle interazioni tra ala e scarico. Abbiamo condotto una campagna sia teorica che sperimentale al fine di migliorare la comprensione dei processi fisici sottostanti e progettare geometrie e tecnologie migliori per la soppressione del rumore», spiega Werner Haase, ricercatore presso CFD Software Development and Research e coordinatore del progetto DJINN.
Promettenti approcci per la riduzione del rumore all’orizzonte
Tra i numerosi risultati raggiunti figura il collaudo di due ipersostentatori alari porosi costituiti da fusioni di alluminio poroso, che hanno dimostrato di consentire, secondo le previsioni, una riduzione del rumore di circa sette decibel (banda larga). Dato che i livelli di rumore raccomandati sono compresi approssimativamente tra 40 e 45 decibel, una variazione di sette decibel permetterebbe di esercitare un importante impatto. È possibile che si verifichi un’amplificazione della turbolenza nelle aree di interazione dello strato limite, come quella dello scarico e dell’ala. «Abbiamo intrapreso un ambizioso progetto di ricerca ad alto rischio e ad alto guadagno, ovvero il controllo della turbolenza a banda larga e del rumore dell’interazione tra scarico e ipersostentatore. I risultati hanno dimostrato la possibilità di controllare i flussi che amplificano la turbolenza ad alti numeri di Reynolds», osserva Haase. DJINN ha infine raggiunto il proprio obiettivo di risolvere il rumore ad alta frequenza, portando a numeri di Strouhal (una grandezza adimensionale utilizzata nella fluidodinamica per caratterizzare i flussi oscillatori) che si aggirano intorno ai 10 e aprendo la strada all’impiego di metodi avanzati per la simulazione del rumore in ambito industriale, nonostante il maggiore carico computazionale. I casi di test generici disponibili per scarichi isolati e montati (scarico e ala principale dell’aeromobile) possono essere scaricati dal sito web del progetto DJINN.
Meno rumore per i cittadini, più competitività per l’industria europea
La collaborazione di DJINN tra i partner della ricerca e l’industria, comprese le PMI, ha permesso di fornire nuove tecnologie per la riduzione del rumore, che risulteranno essenziali sia al fine di ridurre l’impatto ambientale del settore aerospaziale, sia al fine di migliorare la qualità della vita di coloro che vivono nei pressi degli aeroporti. Inoltre, le tecnologie e gli strumenti di simulazione numerica migliorati che considerano le interazioni critiche aumenteranno il potenziale di innovazione dell’Europa in ambito aeronautico, rafforzando la sua competitività.
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