Immagini scientifiche: rotatoria contorta

Questa immagine mostra la forte deformazione di un piccolo rotore con due pale flessibili, quando opera in acqua.

I rotori, o ventilatori a pale, sono utilizzati in molte applicazioni per scambiare energia tra il sistema meccanico (veicolo, turbina) e i fluidi circostanti (come aria o acqua). Usano due metodi principali di funzionamento. Nel primo caso, il fluido viene accelerato per generare spinta (per un elicottero o una barca) o forza di sollevamento (per un elicottero o un drone). Nell’altra modalità, il fluido viene rallentato e la sua energia cinetica estratta viene convertita in un’altra forma, ad esempio in elettricità nel caso di turbine eoliche o di marea.

L’interazione tra il fluido e il rotore genera forze di reazione sulle pale. Se queste lame sono fatte di un materiale flessibile (come la plastica per i droni), o se sono molto lunghe (come elicotteri o turbine eoliche), possono deformarsi, compromettendo le prestazioni del rotore.

Tali deformazioni possono ridurne l’efficacia se la geometria delle lame si discosta dalla forma ottimale, che spesso è determinata presumendo che la parte rotante sia rigida e non si deformi. In altri casi, la flessibilità può essere un vantaggio, consentendo al rotore di adattare automaticamente (passivamente) la sua forma ai diversi regimi di flusso a cui può essere esposto. Questa possibilità è stata esplorata in diversi Studi recentiè particolarmente interessante per rotori di piccole dimensioni (ad esempio quelli dei droni), per i quali è impossibile installare adattatori meccanici complessi, simili a quelli che si trovano nei grandi rotori delle pale eoliche o degli elicotteri.

Le deformazioni delle pale elastiche possono essere piuttosto grandi per un rotore che opera in un fluido, poiché le forze esercitate dal fluido sono proporzionali alla sua densità, ovvero l’acqua è circa 850 volte maggiore della densità dell’aria.

deformazioni sotto pressione

L’immagine sopra è stata acquisita durante studio pilota Si propone di indagare il comportamento di un piccolo rotore (17,6 cm di diametro) con due pale rettangolari di polietilene flessibile, rotante nel flusso dell’acqua. A seconda della velocità del rotore, determinata dalla sua frequenza di rotazione, dalla velocità del flusso in caduta e dall’inclinazione delle pale, possono verificarsi significative distorsioni di ampiezza. Nel presente caso, il rotore girava a 10 Hz in un flusso d’acqua a 18 cm/sec, diretto dall’alto verso il basso sull’immagine.

L’immagine mostra una sovrapposizione di 200 singole immagini scattate durante la rotazione del rotore, quando le pale erano allineate perpendicolarmente alla direzione di vista. Dimostra grandi distorsioni di capacità delle pale, dovute alle forze di pressione esercitate dal fluido. L’effetto ventaglio delle sovrapposizioni mostra anche che queste distorsioni variano nel tempo; La sua ampiezza copre un ampio distanziatore dato dalle estremità della ventola.

Lo studio di questi comportamenti sorprendenti osservati nei sistemi operativi delle pale estreme può portare a nuove idee per la progettazione di rotori in applicazioni come turbine di marea O droni subacquei o ibrido acqua/aria.

Questa immagine è una delle vincitrici del concorso Mécapixel 2021.