Misurazione della forza aerodinamica e del momento agente su un giavellotto utilizzando un sistema di sospensione e bilanciamento magnetico

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 391 (2023) Citare questo articolo

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Le regole che governano le dimensioni del giavellotto furono sostanzialmente modificate nel 1986. Si riteneva che questo nuovo design garantisse un momento di beccheggio pari a zero con un angolo di attacco di 0° e che il momento di beccheggio diminuisse (diventasse negativo) all'aumentare dell'angolo di attacco. L'obiettivo di questo studio è indagare se il momento di beccheggio rimane sempre negativo (rotazione con il muso in giù). Per misurare con precisione le forze aerodinamiche che agiscono su un Javelin, è stato utilizzato il più grande sistema di sospensione magnetica e bilanciamento da 1 m del mondo. Il sistema di sospensione e bilanciamento magnetico è stato in grado di misurare le forze aerodinamiche senza interferenze di supporto nella galleria del vento. Inoltre, sono state effettuate analisi fluidodinamiche computazionali per stimare i coefficienti del momento di beccheggio. Si è scoperto che il coefficiente del momento di beccheggio di un giavellotto disponibile in commercio diventa positivo (rotazione con il muso in su) ad angoli di attacco inferiori, inferiori a 12°. Il momento di beccheggio diventa positivo se il lato a monte del baricentro riceve più afflusso rispetto al lato a valle. Questa situazione può essere ottenuta, ad esempio, aumentando lo spessore del lato a monte rispetto a quello del lato a valle.

Un test convenzionale in galleria del vento per un giavellotto verrebbe eseguito fissando il giavellotto a un'asta di supporto1,2. Tuttavia, l'asta di supporto disturba il flusso e questo è noto come interferenza del supporto. Ad esempio, è stato osservato che la linea di separazione sull'ellissoide si sposta drasticamente all'indietro3 quando si utilizza un'asta sottile il cui diametro è 0,5 mm. Generalmente, nel caso dell'attrezzatura sportiva, le dimensioni sono paragonabili a quelle delle mani o dei piedi. In particolare, per un oggetto lungo e stretto come il giavellotto, l'interferenza del supporto diventa significativa perché il diametro dell'asta di supporto è paragonabile a quello del giavellotto, rendendo difficile una misurazione accurata delle forze aerodinamiche4.

Un sistema di sospensione e bilanciamento magnetico (MSBS) è uno strumento prezioso per misurare le forze aerodinamiche senza interferenze di supporto. Il primo MSBS è stato sviluppato in ONERA negli anni '505. Tuttavia, ulteriori ricerche e sviluppi di questo MSBS sono stati sospesi dagli anni '70. Questo perché non vi era alcuna prospettiva di commercializzazione di MSBS6. Al giorno d'oggi, la ricerca e lo sviluppo di MSBS sono stati riavviati presso ODU7, KAIST8 e Tohoku University9 grazie alla maggiore sofisticazione delle apparecchiature di misurazione e al miglioramento del controllo computerizzato, nonché allo sviluppo di potenti magneti al neodimio. Tuttavia, ci sono ancora relativamente pochi MSBS nel mondo.

Dal punto di vista dell'aerodinamica del giavellotto, le regole che governano le dimensioni furono sostanzialmente modificate nel 1986. Il fattore principale che motivava il cambiamento era che in molti lanci il giavellotto atterrava quasi piatto, causando difficoltà ai giudici nel determinare se il lancio fosse stato effettuato correttamente. valido o no10. Si è ritenuto che il nuovo disegno garantisse che il profilo del momento di beccheggio del giavellotto diminuisse monotonicamente all'aumentare dell'angolo di attacco, senza mai raggiungere un valore positivo.

L'obiettivo di questo studio è verificare se il momento di beccheggio è sempre negativo (rotazione con il muso in giù) rispetto all'angolo di attacco. Verranno descritte le forze aerodinamiche agenti sul Giavellotto senza l'asta di sostegno. Il sistema di sospensione e bilanciamento magnetico (MSBS) più grande del mondo è stato impiegato per misurare le forze aerodinamiche che agiscono su un giavellotto da donna a grandezza naturale. Pertanto, i coefficienti aerodinamici mostrati in questo documento dovrebbero essere i più accurati. Inoltre, è stato effettuato anche uno studio parametrico utilizzando la CFD (Computational Fluid Dynamics) per valutare se il momento di beccheggio è sempre negativo.

Il sistema di sospensione e bilanciamento magnetico (MSBS) è mostrato in Fig. 1. Un giavellotto che include magneti lungo l'asse longitudinale viene fatto levitare al centro della sezione di prova. Quando soffia il vento, le forze aerodinamiche agiscono sul Javelin e il principio di controllo è progettato per mantenere il Javelin al centro della sezione di prova (posizione iniziale). Per mantenere la stessa posizione e lo stesso assetto del Javelin, attorno alla sezione di prova sono posizionate dieci bobine. Ad esempio, le due bobine con nucleo d'aria a forma di ciambella (#0 e #9) nella direzione del flusso funzionano per controbilanciare la resistenza. Le altre otto bobine sono bobine con nucleo di ferro, che generano in modo efficiente un campo magnetico collegando le bobine da n. 1 a n. 4 e da n. 5 a n. 8 con il giogo per formare un circuito magnetico11. A ciascuna bobina è collegato un amplificatore di potenza, ciascuna delle quali può far passare una corrente fino a 150 A. La corrente delle bobine viene regolata per mantenere la stessa posizione e lo stesso assetto. Le differenze di corrente di azionamento tra la condizione wind-on e la condizione wind-off vengono convertite in forze aerodinamiche. Nel caso di un giavellotto vibrante, le correnti misurate con la condizione di vento includono sia le componenti delle forze aerodinamiche che delle forze inerziali. D'altra parte, le correnti misurate con la condizione di vento del giavellotto vibrante includono solo le forze inerziali. Pertanto, le differenze di corrente tra la condizione di vento attivo e la condizione di vento spento possono essere convertite in forze e momenti aerodinamici.