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News

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Dec 10, 2014

"Landed. Mani, occhi e cuore italiani: il contributo italiano alla missione Rosetta" - Mercoledì 17 Dicembre 2014, ore 14:30, Aula Magna Ulisse Dini della Facoltà di Ingegneria.


Oct 15, 2014

 prova scritta di Fisica gen I  novembre


Jul 23, 2014

Esame di fisica gen I del 23/7/2014  Risultati


Avvisi didattica

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Jun 14, 2016

 esame di fisica gen I del 13/6 Risultati


Jun 13, 2016

compito scritto fisica gen I del 13/6


May 29, 2016

compitino di fisica generale risultati


Albo ufficiale
Borse di studio
Assegni di ricerca
Collaborazioni coordinate e continuative

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Dec 21, 2011

Avvisi di procedura per un conferimento di un incarico per collaborazione coordinata e continuativa


Jul 11, 2011

Progetto IDINTOS- Prove Galleria del Vento


Italiano » Ricerca » Multidisciplinare

Multidisciplinare

Sviluppo Software

Da alcuni anni, presso il DIA, è in corso un attività di ricerca riguardante lo sviluppo di strumenti di modellazione CAD tali da consentire la generazione, in maniera semplice ma rigorosa, di geometrie 3D, da utilizzarsi in seguito per le analisi CFD.
È stato dunque realizzato un codice, chiamato inizialmente MSD (Multiple Shape Design), poi ASD (Aerodynamic Shape Designer), per la generazione di superfici aerodinamiche. Il programma è un generatore di geometria parametrico e offre le funzionalità dei software CAD commerciali per la modellazione solida, tra cui la creazione di estrusi, fori, intersezioni ed inoltre raccordi ala-ala e ala-fusoliera.
L‘ultima versione del programma fa uso delle NURBS (Non Uniform Rational B-Splines) per la definizione delle curve geometriche.
Le seguenti immagini mostrano alcune funzionalità del codice:


Generazione di un’ala


Generazione di una fusoliera


Creazione del raccordo ala-fusoliera

Mediante l’utilizzo del codice MSD/ASD, è stato possibile sviluppare diverse configurazioni di PrandtPlane.

Configurazioni di velivolo ultraleggero

Configurazione Very Large Aircraft

Pubblicazioni
[1] A.Frediani, A.Longhi, “A mesh generation procedure for optimisation in Computational Fluid Dynamics”, L’Aerotecnica Missili e Spazio, pp. 8-13, Vol 78, n.1-2, January-June 1999.
[2] A.Frediani, M.Gasperini, G.Saporito, “Development of a geometrical and aerodynamic grid generators for innovative aircraft configuration”, IMACS/ISGG Workshop MASCOT02, 2-4 October 2002, IAC-CNR Istituto per le Applicazioni del Calcolo, Roma
[3] A.Frediani, G.Gasperini, M.Saporito, A.Rimondi, “Development of a PrandtlPlane Aircraft Configuration”, Proc. of the XVII AIDAA Congress, pp. 2263 – 2276, Roma 2003
[4] A.Frediani, M.Gasperini, G.Saporito “Development of a geometrical and aerodynamic grid generators for innovative aircraft configuration”, IMACS/ISGG Workshop MASCOT02 ("2nd Meeting on Applied Scientific Computing and Tools - Workshop on Grid Generation, Approximated Solutions and Visualizations"), M.R. Spitalieri, F. Pistella Editors, ISSN 1098-870X, pp 101-110, 2003
[5] A.Frediani, M.Gasperini, G.Saporito, "A new shape generation code for complex aerodynamic configurations", MCS Journal on Applied Scientific Computing and Tools "Mathematics and Computers in Simulation", 2003.

Personale coinvolto
Prof. Ing. Aldo Frediani, Dr. Ing. Emanuele Rizzo, Ing. Vittorio Cipolla

Il “Best Wing System”

In un velivolo da trasporto, durante il volo in crociera, la resistenza aerodinamica è principalmente dovuta alla resistenza d’attrito e a quella indotta, la quale dipende dalla distribuzione di portanza lungo l’apertura alare. Negli odierni velivoli da trasporto, quest’ultima è così ottimizzata che significative migliorie non sono più ottenibili.
Per quanto riguarda la resistenza d’attrito, metodi per ottenere una riduzione sono l’aspirazione dello strato limite e l’uso di particolari dispositivi sulle superfici dei velivoli, tuttavia, allo stato attuale delle cose, i benefici complessivi di tali sistemi non sono quantificabili con certezza.
Una possibilità di ottenere un balzo in avanti nel mondo del trasporto aereo può giungere dall’introduzione di una nuova configurazione di velivolo non-convenzionale.
Basata su un’intuizione di Ludwig Prandtl, la caratteristica peculiare della configurazione in esame è una forte riduzione della resistenza. Secondo Prandtl, assegnata la portanza, il sistema alare che minimizza la resistenza indotta è un’ala a box (chiamata Best Wing System da Prandtl), nella quale si realizzano le seguenti condizioni: stessa distribuzione di portanza e stessa portanza risultante sulle due ali orizzontali e distribuzione di portanza lineare ad integrale nullo sulle paratie verticali. In queste condizioni ottimali, le velocità indotte dai vortici sono costanti lungo le due ali e identicamente nulle sulle paratie.


Per un monoplano convenzionale la minima resistenza indotta, Dm, si ha quando la distribuzione di portanza è ellittica. La resistenza indotta di un biplano, Db, è minima quando la portanza è equamente ripartita tra le due ali. La minima resistenza indotta di un biplano, inoltre, è inferiore rispetto a quella che si ottiene per un monoplano “ottimo” e si riduce al crescere del rapporto h/b. Analogamente accade che il “triplano ottimo” abbia minor resistenza indotta del biplano ottimo. Facendo tendere il numero di ali all’infinito, la resistenza indotta tende ad un valore minimo; la configurazione alare corrispondente a tale situazione è l’ala a box che, in accordo con Prandtl, è il caso limite di un multiplano con infinite ali, in cui la portanza delle ali interne tende a zero, mentre le ali laterali generano una distribuzione analoga ai vortici d’estremità delle ali interne.
Una soluzione in forma chiusa del problema del Best Wing System è stata ottenuta nel 1999 [1]. Nei casi in cui h/b = (0.1 - 0.2), i risultati sono in leggero disaccordo rispetto a quelli di Prandtl, in particolare la conclusione di Prandtl appare leggermente ottimistica.

A parità di portanza ed apertura, l’efficienza aerodinamica del Best Wing System è maggiore di quella del biplano ottimo e di qualsiasi altro sistema alare. L’interesse pratico dei risultati sul Best Wing System risiede nel fatto che, per h/b nel range di interesse pratico (0.1 – 0.2), la resistenza indotta si riduce del 20-30% rispetto al monoplano ottimo.
Un possibile concetto di velivolo derivante dal Best Wing System prende il nome di “PrandtlPlane”; pertanto, il PrandtlPlane si presenta come l’applicazione ingegneristica del concetto fisico-matematico del Best Wing System.

Presso il DIA, gli ingegneri collaborano con i matematici al fine di applicare i moderni mezzi dell’analisi variazionale per lo studio di problemi aerodinamici complessi, come quelli dei velivoli multi-ala.
Pubblicazioni
[1] A.Frediani, G.Montanari, M.Pappalardo “Sul problema di Prandtl della minima resistenza indotta di un sistema portante” (in Italian), Reprints of the XV AIDAA, Turin, November 1999, p. 267-278.
[2] A.Frediani, M.Chiarelli, A.Longhi, E.Troiani, “The lifting system with minimum induced drag” CEAS/Dragnet –European Drag Reduction Conference 2000, Potsdam, Germany, 19-21 June 2000. Notes on Numerical Fluid Mechanics – Volume 76 (Aerodynamic Drag Reduction Technologies), Peter Thiede Ed, Springer, 2001, 312-319.
[3] A.Frediani, “Sviluppo di una configurazione innovativa di un velivolo da trasporto”, Proc. of th XVI AIDAA Congress, Palermo 2001
[4] A.Frediani, “The Prandtlwing”, Lecture Series INNOVATIVE CONFIGURATIONS AND ADVANCED CONCEPTS FOR FUTURE CIVIL AIRCRAFT, Von Karman Institute, ISBN 2-930389-62-1, VKI 2005-
Personale coinvolto
Prof. Ing. Aldo Frediani

PrandtlPlane di medie dimensioni
Una possibile applicazione ingegneristica del “Best Wing System” ai velivoli è il PrandtlPlane, un biplano in cui l’ala anteriore ha un angolo di freccia positivo, mentre l’ala posteriore ha freccia negativa. La figura mostra in esempio di un velivolo PrandtlPlane di medie dimensioni:


Presso il DIA, l’applicazione del concetto di PrandtlPlane ad un velivolo civile da 250-300 posti è in fase di studio, nei suoi vari aspetti, quali l’aerodinamica, le strutture, la meccanica del volo, i controlli, l’aeroelasticità, ecc.



Il velivolo è progettato nell’ottica dei nuovi requisiti sul futuro traffico aereo, riportati nel documento “Vision 2020” della Comunità Europea, ed in particolare è studiato al fine di raggiungere obiettivi relativi a:
Qualità a costi ridotti
Riduzione delle emissioni nocive
Riduzione del rumore
Sicurezza
Efficienza del sistema di trasporto aereo

Il velivolo è dotato di due piani di carico, uno superiore per i passeggeri ed uno inferiore per le merci e i bagagli. Il cockpit è posizionato al livello del piano di cargo per soddisfare i requisiti di visibilità e, per questioni di sicurezza, è completamente isolato dai passeggeri; dietro il cockpit è presente uno spazio per il riposo dei piloti.
Nell’ipotesi di un rapporto h/b tra 0.1 e 0.2, un PrandtlPlane può offrire una significativa riduzione di resistenza indotta rispetto ad un monoplano con stessa apertura alare e stessa portanza. Inoltre, la possibilità di utilizzare sistemi di ipersostentazione più semplici comporta una riduzione del rumore durante la fase di atterraggio. La forma della fusoliera, priva di interruzioni del piano di carico per via dell’attraversamento dell’ala al di sotto di esso, consente di accelerare le operazioni di carico e scarico a terra, con un conseguente incremento dei tempi di operatività ed un minor costo nella gestione della macchina.


La configurazione PrandtlPlane può essere impiegata per il progetto di un’intera famiglia di velivoli, dalle piccole dimensioni ai VLA, con dimensioni superiori all’odierno A380. Tutti i velivoli sarebbero compatibili con gli aeroporti esistenti. Infatti, nel caso di velivoli più grandi dell’A380, la maggior efficienza della configurazione potrebbe essere sfruttata per ridurre l’apertura alare al di sotto degli 80m, ottenendo comunque valori di resistenza aerodinamica inferiori a quelli dei velivoli convenzionali.

Pubblicazioni
[1] A.Frediani, “Large Dimension Aircraft”, U.S. Patent n.5 899 409, May, 04, 1999
[2] A.Frediani, “New Large Aircraft”, European Patent EP0716978B1, March,20, 2002
[3] A.Frediani, “Velivolo Biplano ad Ali Contrapposte”, Italian Patent FI2003A000043, February, 19, 2003
[4] A.Frediani, M.Chiarelli, M.D’Alessandro Caprice, A.Longhi, G.Lombardi, “Structural design and optimization of the lifting system of a non-conventional new large aircraft”, Int. Forum on Aeroel. and Struct. Des., Rome, 1997
[5] A.Frediani, G.Lombardi, M.Chiarelli, A.Longhi, M.D'Alessandro Caprice, G.Bernardini, “Proposal for a new large airliner with non conventional configuration”, Proc. of the XIV AIDAA Congress, vol. 3, 333, Napoli 1997
[6] A.Frediani, G.Gasperini, M.Saporito, A.Rimondi, “Development of a PrandtlPlane Aircraft Configuration”, Proc. of the XVII AIDAA Congress, pp. 2263 – 2276, Roma 2003
[7] A.Frediani, L.Balis Crema, G.Chiocchia, G.L.Ghiringhelli, L.Morino, “Development of an innovative configuration for transport aircraft; a project of five Italian Universities”, Proc. of the XVII AIDAA Congress, Roma 2003.
[8] A.Frediani, “The PrandtlPlane”, Invited lecture at “Innovative Aircraft Design” symposium –International Conference on Computational and Experimental Engineering & Science- , Madeira (Portugal), 2004
[9] A.Frediani, E.Rizzo, C.Bottoni, J.Scanu, G.Iezzi, “A 250 Passenger PrandtlPlane Transport Aircraft Preliminary Design”, Aerotecnica Missili e Spazio Vol. 84 4/2005
[10] A.Frediani, E.Rizzo, C.Bottoni, J.Scanu, G.Iezzi, L.Chiavacci, “The PrandtlPlane Aircraft Configuration”, Aerodays, Wien, 2006
[11] G.Bernardini, A.Frediani, L.Morino, “MDO of an Innovative Configuration - Aerodynamic Issues", Proceedings of 1999 CEAS/AIAA/ICASE/NASA Langley Research Center International Forum on Aeroelasticity and Structural Dynamics, Williamsburg, Virginia, 22-25 June, 1999, NASA/CP-1999-209136/PT2,p 43-52, 1999.
[12] G.Bernardini, A.Frediani, L.Morino “MDO of innovative configurations - aerodynamic issues” Forum on Aeroelasticity, Williamsburg, June 1999
[13] G.Bernardini, A.Frediani, L.Morino, “Aerodynamics for MDO of an Innovative Configuration”, Aerodyn. Design and Optimizat. of Flight Vehicles in a Concurrent Multi-Disciplinary Environment, RTO Meeting Proceedings, Research and Technology Organization, Neuilly-sur-Seine, France, 2000, p 16.1-16.10.
[14] G.Bernardini, A.Frediani “Aerodynamics for MDO of an innovative configuration”, Symposium on aerodynamic design and optimisation of flight vehicles in a concurrent multidisciplinary environment Conference, Ottawa, October 1999, AGARD, RTO Meeting Proceedings 35, June 2000.

Personale coinvolto
Prof. Ing. Aldo Frediani, Dr. Ing. Emanuele Rizzo, Ing. Vittorio Cipolla
PrandtlPlane Ultraleggero
L’attività di ricerca sui velivoli ULM ha portato negli ultimi anni allo sviluppo di diverse configurazioni di PrandtlPlane ultraleggeri, i quali presentano caratteristiche tali da incrementare la sicurezza del volo.
È stata studiata una versione con piloti affiancati e nel 2006 un modello in scala 1:5 ha volato.

 

L’incremento di sicurezza riguarda i seguenti aspetti: posizione del motore e dell’elica, visibilità, posizione del serbatoio del carburante, controllo in beccheggio, ipersostentatori, caratteristiche allo stallo, qualità di volo. Il motore è posizionato alle spalle dei piloti, installato sul fin (con elica traente) oppure all’interno della fusoliera (con elica spingente). La cabina di pilotaggio è separata dal motore e dai serbatoi tramite una paratia taglia-fuoco. Tale scelta deriva dal fatto che la maggior parte degli incidenti mortali è causata da incendi in cabina. I piloti hanno buona visibilità in tutte le direzioni, in modo tale da ridurre la possibilità di impatti nelle manovre di decollo e atterraggio. Il carburante può essere posizionato all’interno della fusoliera, vicino al baricentro, così da non influenzare significativamente il margine di stabilità durante il volo. All’interno della fusoliera, inoltre, i serbatoi sono protetti dalla sua struttura. Il controllo in beccheggio è ottenuto tramite equilibratori controrotanti su entrambe le ali, in modo tale da introdurre coppie pure e non influenzare la portanza del velivolo.


Presso il DIA, ultraleggeri PrandtPlane vengono progettati tramite procedure che coinvolgono l’ottimizzazione aerodinamica, l’utilizzo di codici a pannelli e codici CFD, e indagano su tematiche relative all’aerodinamica, alle strutture, alla meccanica del volo, ai controlli, ecc.
Un nuovo modello in scala 1:3, rappresentante una versione per piloti in tandem con elica spingente, è in fase di realizzazione.
Schizzo del PrandtlPlane

Analisi VLM (metodo a pannelli)

Verifiche CFD

Modellazione CAD

Costruzione del modello in scala

Pubblicazioni
[1] G.Chiocchia, G.Iuso, E.Carrera, A.Frediani, “A wind tunnel model of a ULM configuration of PrandtlPlane: Design, Manufacturing and Aerodynamic Testing”, Proceedings of the XVII AIDAA Congress, Roma, September 2003.
[2] A.Frediani, E.Rizzo, V.Cipolla, L.Chiavacci, C.Bottoni, J.Scanu, G.Iezzi, “Development of ULM PrandtlPlane aircraft and flying tests on scaled models”, Proceedings of the XIX AIDAA Congress, Forlì 17-21 September 2007.

Personale coinvolto
Prof. Ing. Aldo Frediani, Dr. Ing. Emanuele Rizzo, Ing. Vittorio Cipolla
Velivolo ad Energia Solare
Negli ultimi anni i velivoli ad energia solare hanno suscitato un crescente interesse, in particolar modo per l’impiego in missioni di lunga durata ad alta quota (telecomunicazioni, sorveglianza, telerilevamento). L’utilizzo di fonti di energia rinnovabili, in particolar modo dell’energia solare, è una delle sfide del futuro. In campo aerospaziale, le più importanti ricerche sull’utilizzo dell’energia solare per la propulsione sono state condotte negli USA, negli ultimi anni. Test di volo di alcuni dimostratori tecnologici hanno evidenziato la presenza di problemi ancora aperti, ma anche le concrete potenzialità di tali velivoli.
Una loro possibile applicazione è nota con il nome di HALE (High Altitude Long Endurance) aircraft. I requisiti per i velivoli HALE sono di volare ad alte quote (20-30 km) per tempi sufficientemente lunghi (mesi), con un carico pagante di circa 100 Kg. Alle alte quote, la propulsione solare appare interessante in quanto la radiazione incidente è intensa, l’inquinamento atmosferico sarebbe ridotto e l’esperienza sui pannelli solari per uso spaziale fornirebbe un importante aiuto. Missioni di lunga durata sono realizzabili accumulando parte dell’energia raccolta durante il giorno, al fine di fornire potenza durante il volo notturno.

Il DIA collabora con gli altri Dipartimenti dell’Università di Pisa nel portare avanti un’attività di ricerca di carattere multidisciplinare, il cui scopo è la definizione di possibili configurazioni di velivolo. Le materie coinvolte sono: aerodinamica, strutture, meccanica del volo, aeroelasticità, materiali, analisi del profilo di missione, sistema fotovoltaico, sistema di accumulazione, sistema propulsivo, telecomunicazioni. Da uno studio preliminare, nel quale diverse configurazioni aerodinamiche sono state messe a confronto, è emerso che una velivolo di tipo PrandtPlane ha le potenzialità per coniugare elevata efficienza aerodinamica e rigidezza strutturale.

Pubblicazioni
[1] E.Rizzo, A.Frediani, “A Model For Solar Powered Aircraft Preliminary Design”, Proc. of the XVIII AIDAA Congress, Volterra, September 2005
[2] E.Rizzo, A.Frediani, “A Model For Solar Powered Aircraft Preliminary Design”, The Aeronautical Journal, February 2008

Personale coinvolto
Prof. Ing. Aldo Frediani, Dr. Ing. Emanuele Rizzo, Ing. Vittorio Cipolla