L’Ugello, un “Must” per l’Ingegneria: Principi fisici e Applicazioni

Per Ugello, in Fluidodinamica e Termodinamica Applicata, si intende un dispositivo energetico, costituito da un tubo a tratto convergente. Il fluido in questione attraversa tale condotto, dapprima sulla sezione a diametro maggiore e successivamente converge in quella a diametro minore. Tutto ciò, mediante l’effetto Venturi, crea l’aumento della velocità relativa del fluido, con conseguente abbassamento della pressione. Il tutto può essere generalizzato in ambito pratico, come nel caso di:

Aerei, propulsori a turbina a gas (TurboGas), propulsori a TurboGetto a doppio flusso (TurboFan / TurboVentola), condotte idrauliche, carburatori, condotta di scarico. L’ugello è in grado, quindi, di garantire una trasformazione di energia termica in energia cinetica, al fine di ottenere “spinta” utile.

• Ipotesi di lavoro:

La progettazione ingegneristica dell’Ugello è fondamentale per ogni tipo di applicazione. Lo studio viene fatto sia sulla sua geometria, sia sul regime di moto del fluido in questione. Le ipotesi fatte, per “semplificare” l’analisi e la progettazione, sul fluido sono fondamentali:

• Si assumono costanti le proprietà meccaniche del fluido in corrispondenza di una qualsiasi sezione trasversale del condotto, al cui interno scorrerà il fluido;
• le grandezze sono funzione di una sola variabile dimensionale (proiezioni delle stesse lungo gli assi di rifermento cartesiano). Supponendo di osservare il propulsore, o condotta che dir si voglia, lungo la linea orizzontale: Identificheremo l’ascissa come unica variabile dimensionale dipendente del fluido (chiamato mono-dimensionale);
• assumendo il condotto a diametro costante, parleremo di fluido strettamente mono-dimensionale. Ma ciò non ci riguarda!

Infine si considera un fluido caloricamente e termicamente perfetto. Il perché? Semplice! Sarebbe abbastanza difficoltoso studiare, termodinamicamente parlando, un fluido (come gas) in cui i calori specifici, a volume e pressione costante, varino al variare della temperatura: Pertanto li assumeremo costanti al variare della temperatura.

Le grandezze come energia interna specifica ed entalpia interna specifica possono essere espresse rispettivamente nella seguente forma:

• e=C_v*T ;
• h=C_p*T

Si considera il fluido termicamente perfetto: energia interna e entalpia specifica sono funzioni della sola temperatura (T).

Infine lo si considera isoentropico e stazionario, vale a dire ad entropia costante e con proprietà cinematiche e dinamiche indipendenti dal tempo.

• Principi fisici:

La conversione da energia termica a energia cinetica “propulsiva” avviene mediante una fase di espansione del fluido. A seguito c’è l’espulsione del fluido a pressione maggiore di quella ambiente (esterno), mediante Ugello. L’Ugello quindi gestisce, mediante la sua geometria, le grandezze macroscopiche per un fluido, come la Pressione.

Quindi, è la Pressione a gestire l’intero processo e il teoremi alla base sono:

• Principio della conservazione della portata massica: All’aumentare della sezione attraversata dal fluido, diminuisce la velocità di quest’ultimo, al fine di garantire portata massica fluente costante;
• Principio di Bernoulli: All’aumentare della velocità, quindi dell’energia cinetica, diminuisce l’energia di pressione, e di conseguenza la pressione, per mantenere costante l’energia termica del fluido.

Pertanto, a monte dell’Ugello ci deve essere una pressione maggiore di quella a valle, altrimenti cadremmo nell’assurda condizione di creare depressione interna al propulsore stesso: Flusso entrante e non uscente.

Fondamentale, come abbiamo già affermato, è quindi la geometria dello scarico (Ugello). Esso è caratterizzato da un tratto convergente (e/o divergente) e da una sezione di gola, vale a dire la sezione più piccola del dispositivo.

Le velocità raggiunte dal fluido e dall’aria in aspirazione sono molto elevate. In quest’ambito si introduce un numero adimensionale, fondamentale per la progettazione della geometria stessa: Il numero di Mach (Ma).

• Mach, un parametro fondamentale:

Il numero di Mach lo si ricava dal Teorema di Buckingham ed è definito come definito come il rapporto tra la velocità relativa di un corpo in moto in un fluido e la velocità del suono nel fluido considerato. Non a caso gli aerei da caccia in grado di infrangere il cosiddetto muro del suono, sono chiamati Mach.

Distinguiamo i vari casi di progettazione dell’Ugello, in funzione delle condizioni d’esercizio del propulsore analizzato, il tutto mediante il numero di Mach (Ma):

• Flusso in regime sub-sonico (Ma<1): il condotto dell’Ugello deve essere convergente, ossia la misura della sezione è inversamente proporzionale all’ascissa considerata, in questo caso la sezione di gola coincide con l’ultima sezione dell’Ugello;
• Flusso in regime critico (Ma=1): per poter garantire un fluido accelerato e quindi spinta, è necessario un ugello con tratto Convergente-Divergente, detto Ugello De Laval. In questo caso la sezione di gola non coinciderà con l’ultima sezione, ma con quella che separa i due tratti differenti (esempio in fig.2);
• Flusso in regime Super-sonico (Ma>1): In questo caso la spinta è garantita da un tratto divergente per l’Ugello, vale a dire con una sezione a diametro crescente proporzionalmente all’ascissa percorsa. Super-sonico è da associare a velocità elevatissime. Essendo Ma>1, dal rapporto notiamo che la velocità relativa del fluido è maggiore di quella del suono nello stesso.

• E per quei propulsori in grado di raggiungere entrambe le condizioni?

La fase di progettazione è molto complessa, poiché all’interno dell’Ugello non esiste una continuità perfetta di flusso, anzi: Vengono a crearsi onde d’urto in direzione normale e obliqua, fenomeni di contra-pressione, interferenza tra vene fluide.
Tutto ciò crea cadute di pressione, con conseguente perdita di spinta. Il regime di moto per giunta non è laminare, ma Turbolento, quindi difficile da studiare.

I motori aeronautici sono in grado di raggiungere le condizioni precedentemente elencate, grazie all’ottima aerodinamicità e alla presenza di un post-bruciatore.

Il post- bruciatore è in grado di garantire alte velocità in quanto, separa la fase di combustioni in due fasi, ottimizzandola. Vengono raggiunte alte temperature e di conseguenza bassa portata fluente, rendendo “apparentemente inutile” il post-bruciatore.

Il problema appare evidente. Come poter garantire “spinta” in entrambe le condizioni, senza dover ipoteticamente modificare manualmente l’Ugello di scarico in volo?

Si utilizza una configurazione delle sezioni di gola degli ugelli “a petali“.
Quando il sistema post-combustore è spento, a velocità inferiori (caso sub-sonico), l’Ugello assume forma convergente.
Quando invece il sistema post-combustore viene acceso (caso super-sonico), la sezione di gola si allarga, ottenendo una configurazione divergente.

Il difetto che se ne ottiene è che le pareti dell’ugello non sono continue, come potete notare dalla Fig.1. Il sistema è caratterizzato da petali interni ed esterni, che scorrono gli uni sugli altri. Con questa soluzione si ha, perciò, una diminuzione del rendimento termico del propulsore.

• Applicazioni interessanti?

Altre interessanti applicazioni dello scarico a geometria variabile (“a petali”) potete trovarli nell’approfondimento legato all’Optimizing dell’impianto di scarico.

“Optimizing” dell’impianto di scarico: Valvola parzializzatrice & Geometria Variabile