توضیحات

پروژه شبیه سازی تحلیل جریان آیرودینامیک حول بالواره یا ایرفویل مرکب سه المانی در زاویه حمله 4 درجه در نرم افزار انسیس فلوئنتANSYS FLUENT

 

ایرفویل(airfoil):

در چند دهه گذشته شاهد پیشرفت های زیادی در دینامیک سیالات محاسباتی(CFD) بوده ایم. برخلاف اوایل دهه شصت که محاسبات ایرفویل با استفاده از روش های اولیه پانل و حل کننده های لایه مرزی جریان های بسیار ساده انجام می گرفت، محاسبات عادی امروزی با استفاده از حل کننده های ناویراستوکس آن هم نه برای ایرفویل ساده بلکه برای پیکره هواپیما صورت می گیرد. یکی از این محاسبات که از دیرباز مورد توجه محققین بوده مسأله تحلیل جریان حول ایرفویل می باشد. قابلیت مانورپذیری یک هواپیما(یعنی کوچکترین شعاع چرخش و سریع ترین نرخ چرخشی که امکان پذیر است)، به میزان ضریب برای ماکزیمم بستگی دارد. از طرف دیگر برای یک ایرفویل در یک عدد رینولدز مشخص، ضریب لیفت(برآ) ماکزیمم تابعی است که در درجه اول به شکل بستگی دارد. پس از مشخص شدن شکل، مقدار ضریب لیفت (برآ) ماکزیمم را طبیعت مسأله تعیین می کند. بنابراین برای افزایش ضریب برای ماکزیمم یک شکل خاص باید از سیستم ها و وسایل خاصی استفاده نمود. این سیستم ها و وسایل را سیستم های افزاینده لیفت(High Lift Devices) می نامند. هدف اصلی استفاده از سیستم های افزایش دهنده نیروی برآ، ایجاد بیشترین نیروی برای ممکن بدون ایجاد اثر معکوس در پدیده جدایش می باشد. به استثنای وسایل خارجی مشخص مانند مکش لایه مرزی دیواره، مؤثرترین راه برای دستیابی به هدف بالا، استفاده از ایرفویل مرکب می باشد تا توزیع فشار لزج را به منظور کاهش اثر افزایش فشار هر المان، تنظیم کند؛ اما در این بین پیکره های چند المانی به طور جدی باعث پیچیدگی تحلیل جریان به علت برهمکنش پیچیده بین قسمت های ایرفویل می شوند. حضور جریان های رینولدز بالا و رینولدز پایین روی قسمت های مختلف ایرفویل ها و همچنین پیوند و الحاق ممکن لایه های برشی، کدنویس ها را در این زمینه به تکاپو واداشته است. پیشرفت مدل های جریان مغشوش نیز یکی از دلایل توجه محققین به این نوع مسایل می باشد.

ایرفویل مرکب:

ایرفویل های مرکب، ایرفویل های به دقت کوپل شده ای هستند که از دو یا چند المان تشکیل یافته اند. دلیل استفاده از این ایرفویل ها در ادامه توضیح داده می شود. نیروهای لیفت(برآ) و درگ( پسا) با مجذور سرعت رابطه مستقیم دارند. به طوری که اگر سرعت دو برابر شود نیروهای برآ و پسا چهار برابر خواهند شد(به فرض این که سایر شرایط تغییر ننماید). بدین ترتیب اگر برای فرود، خلبان سرعت هواپیما را به یک چهارم تقلیل دهد نیروی برآ به یک شانزدهم مقدار قبلی خود کاهش پیدا می کند. در بعضی اوقات لازم است که برای کم کردن سرعت هواپیما و یا جلوگیری از ازدیاد آن به مقدار پسای هواپیما اضافه شود.

با درنظرگرفتن اینکه نیروی برآ بایستی اثر وزن هواپیما را خنثی نماید ملاحظه می شود که بایستی وسیله ای به کار رود تا در سرعت های کم تولید نیروی برای اضافی(و تاوان آن نیروی پسای اضافی) کند تا هواپیما بتواند با سرعت کمتری پرواز نماید.

مهمترین این وسایل به شرح زیر است:

-فلپ(flap)

-اسلت(slat)

-وسایل کنترل لایه مرزی بر روی بال.

 

 

شکل ایرفویل مرکب سه المانی.

فلپ(flap):

سطحی است که در لبه فرار نزدیک به بدنه قرار میدهند که در حالت معمولی(بسته) تغییری در شکل بال نمی دهد ولی موقعی که به وسیله فرمان از داخل کابین حرکت می نماید باعث افزایش انحنای بال و یا سطح آن می گردد. فلپ ها در یک زاویه حمله ثابت باعث افزایش نیروی برگ می شوند. به طورکلی عمل فلپ افزایش برآ از طریق زیاد کردن انحنای مؤثر بال و زاویه حمله بال است. زیرا همان طوری که در شکل فوق دیده می شود وتر بال که مطابق تعریف خطی است که لبه حمله را به لبه فرار وصل می کند موقعی که فلپ باز می شود به صورت خط جدیدی در می آید که زاویه آن با جهت جریان هوا بیشتر شده و از طرفی انحنای سطح فوقانی نسبت به وتر جدید افزایش پیدا کرده است.

اسلت(slat):

سطحی است که در لبه حمله و نزدیک به بدنه قرار می دهند و هنگامی که افزایش زاویه حمله باعث افزایش نیروی برآ نمی شود، اسلت موجب به تاخیر افتادن پدیده واماندگی می شوند. درنتیجه زاویه حمله را تا مقادیر بیشتری می توان افزایش داد و این عمل باعث حصول نیروی برای بیشتری می گردد. در تعریف دیگری، فلپ ها سطوح مفصلی تلقی می شوند که در انتهای ایرفویل قرار می گیرند.

فلپ ها همچنین در برخی هواپیماهای جت سرعت بالا در جلوی ایرفویل قرار می گیرند که به آن ها فلپ کروگر می گویند. فلپ ها باعث افزایش طول خط انحنا می شوند و بنابراین ضریب برآ را افزایش می دهند. بعضی از فلپ ها که روی لبه فرار قرار می گیرند علاوه بر افزایش طول خط کمبر باعث افزایش مساحت تصویر شده سطح بالا می شوند که درنتیجه، باعث می شود هواپیما به نیروی برای مشخصی در سرعت های پایین تری دست یابد. فلپ فاولر نمونه ای از این فلپ ها می باشد.

اثر فلپ:

-افزایش نیروی برآ، از طریق:

• افزایش طول وتر (انحنای مؤثر بال)
• افزایش زاویه حمله بال
• افزایش سطح تصویر شده بال

 

اثر اسلت:

افزایش نیروی برآ از طریق:

• به تاخیرافتادن پدیده واماندگی.

پدیده جدایش(separation):

جدایش جریان از آثار لزجت است و نتیجه جدایش جریان افت نیروی برآ، ازدیاد نیروی پسا و رسیدن ایرفویل به حالت واماندگی می باشد. این حالت، سبب کاهش شدید عملکرد ایرفویل می شود. علاوه بر این، جدایش روی بال سبب نویز شدید نیز می گردد.

پدیده واماندگی(stall):

وقتی جدایش جریان به حدی می رسد که نیروی برآ به صورت ناگهانی افت شدیدی پیدا کند، گفته می شود که ایرفویل به نقطه واماندگی رسیده است. زاویة مربوط به نقطة واماندگی از دیگر مشخصه های مهم ایرفویل است. هرچه قدر زاویه حمله واماندگی بزرگتر باشد برای ما مطلوبتر است زیرا پدیدة واماندگی دیرتر اتفاق می افتد هواپیما می تواند در زاویه حمله بیشتری پرواز کند و قابلیت مانورپذیری بیشتری پیدا می کند. این امر برای جنگنده ها که نیاز به مانور بالا دارند حیاتی است. همان طور که در شکل فوق نشان داده شده است عدد رینولدز پارامتری است که باعث افزایش زاویه حمله واماندگی می گردد. با تغییر عدد رینولدز تنها ضریب برآ ماکزیمم و به تبع آن زاویه حمله واماندگی تغییر می نماید و بقیه پارامترها از جمله شیب برآ و زاویة حمله برآ صفر ثابت می ماند.

ضریب برآ ماکزیمم:

بیشترین مقدار ضریب برآ که قبل از پدیدة واماندگی رخ می دهد، ضریب برآ ماکزیمم نامیده می شود. ضریب برآ ماکزیمم یکی از پارامترهای مهم در ایرفویل ها است و بخش بزرگی از تحقیقات جدید در خصوص بالاتربردن این پارامتر می باشد. قابلیت مانورپذیری یک هواپیما به میزان ضریب برآ ماکزیمم بستگی دارد. برای یک ایرفویل در یک عدد رینولدز مشخص، ضریب برآ ماکزیمم تابعی است که در درجه اول به شکل بال بستگی دارد. پس از مشخص شدن شکل بال، مقدار ضریب برآ ماکزیمم را طبیعت مساله تعیین می نماید.

اثرات افزایش ضریب برآ ماکزیمم:

-کاهش سرعت در هنگام فرود و بلندشدن هواپیما

-کوتاه شدن باند فرود

– کاهش مصرف سوخت

– افزایش ظرفیت ترابری هواپیما

روش های افزایش ضریب برآ ماکزیمم:

برای افزایش ضریب برآ ماکزیمم یک هواپیما باید از سیستم ها و وسایل خاصی استفاه نمود. هدف اصلی استفاده از وسایل افزایش دهنده نیروی برای ایجاد بیشترین نیروی برای ممکن بدون ایجاد اثر معکوس در پدیده جدایش می باشد. به استثنای وسایل خارجی مشخص مانند مکش لایه مرزی دیواره، مؤثرترین راه برای دستیابی این هدف، استفاده از ایرفویل های چند المانی(multi-elements airfoils) می باشد، اما در این بین پیکره های چند المانی به طور جدی باعث پیچیدگی تحلیل جریان به علت برهمکنش پیچیده بین جریان های قسمت های مختلف ایرفویل می شوند.

کاربرد ایرفویل های چند المانی:

امروزه، استفاده از سیستم های لیفت(برآ) بالا به یکی از فاکتورهای مهم در طراحی هواپیما تبدیل شده است به دلیل اینکه به شدت بر روی هزینه و راندمان هواپیما تاثیر می گذارد. طراحی سیستم های چند المانی با نیروی لیفت زیاد برای هواپیماها همواره مورد توجه محققین قرار داشته است. اگرچه این سیستم ها پیچیده و گران قیمت هستند اما برای بالا بردن کارایی کروز و کاهش مسافت طی شده تا بلندشدن و نشستن هواپیما ضروری است. علاوه بر هواپیما یکی دیگر از کاربردهای ایرفویل های چند المانی، اتومبیل های مسابقه می باشد. به علت وجود قوانینی مبنی بر محدودیت حجم کل اتومبیل در مسابقات، برای ایجاد نیروی به سمت پایین در انتهای آن تنها می توان از ایرفویل مرکب استفاده نمود. در دو شاخه جلوی دوچرخه های رکوردگیری نیز به تازگی از ایرفویل مرکب استفاده می شود. این امر به دلیل کنترل بهتر جریان هوا و در نتیجه کاهش نیروی پسای ناشی از چرخ جلو می باشد. فلپ وسیله ای است که اغلب در صنایع هواپیما سازی مورد استفاده واقع می شود. این وسیله برای افزایش نیروی برآ هنگام بلند شدن هواپیما و کاهش نیروی برآ (افزایش نیروی پسا)، هنگام نشستن هواپیما مورد استفاده واقع می شود. بنابراین به نظر می رسد که استفاده از فلپ ها به جز در صنعت هواپیما سازی، در صنایع دیگر که نیروی برآ از اهمیت زیادی برخوردار است، همچون ساخت توربین های بادی محور افقی نیز بتواند به عنوانی راهکاری مناسب مورد استفاده واقع شود. اما طراحی و استفاده از این وسایل بسیار پرهزینه می باشد. علاوه بر آن تعمیر و نگهداری این وسایل پیچیده و نیاز به هزینه های زیاد می باشد. فلپ ها باعث افزایش طول وتر می شوند و در نتیجه سطح مقطع بال افزایش می یابد و در نهایت نیروی وارد شده به پره ای که از فلپ استفاده می کند نسبت به پره ای بدون فلپ بیشتر می باشد. علاوه بر افزایش نیرو، فلپ ها می توانند حول محوری تحت زوایای مختلف دوران کنند و باعث ایجاد نیروی برا و یا پسا مورد نیاز در شرایط مختلف شوند. استفاده از فلپ ها نیازمند تکنولوژی پیشرفته و هزینه ی زیاد می باشد که اغلب فقط برای صنایع هوایی مورد استفاده واقع می شود و برای صنایع دیگر مقرون به صرفه نخواهد بود.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی تحلیل جریان آیرودینامیک حول بالواره یا ایرفویل مرکب سه المانی در زاویه حمله 4 درجه در نرم افزار انسیس فلوئنتANSYS FLUENT انجام شده است.

ایرفویل سه المانی:

هندسه مسئله:

هندسه مسئله در نرم افزار انسیس دیزاین مدلر ترسیم شده است.

شبکه و مش:

شبکه و مش در نرم افزار انسیس مشینگ(ANSYS Meshing) تولید شده است.

شبیه سازی و حل:

شبیه سازی در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است.

حلگر:

حلگر فشار مبنا (Pressure based) در شرایط پایا استفاده شده است.

مدل لزجت:

مدل جریان آشفته دو معادله ای k-ω SST استفاده شده است.

سیال:

سیال مورد استفاده هوا می باشد که خواص آن در شکل زیر نشان داده شده است.

وابستگی سرعت-فشار:

برای وابستگی سرعت-فشار از الگوریتم حل پیوسته(coupled) استفاده شده است. برای گسسته سازی معادله فشار از روش مرتبه دوم و برای گسسته سازی مومنتوم و انرژی از طرح بالادست مرتبه دوم استفاده شده است.

 

 

نمونه نتایج شبیه سازی: