كاربرد روش هاي كامپيوتري CFD براي كاهش نيروي مقاوم بال هواپيما به كمك تكنيك كنترل جريان آرام LFC

كاربرد روش هاي كامپيوتري CFD براي كاهش نيروي مقاوم بال هواپيما به كمك تكنيك كنترل جريان آرام  LFC (1383)

طرح تحقيقاتي داخلي دانشگاه مورخ 28/7/83 با كد 1MEB831

مجري: دكتر احمد صداقت  

 چکيده

صرفه جويي در حد حتي يك درصدي مصرف سوخت هواپيما در مسير پرواز كروز هواپيما مي تواند ميليونها دلار صرفه جويي در هزينه سوخت را براي شركتهاي هواپيمايي بهمراه داشته باشد، مضافاً بر اينكه كاهش آلودگي قابل توجهي را در جهت حفظ محيط زيست به ارمغان بياورد. ميزان مصرف سوخت هواپيما وابسته به قدرت مورد نياز هواپيما ست كه توسط موتور آن تامين مي شود. اين قدرت با ايجاد يك نيروي پيشران صرف غلبه بر نيروي نيروي مقاومي مي شود كه در خلاف جهت حركت هواپيما توسط جريان هوا ايجاد مي شود. اين نيروي مقاوم به نيروي درگ يا نيروي پسا شناخته مي شود. براي كاهش نيروي پسا، روشهاي مختلفي ابداع و اعمال شده است. يكي از روشهاي كاهش نيروي پسا براي مقاطع بال هواپيما  ايجاد مکش از منافذ بسيار ريزي بر روي سطح فوقاني بال است. با مكش هوا از اين منافذ، جريان هوا بر روي بال پايدارتر و تغيير رژيم جريان از آرام به مغشوش ديرتر اتفاق مي افتد. با اين عمل طول ناحيه جريان آرام بر روي بال بيشتر و نيروي پساي كلي بال كاهش مي يابد. تحقيقات زيادي در اين زمينه درموسساتي نظير ناسا بصورت تجربي در آزمايشگاه و يا در تست پرواز بر روي نمونه واقعي هواپيما صورت گرفته است اما كارهاي عددي كمي جهت بهينه كردن روش فوق صورت گرفته است.

 بدين خاطر طرح تحقيقاتي داخلي دانشگاه در سال 1383 ارائه و به تصويب رسيد و متعاقب آن در سال 1385 موفق به جذب دانشجو آقاي مجتبي احمدي به شماره دانشجويي 8501024  جهت انجام پروژه شديم. پيشنهاديه پروژه كارشناسي ارشد ايشان تحت عنوان "تحليل عددي کنترل جريان آرام به کمک مکش بر روي ايرفويلها"  تحت راهنمايي اينجانب و استاد مشاور جناب آقاي دكتر ثقفيان صورت گرفت و در سال 1387 كار پروژه و نگارش تز تكميل و دفاع شد. نتيجه اين تحقيق تائيد نمود كه كاهش نيروي پسا براي تمامي مقاطع ايرفويلي مورد بررسي محقق شده است. علاوه بر اين، خروجي هايي مهم ديگري شامل  تهيه دو كد عددي بعنوان ابزارهاي اين تحقيق،چاپ دو مقاله ارائه شده دركنفرانسهاي انجمن مهندسين مكانيك ايران و كنفرانس هوافضا و يك مقاله ژورنالي در نشريه مهندسي هوافضا شد. اخيراً هم مقاله ديگري از نتيجه اين تحقيق بزبان انگليسي به يكي از ژورنالهاي معتبر بين المللي خارجي ارسال شده است.

 كد اول تحت عنوان كد عددي TVD با تغييرات کل از بين رونده است که معادلات ناوير-استوکس متوسط گيري شده رينولدز را براي جريان دوبعدي مغشوش به روش ضمني حل مي‌کند. اين كد عددي براي مقاطع ايرفويلي با مكش جريان تعميم داده شد. هدف تحقيق دست يابي به جرياني آرام حول ايرفويل است كه با اعمال مکش بر جريان،  محل گذار جريان از رژيم آرام به رژيم مغشوش به تاخير بيفتد كه با اين عمل نسبت نيروي برآ (ليفت) به نيروي پسا (درگ) بيشينه شود. براي تعيين نقطه گذار جريان از رژيم آرام به مغشوش، كد عددي ديگري كه مبتني بر روش e^N است تدوين و تهيه شد. در روش e^N که برمبناي تحليل پايداري خطي بنا نهاده شده است، از حل معادلات اور-سامرفلد براي تعيين ميزان رشد امواج اغتشاشي استفاده مي‌کند. براي حل معادله اور-سامرفلد از روش تفاضل محدود و تبديل آن معادله به يک معادله ماتريسي استفاده شده است.

 در اين تحقيق براي ارزيابي روش e^N، نتايج حاصل از كد عددي براي تعيين گذار جريان حول ايرفويل NACA 0012 با نتايج تجربي مقايسه شده است که اين مقايسه حاکي از موفقيت اين روش در تعيين گذار براي جريان حول ايرفويلها مي‌باشد. در مرحله بعد، کنترل جريان با استفاده از مکش براي جريان هواي عبوري حول ايرفويل انجام شدكه نتايج کد TVD حاضر با نتايج تجربي جريان براي دو حالت جريان بدون مکش و جريان داراي مکش حول ايرفويل VFW-VA-2 مقايسه شد که تطابق خوبي بين نتايج تحقيق حاضر و نتايج تجربي مشاهده گرديد. پس از ارزيابي روش حل، فرآيند جستجوي مقادير بهينه پارامتر هاي موثر بر مکش نظير محل اعمال مکش و ميزان مکش اعمال شده براي جريان حول ايرفويل NACA 65₃-018 انجام شد. اين کار با هدف کنترل گذار جريان و به کمک اطلاعات بدست آمده از وضعيت پايداري جريان صورت پذيرفت. در کليه حالتهاي اعمال مکش که با تغيير دادن محل سوراخ مکشي انجام شد، تاخير در گذار جريان نسبت به حالت بدون مکش بدست آمد. همچنين با مقايسه چندين حالت بررسي شده، اين نتيجه حاصل شد که بيشترين تاخير در گذار جريان هنگامي رخ مي دهد که محل اعمال مکش در فاصله بين نقاط گذار جريان و نقطه بحراني جريان و نزديکتر به نقطه بحراني باشد. زيرا فاصله بين اين دو نقطه، که ناپايداريها و اغتشاشات جريان به سرعت در حال رشد و تقويت هستند، مناسب ترين محل براي کنترل گذار جريان است. همچنين هر قدر محل اعمال مکش به نقطه بحراني که منشا توليد اغتشاشات است نزديکتر باشد، دامنه جريان آرام روي ايرفويل گسترده‌تر مي‌گردد. اما به طور موازي تاثير مکش بر ضرايب نيروهاي آيروديناميکي وارد بر ايرفويل نيز بررسي شد که در تمامي حالتهاي بررسي شده، مقدار ضريب ليفت با اعمال مکش نسبت به حالت بدون مکش افزايش يافت و مقدار ضريب درگ به جز در چند حالت اندک، در ساير حالتها کم شد. ليکن در کليه جريانهايي که مکش به آنها اعمال شد مي توان شاهد افزايش پارامتر نسبت ليفت به درگ بود. يکي ديگر از اثرات مثبت مکش بر جريان حذف يا کاهش پديده جدايش جريان است که معمولا در جريان بر روي ايرفويلها در نواحي با زاويه حمله بالا رخ مي‌دهد که اين مورد نيز در بخش نتايج اشاره شده است.

 کلمات کليدي: تحليل پايداري هيدروديناميکي، جريانهاي لايه مرزي، معادله اور-سامرفلد، پيش‌بيني گذار، روش e^N، کنترل جريان آرام، مکش سطحي