بررسی، شبیه‌سازی و اعمال اثرات مقیاس هندسی در تخمین و محاسبات ضرایب آیرودینامیکی ایرفویل NACA 0012 از مقیاس تونل باد به ابعاد واقعی

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 استادیار، دانشکدگان علوم و فناوری‌های میان رشته‌ای، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه تهران، تهران، ایران

10.22044/jsfm.2023.13300.3757

چکیده

بررسی و مطالعه اثرات مقیاس مدل بر تست‌های آیرودینامیکی مدل مقیاس به‌منظور تعمیم آن به مقیاس واقعی، با توجه به تأثیر مستقیم بر عملکرد سیستم پروازی، بسیار حائز اهمیت است. هدف پژوهش حاضر مطالعه و شبیه‌سازی CFD مدل‌های مقیاس آیرودینامیکی ایرفویل NACA 0012 باهدف استخراج اثرات تغییرات مقیاس هندسی و ارائه متدولوژی اعمال این اثرات بر عملکرد آیرودینامیکی ایرفویل است. از نرم‌افزار تجاری Ansys Fluent 2019 R3 به‌منظور شبیه‌سازی‌های CFD و مطالعه اثرات مقیاس بر عملکرد استفاده‌شده است. 16 سناریو مقیاس شامل تغییر عدد رینولدز و زوایای حمله با فرض عدد ماخ ثابت 0/256 است. طول کورد ایرفویل 50 سانتی‌متر (رینولدز 3 میلیون) به‌عنوان مدل مبنا در شبیه‌سازی‌ها در نظر گرفته‌شده است. میزان انحراف نتایج صحت‌سنجی شده برای ضرایب پسا و برآ به ترتیب 11 و 1 درصد است. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که در زاویه حمله 10 درجه، افزایش 2 برابری طول ایرفویل (رشد رینولدز از 3 تا 6 میلیون) منجر به کاهش 7/92 درصدی در ضریب پسا، افزایش 1/25 درصدی در ضریب برآ و کاهش 18/30 درصدی در ضریب ممان پیچشی می‌شود. نصف شدن طول ایرفویل در زاویه حمله 15 درجه، افزایش 16/29، کاهش 3/49 و افزایش 9/22 درصدی مقادیر ضرایب پسا، برآ و ممان پیچشی را به دنبال دارد. از دستاوردهای مهم پژوهش حاضر معرفی و ارائه روابط و همبستگی‌هایی برای پارامترهای عملکردی آیرودینامیکی ضرایب پسا، برآ و ممان پیچشی برای هر یک از سناریوها برمبنای نتایج شبیه‌سازی‌ها است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Buckingham, Edgar (1914) "On physically similar systems; illustrations of the use of dimensional equations." Physical review 4, no. 4: 345.
[2] Smil, Vaclav (2006) Transforming the twentieth century: technical innovations and their consequences. Vol. 2. Oxford University Press.
[3] Kaushik, Balaji, and Willem Anemaat (2012) "Methods to scale subsonic wind tunnel data to full-scale." In 30th AIAA applied aerodynamics conference,: 3228.
[4] Xue, Fei, Yuchao Wang, and Han Qin (2020) "Derivation and validation of wind tunnel free-flight similarity law for store separation from aircraft." Aerospace Science and Technology 97: 105614.
[5] Yarlett, Amanda, Ronald Adrezin, Alfred Gates, and Fu-Shang Wei (2000) "Analysis and manufacture of dynamically scaled wind tunnel models." In 41st Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference and Exhibit: 1694.
[6] Anderson, Brian P., James Greathouse, Jessica Powell, James C. Ross, Barry Porter, Patrick W. Goulding, Matthew Zwicker, Catherine Mollmann, Edward T. Schairer, and Laura K. Kushner (2017) "Sub-Scale Orion Parachute Test Results From the National Full-Scale Aerodynamics Complex 80-by 120-ft Wind Tunnel." In 24th AIAA Aerodynamic Decelerator Systems Technology Conference,: 4203.
[7] Askari, R., M. R. Soltani, K. Mostoufi, A. Khajeh Fard, and M. Abedi (2019) "Angle of attack investigations on the performance of a diverterless supersonic inlet." J. Appl. Fluid Mech. 12, no. 6: 2017-2030.
[8] Beaulieu, W., V. Bytyurin, and A. Klimov (1999) "Plasma aerodynamic WT tests with 1/6 scale model." In Proc. of the Workshop on Magneto-Plasma-Aerodynamics in aerospace applications, Moscow, vol. 1: 44.
[9] Soltani, M. R., and R. Askari (2019) "On the performance of a body integrated diverterless supersonic inlet." Aerospace Science and Technology 91: 525-538.
[10] McClinton, C., R. Voland, S. Holland, W. Engelund, J. White, and J. Pahle (1998) "Wind tunnel testing, flight scaling and flight validation with Hyper-X." In 20th AIAA Advanced Measurement and Ground Testing Technology Conference: 2866.
[11] Askari, R., and M. R. Soltani (2019) "Effects of Mach number on the performance of a diverterless supersonic inlet." J. Aircra. 56, no. 4: 1697-1707.
[12] ROONEY, E., R. CRAIG, and R. LAUER (1977) "Correlation full scale wind tunnel and flight measured aerodynamic drag." In 13th Propulsion Conference, 996.
[13] Tureaud, Thomas, Neill Smith, Thomas Tureaud, and Neill Smith (1997) "Wind tunnel characterization of a scaled Class IV aerostat." In 12th Lighter-Than-Air Systems Technology Conference, 1487.
[14] Ting, Eric, Sonia Lebofsky, Nhan T. Nguyen, and Khanh V. Trinh (2014) "Static Aeroelastic Scaling and Analysis of a Sub-Scale Flexible Wing Wind Tunnel Model." In 55th AIAA/ASMe/ASCE/AHS/SC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, 0838.
[15] Squires, Patrick, and William Warmbrodt (2012) "correlation of full-scale and small-scale wind-tunnel tests of a helicopter fuselage." In Applied Aerodynamics Conference, 1786.
[16] Askari, R., and M. R. Soltani (2018) "Two-and three-dimensional numerical simulations of supersonic ramped inlet." Scientia Iranica 25, no. 4: 2198-2207.
[17] Rudnik, R., and Eric Germain (2009) "Reynolds number scaling effects on the european high-lift configurations." J. Aircraft 46, no. 4 : 1140-1151.
[18] Askari, Rasoul, Mohammad Reza Soltani, and Afshin Khajeh Fard (2017) "Geometrical Scaling Effects on Supersonic Inlet Performance." ASME 2017 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. American Society of Mechanical Engineers.
[19] Abedi, M., R. Askari, J. Sepahi, and M. R. Soltani (2020)"Axisymmetric and three-dimensional flow simulation of a mixed compression supersonic air inlet." Propulsion and Power Research 9, no. 1: 51-61.
[20] Askari, R., and M. R. Soltani (2020) "Flow Asymmetry in a Y-Shaped Diverterless Supersonic Inlet: A Novel Finding." AIAA J. 58, no. 6: 2609-2620.
[21] Selig, Michael S., and Bryan D. McGranahan (2004) "Wind tunnel aerodynamic tests of six airfoils for use on small wind turbines." J. Sol. Energy Eng. 126, no. 4: 986-1001.
[22] Selig, Michael, Robert Deters, and Gregory Wiliamson (2011) "Wind tunnel testing airfoils at low Reynolds numbers." In 49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, p. 875.
]23[ عسکری رسول، ابراهیمی حمید، سلطانی محمدرضا و خواجه‌ فرد، افشین. (1394). " بررسی اثر مقیاس هندسی بر عملکرد ورودی هوای مافوق صوت". کنفرانس بین المللی انجمن هوا فضای ایران. SID. https://sid.ir/paper/895030/fa
 [24] Llorente, E., A. Gorostidi, M. Jacobs, W. A. Timmer, X. Munduate, and O. Pires (2014) "Wind tunnel tests of wind turbine airfoils at high Reynolds numbers." In J. Phys.: Conf. Seri., vol. 524, no. 1, p. 012012. IOP Publishing.
]25[ عسگری سوادجانی محمود، قدیری بهزاد. (1397) بررسی عددی اثرات هندسه ی ایرفویل بر ساختارهای جریانی در یک فن زیرصوتی با کمک روش شبیه سازی گردابه‌های بزرگ. مهندسی مکانیک مدرس; ۱۸ (۳) :۱۵۳-۱۶۳
[26] Pires, O., X. Munduate, O. Ceyhan, M. Jacobs, and H. Snel (2016) "Analysis of high Reynolds numbers effects on a wind turbine airfoil using 2D wind tunnel test data." In. J. phys.: conf. series, vol. 753, no. 2, p. 022047. IOP Publishing.
[27] Temam, Roger (2001) Navier-Stokes equations: theory and numerical analysis. Vol. 343. American Mathematical Soc.
[28] Menter, Florian R (1994) "Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications." AIAA J. 32, no. 8: 1598-1605.
[29] Ladson, Charles L (1988) "Effects of Independent Variation of Mach and Reynolds Numbers on the Low-Speed Aerodynamic Characteristics of the NACA 0012 Airfoil Section," NASA TM 4074, Vol. 4074.
[30] Ladson, C. L., Hill, A. S., and Johnson, Jr., W. G. (1987) "Pressure Distributions from High Reynolds Number Transonic Tests of an NACA 0012 Airfoil in the Langley 0.3-Meter Transonic Cryogenic Tunnel," NASA TM 100526.