تأثیر توزیع المان‌های زبری بهینه یابی شده بر رفتار مدارهای فاز پُرتریت در رینولدز بحرانی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی ، دانشگاه فردوسی مشهد

2 ایران، مشهد، میدان آزادی، دانشگاه فردوسی مشهد، دانشکده مهندسی، گروه مهندسی مکانیک

3 گروه مکانیک دانشگده مهندسی دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

در مطالعه پیش‌رو با بهینه یابی طول و ارتفاع توزیع المان‌های زبری که به‌عنوان ابزاری کارآمد در کنترل غیر-فعال جریان بر روی بالواره با سطح مقطع (0417)NASA- LS، می‌باشد، سعی در بررسی تأثیر المان‌های زبری بر مدار‌های فاز پرتریت و بهبود بخشیدن به عملکرد آیرودینامیکی بالواره مذکور در دستور کار بوده است. به‌منظور دست یافتن به اهداف این تحقیق، عدد رینولدز و زاویه حمله به ترتیب در مقادیر و زوایای پیش از واماندگی درجه تنظیم‌شده است. در این تحقیق با رویکردی عددی تأثیر توزیع المان‌های زبری بر رفتار جریان گذرنده روی بالواره مذکور، توسط مدارهای فاز پرتریت در دستور کار بوده است. شایان‌ذکر است در راستای پرواز ریزپرنده‌ها به دلیل ابعاد کوچک و سرعت حرکت پایین، ظهور پدیدۀ شناخته‌شدۀ حباب جداشده آرام قریب‌الوقوع است و ازآنجایی‌که پدیدۀ مذکور عملکرد آیرودینامیکی و الگوهای مدار فاز پرتریت را بشدت تحت تأثیر قرار می‌دهد، شناخت، بررسی و کنترل آن می‌تواند پارامتری کلیدی محسوب شود. دراین‌بین، نتایج حاصله نشان از پدیدار شدن حلقه‌های تودرتو از مدار فاز پرتریت متأثر از تغییرات آرایش جریان دارند. همچنین توزیع زبری در ابعاد و مکان مناسب می‌تواند تا درصدهای بالایی به‌عنوان عامل کمک‌کننده به افزایش عملکرد بالواره، شناخته شود و مبنای کار طراحان ریزپرنده‌ها قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها


[1] Reza, T. Z. Mahmood, S., & Amir, K., "Prediction of boundary layer transition based on modeling of laminar fluctuations using RANS approach" ,Chinese Journal of Aeronautics, vol. 22, no. 2, pp. 113-120, 2009.
[2]    Michelis, T., Yarusevych, S., & Kotsonis, M., "On the origin of spanwise vortex deformations in laminar separation bubbles", Journal of Fluid Mechanics, vol. 841, pp. 81-108, 2018.
[3] Hansen, K. L., Kelso, R. M., & Dally, B. B. "Performance variations of leading-edge tubercles for distinct airfoil profiles", AIAA journal, vol. 49, no. 1, pp. 185-194, 2011.
[4] Genç, M. S., Özkan, G. M. Özden, M. S. Ki˙ ri˙ ş, & Yi˙ ldi˙, R. Z., "Interaction of tip vortex and laminar separation bubble over wings with different aspect ratios under low Reynolds numbers," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, vol. 232, no. 22, pp. 4019-4037, 2018.
[5] Esmaeili, A., Delgado, H., & Sousa, J., "Numerical simulations of low-Reynolds-number flow past finite wings with leading-edge protuberances" , Journal of Aircraft, vol. 55, no. 1, pp. 226-238, 2018.
[6] Jabbari, H., Esmaeili, A., & Rabizadeh, S., "Phase portrait analysis of laminar separation bubble and ground clearance interaction at critical (low) Reynolds number flow", Ocean Engineering, vol. 238, p. 109731, 2021.
[7] Yang, Z., Haan, F., Hu, H., & Ma, H., "An experimental investigation on the flow separation on a low-Reynolds-number airfoil", in 45th AIAA aerospace sciences meeting and exhibit, 2007, p. 275.
[8] Nikuradse. J. "Gesetzmassigkeiten der turbulenten Stromung in glatten Rohren", Ver Deutsch. Ing. Forschungsheft, vol. 356, 1932.
[9]. Nikuradse, J. "Untersuchungen über die Strömungen des Wassers in konvergenten und divergenten Kanälen. VDI-Verlag", 1929.
[10] Colebrook,    C. F. et al., "Correspondence. turbulent flow in pipes, with particular reference to the transition region between the smooth and rough pipe laws.(includes plates)", Journal of the Institution of Civil engineers, vol. 12, no. 8, pp. 393-422, 1939.
[11] Colebrook, C. F., & White, C. M., "Experiments with fluid friction in roughened pipes", Proceedings of the Royal Society of London. Series A-Mathematical and Physical Sciences, vol. 161, no. 906, pp. 367-381, 1937.
[12] Liu, Y., Li, J., & Smits, A. J., "Roughness effects in laminar channel flow", Journal of Fluid Mechanics, vol. 876, pp. 1129-1145, 2019.
[13] van Bokhorst, E., de Kat, R., Elsinga, G. E., & Lentink, D., "Feather roughness reduces flow separation during low Reynolds number glides of swifts", Journal of Experimental Biology, vol. 218, no. 20, pp. 3179-3191, 2015.
[14] Jin, C., Ma, H., Xu, B., & Li, Q. "Roughness Effects on the laminar separation bubble", Bulletin of the American Physical Society, vol. 63, 2018.
[15] Zhang, Y., "Effects of distributed leading-edge roughness on aerodynamic performance of a low-Reynolds-number airfoil: an Experimental Study", Theoretical and Applied Mechanics Letters, vol. 8, no. 3, pp. 201-207, 2018.
[16] Genc, M. S., Kemal, K., & Açikel, H. H., "Investigation of pre-stall flow control on wind turbine blade airfoil using roughness element", Energy, vol. 176, pp. 320-334, 2019.
[17] Puckert, D. K., & Rist, U. "Experiments on critical Reynolds number and global instability in roughness-induced laminar-turbulent transition", J. Fluid Mech, vol. 844, pp. 878-903, 2018.
[18] Shrestha, P., & Candler, G. V. "Direct numerical simulation of high-speed transition due to roughness elements", Journal of Fluid Mechanics, vol. 868, pp. 762-788, 2019.
[19] Jung, Y. S., & Baeder, J. "Simulations for effect of surface roughness on wind turbine aerodynamic performance", in Journal of Physics: Conference Series, 2020, vol. 1452, p. 012055.
[20] Wu, W., & Piomelli, U. "Effects of surface roughness on a separating turbulent boundary layer", Journal of Fluid Mechanics, vol. 841, p. 552, 2018.
[21] Djavareshkian, M. H., & Esmaeili, A. "Neuro-fuzzy based approach for estimation of Hydrofoil performance", Ocean Engineering, vol. 59, pp. 1-8, 2013.
[22] Rostamzadeh, N., Kelso, R. M., & Dally, B. "A numerical investigation into the effects of Reynolds number on the flow mechanism induced by a tubercled leading edge", Theoretical and Computational Fluid Dynamics, vol. 31, no. 1, pp. 1-32, 2017.
[23] Qu, Q., Wang, W., Liu, P., & Agarwal, R. K. "Airfoil aerodynamics in ground effect for wide range of angles of attack", AIAA Journal, vol. 53, no. 4, pp. 1048-1061, 2015.
[24] Langtry, R. B., & Menter, F. R., "Correlation-based transition modeling for unstructured parallelized computational fluid dynamics codes", AIAA Journal, vol. 47, no. 12, pp. 2894-2906, 2009.
[25] Menter, F. R., Langtry, R. B. Likki, S., Suzen, Y., Huang, P., & Völker, S.,  "A correlation-based transition model using local variables—part I: model formulation," 2006.
[26] Langtry, R. B., Menter, F. S., Likki, Y., Suzen, P., Huang, & Völker, S., "A correlation-based transition model using local variables—Part II: Test cases and industrial applications", 2006.
[27] M. Stripf, A. Schulz, and S. Wittig, "Surface roughness effects on external heat transfer of a HP turbine vane", J. Turbomach., vol. 127, no. 1, pp. 200-208, 2005.
[28] Jabbari, H., Ali, E., & Djavareshkian, M. H., "Acoustic and phase portrait analysis of leading-edge roughness element on laminar separation bubbles at low Reynolds number flow," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, p. 09544100211044316, 2021.
[29]         He, W., Yu, P., & Li. L. K., "Ground effects on the stability of separated flow around a NACA 4415 airfoil at low Reynolds numbers", Aerospace Science and Technology, vol. 72, pp. 63-76, 2018.
[30]         Perry, A., & Fairlie, B., "Critical points in flow patterns", in Advances in geophysics, vol. 18: Elsevier, 1975, pp. 299-315.
[31]         Perry, A. E., & Chong, M. S., "A description of eddying motions and flow patterns using critical-point concepts", Annual Review of Fluid Mechanics, vol. 19, no. 1, pp. 125-155, 1987.
[32]         Chong, M. S., Perry, A. E., & Cantwell, B. J., "A general classification of three‐dimensional flow fields", Physics of Fluids A: Fluid Dynamics, vol. 2, no. 5, pp. 765-777, 1990.
[33]         Durante, D., Rossi, E., & Colagrossi, A. "Bifurcations and chaos transition of the flow over an airfoil at low Reynolds number varying the angle of attack", Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, p. 105285, 2020.