بخشی از مقاله
بررسی اثرموقعیت یخزدگی اطراف یک ایرفویل توسط مرئی سازي جریان دود
چکیده
هنگام پرواز هواپیما در ارتفاعات بالا تشکیل یخ بر روي سطح بال، یکی از پدیدههاي متداول است. در تحقیق حاضر اثر موقعیت یخزدگی روي سطح یک ایرفویل متقارن بر میدان جریان اطراف آن با استفاده از روش هاي مرئی سازي جریان مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور یک مدل یخ در مکانهاي مختلف بر روي ایرفویل قرار گرفته و به بررسی اثر موقعیت یخ بر گردابه ها پرداخته می شود . بررسی نتایج نشان میدهد که تغییر موقعیت یخ زدگی از نوك بال به سمت لبه فرار ایرفویل باعث افزایش ضخامت ناشی از حضور یخ خواهد شد و افزایش زاویه حمله نیز اثر یخزدگی را تشدید میکند . مرئی سازي نشان میدهد که جریان در محل تشکیل یخ از سطح مدل جدا شده و باعث تولید گردابه میشود. این گردابه در پشت یخ باعث ایجاد ناحیه کم فشار میشود. در نتیجه اختلاف فشار ناحیه کم فشار پشت یخ و ناحیه پر فشار جلوي یخ باعث ایجاد پساي اضافه خواهد شد.
کلمات کلیدي: ایرفویل، یخ زدگی، مرئی سازي جریان، دود، گردابه
-1 مقدمه
هنگام پرواز هواپیما در ارتفاعات زیاد قطرات آب داخل ابرها با دماي زیر صفر با برخورد به بال هواپیما باعث ایجاد یخ بر روي سطح بال میشوند، به این پدیده یخزدگی بال گفته میشود. یخزدگی بر جریان اطراف ایرفویل و دنباله اثر گذاشته و باعث تغییر ضریب پسا خواهد شد. از دیدگاه علمی بررسی این پدیده اهمیت دارد، زیرا پدیده یخزدگی بر عملکرد آیرودینامیکی بال اثر گذاشته و میتواند ویژگیهاي جریان را تغییر دهد.
پدیده یخزدگی مشکل جدي در عملیات پروازي به حساب میآید. اندکی یخ میتواند باعث تاثیر شدید بر دینامیک پرواز شده و موجب سقوط آن شود. طی سالهاي 2007-1998 پایگاه مدیریت حمل و نقل هوایی، 319 مورد سانحه و پایگاه داده ناسا 730 مورد حادثه یخزدگی در هواپیماهاي تجاري بزرگ و کوچک را گزارش دادند.[1]
در تحقیقی که توسط میرزایی و همکارانشان در سال 2008 بر روي مدل ایرفویل NLF0414 انجام شد، نتایج عددي و تجربی نشان دادهاند که یخ زدگی سبب تغییر کارایی آئرودینامیکی بال میشود. یخ تشکیل شده در لبه حمله باعث کاهش نیروي براي بیشینه، افزایش نیروي پسا، کاهش زاویه واماندگی و افزایش ارتعاشات در بال و هواپیما شده که این امر موجب پایین آمدن میزان کنترل هواپیما شده که خطر جدي براي پرواز است 3]،.[2
کیم و براگ [4] و برورن و براگ [5] تحقیقات وسیعی بر روي اثر یخزدگی ایرفویلها انجام دادهاند. در این تحقیقات ابتدا شکل یخ مدلسازي شده و سپس اثر ضخامت، موقعیت و تیزي نوك یخ بر روي مدلهاي ایرفویل NACA 23012 ، NACA 3415و NLF0414 در اعداد رینولدز و ماخ مختلف بررسی شده است. در این بررسیها تاثیر عوامل مذکور بر ضریب پسا، برا و ضریب برآي بیشینه مطالعه شده و نشان دادهاند که دو مدل ایرفویلNACA 23012 و NLF0414 نتایج مشابهی دارند و همچنین در نتایج آنها تاثیر تغییر پارامترهاي مختلف یخزدگی به خوبی قابل مشاهده است . لینچ و خدادوست [6] به بررسی تاثیر پارامترهاي یخ زدگی بر نیروي برآ و پساي بال پرداختند. آشندن و همکارانش [7] آزمایشها پروازي زیادي را براي بررسی تاثیر شرایط مختلف یخ زدگی بر کارایی هواپیما، انجام دادند. نتایج آنها نشان داد که باران ریز یخ زده، شدیدترین افت کارایی را در هواپیما موجب میشود.
رفتار جریان در ناحیه دنباله نزدیک به مدل تاثیر به سزایی در ضرایب آئرودینامیکی یک جسم دارد. از این رو شناخت این ناحیه و ساختار آشفتگی آن داراي اهمیت است. از آنجا که اندازه آشفتگی بر اندازه ناحیه دنباله نزدیک، توزیع سرعت، توزیع فشار و نیروي پساي وارده بر اجسام تاثیر دارد، بررسی اغتشاشات جریان در این ناحیه نیز اهمیت زیادي دارد. در این پژوهش براي مطالعه پدیدهي یخزدگی و تاثیر آن بر ضریب پسا، الگوي جریان در ناحیه دنباله مدل در زوایاي حمله مختلف با روشهاي تجربی و عددي بررسی شده است.
2 - تجهیزات آزمایشگاهی و نحوه انجام آزمایشها
آزمایشهاي مرئیسازي جریان با دود در یک تونل دود عمودي مکنده با ابعاد اتاق آزمون انجام شده است. در این تونل دود مناسب با استفاده از بخار گازوئیل ایجاد میشود. پروب خروجی دود در مسیر جریان هواي خروجی نازل این تونل قرار دارد. این پروب به صورت خط جریانی طراحی شده تا کمترین اغتشاش را در جریان هوا ایجاد کند.
سرعت جریان هواي این تونل دود حداکثر بوده و بیشترین شدت اغتشاش جریان آن به 0/7% میرسد.
ایرفویل در این آزمایشها دو بعدي با طول وترmm 150 میلی متر و از جنس پلاستیک فشرده میباشد. در شکل (1) مدل یخ و در شکل (2) موقعیتهاي مختلف یخ بر روي سطح ایرفویل به نمایش در آمده است. نویسنده با مطالعه تحقیق هاي گذشته از جمله موارد اشاره شده پارامترهاي مرتبط با اندازه مدل یخ در پژوهش حاضر بر اساس مرجع [4] به گونهاي انتخاب شده است که مدلسازي یخ با توجه به آنچه امکان آن در پرواز واقعی وجود دارد، انتخاب شود. تعیین ابعاد مدل یخ با توجه به نسبت هاي بدون بعد ارائه شده در مرجع [4] و ابعاد ایرفویل انتخابی در این آزمایشها بوده است. در این مدل سازي سعی شده است که اثر مکان تشکیل یخ بر میدان جریان اطراف مدل بررسی شود. مدل انتخاب شده براي مطالعه یکی از مدلهاي ارائه شده در مراجع میباشد که از مدلسازي یخ هاي تشکیل شده بر بال میباشد.
-3بررسی نتایج
یکی از پارامترهاي مهم در یخزدگ ی موقعیت یخ تشکیلشده بر سطح ایرفویل میباشد. در ادامه با نتایج مرئی سازي تاثیر یخزدگی بر جریان سیال ایرفویل بحث میشود و تاثیر پارامتر موقعیت یخ و تغییر زاویه حمله بر جریان سیال اطراف ایرفویل پرداخته میشود..
در شکل(( 3 ابتدا مدل ساده بدون حضور یخ به نمایش داده شده همانطور که مشاهده می شود خطوط جریان دود کاملا بر روي جسم قرار گرفته اند و جدایش جریان در انتهاي جسم صورت می گیرد. یخ زدگی یکی از پارامترهاي موثر بر جریان روي ایرفویل دارد و اثرات نامطلوبی بر ساختار جریان اطراف ایرفویل می گذارد در شکل (4 ) و (5) اثر موقعیت یخ بر ساختار جریان اطراف ایرفویل به ترتیب در زوایاي حمله 5œ و 10œ نشان داده شده است. یخزدگی باعث جدایش زود هنگام و تولید گردابه میشود. گردابه تشکیل شده دنباله جریان را بزرگتر می کند و تاثیر ایرفویل همانند یک جسم ضخیم به نظر میرسد. در نتیجه میزان ضریب پسا افزایش مییابد. با مقایسه دو شکل (4) و (5) دیده میشود که افزایش زاویه حمله نیز تاثیر یخ زدگی بر جدایش جریان و تشکیل گردابه شدیدتر میکند
ضخامت موثر فاصلهاي است که خطوط جریان تحت تاثیر ایرفویل دستخوش جریانهاي گردابی میشوند. در شکل (6 ) فاصله موثر (T) و زاویه جدایش جریان ( θs) در مکان یخ نشان داده شده است . با تغییر موقعیت یخ میزان اثرگذاري یخ بر ساختار جریان بیشتر میشود. در شکل (7) و (8) میران تاثیر یخ بر زاویه جدایش جریان در مکان یخزدگی و ضخامت موثر به صورت نمودار بیان شده است. مقادیر θs و T/C به ترتیب بیانکننده زاویه جدایش جریان بر حسب درجه و ضخامت موثر با طول وتر ایرفویل بی بعد میباشند. پدیده یخزدگی محل جدایش، زاویه جدایش جریان و ضخامت موثر ایرفویل را تغییر میدهد. با افزایش زاویه حمله و موقعیت یخ زدگی از یک حد معلوم اثر یخ زدگی بر روي زاویه جدایش کم می شود در شکل( (7 این موضوع قابل بررسی می یاشد. با تغییر زاویه جدایش جریان بر سطح ایرفویل نیروي پسا افزایش مییابد . همان طور که در شکلها دیده میشود، زاویه حمله و موقعیت یخ زدگی عوامل موثر بر تغییر زاویه جدایش جریان و ضخامت موثر هستند. تغییر موقعیت یخ و زاویه حمله ایرفویل را تحت نیروي پساي بیشتر قرار میدهد. عامل این شدت تغییرات شدید گرادیان فشار و سرعت است.
