بخشی از مقاله
خلاصه
در مقاله حاضر تاثیر میدان الکترومغناطیسی بر روی ضرائب آئرودینامیکی لیفت و درگ روی مدل ایرفویل NACA0015 مورد بررسی قرارگرفته است. تمرکز این کار بروی کنترل جریان توسط نیروهای لورنتس ناشی از میدان های الکترومغناطیس است. این نیرو در فرآیند حل عددی بصورت جمله های منبع به معادلات حرکت سیال در نرم افزار فلوئنت اضافه شده است. و نتایج بدست آمده حاکی از آن است که میدان الکترومغناطیسی باعث به تاخیر انداختن و حتی حذف پدیده واماندگی بر روی ایرفویل میشود. پس از اعمال کنترل برای ایرفویل NACA0015 به کمک نیروی لورنتس، ضریب لیفت بیشترشده و ضریب درگ تغییر چندانی نمیکند که این امر باعث افزایش زاویه استال میشود.
کلمات کلیدی: میدان الکترومغناطیسی- -NACA0015 نیروی لورنتس- لیفت و درگ
.1 مقدمه
استال وضعیتی است که در آن پدیده جدایش جریان هوا بر روی سطح بالها در تماس با هوا رخ می دهد . در اثر این عمل نیروی درگ نیز افزایش یافته و نیروی لیفت هواپیما به شدت کاهش پیدا کرده و حتی در بعضی مواقع به سمت صفر نیز میل میکند، که منجر به کاهش ارتفاع هواپیما و در نتیجهی آن بر هم خوردن تعادل آن میشود. [1] در نتیجه این پدیده رژیم جریانی در اطراف ایرفویل ایجاد میشود که لایه مرزی نام دارد و باعث تغییراتی در رفتار جریان اطراف ایرفویل نظیر گذر از لایه مرزی آرام به آشفته، نقطه شروع پدیده جدایی و ضخامت لایه مرزی می گردد. لذا نیروی درگ و به تبع آن نیروی لیفت نیز متاثر از این عوامل خواهد شد.
در نتیجه استال ضخامت لایه مرزی آرام افزایش یافته و ناپایداری لایه افزایش خواهد یافت و نهایتاً به لایه مرزی متلاطم تبدیل می شود که در آن ذرات سیال در مسیرهای تصادفی حرکت میکنند، لذا باید تا حد امکان از ایجاد جدایی جریان ممانعت به عمل آید.با توجه به کاربرد های وسیع جریان بر روی سطوح مختلف، مسئله مطالعه پدیده های انتقال مومنتوم و گرما بصورت مجزا و توام، از گذشته مورد توجه پژوهشگران بوده است. در برخی از کاربردها با به تاخیر انداختن جدایش لایه مرزی به کاهش نیروی پسا توجه می شود و در کاربرد های دیگر، به جدایش زودتر لایه مرزی به منظو ر ایجاد اغتشاش اضافی و پرتاب گردابه ها به منطقه دنباله و افزایش نرخ انتقال حرارت توجه میشود.
شیوه های مختلفی برای جلوگیری از جدایش لایه مرزی در کاربرد های مهندسی وجود دارد. در برخی از این روش ها به یک نیروی خارجی برای کنترل لایه مرزی نیاز است که به آنها روش های فعال گفته می شود. تعدادی نیز غیر فعال هستند و به توان اضافه احتیاج ندارند و در برخی دیگر از ترکیب روش های فعال و غیر فعال استفاده می شود. از روش های فعال می توان به روش های مکش، دمش، سیلندر چرخان، استفاده از میدان مغناطیسی و میدان الکتریکی و روش های غیر فعال به تولید کننده های گردابه، تیغه بال، لبه حمله گسترش یافته و لبه حمله دندانه اره ای اشاره کرد. در استفاده از این روش ها، بررسی پدیده جدایش، جدا شدن گردابه ها، مکانیزم های حاکم بر تشکیل و رشد گردابه ها در پایین دست جریان از اهمیت بسزایی برخوردار است. [2] روشی که ما در این مقاله قصد داریم شما را با آن آشنا کنیم استفاده از میدان مغناطیسی و تاثیر آن بر روی پدیده استال است.
.2 مبانی تئوریک
.1-2 نیروی لورنتس
به خواص الکتریکی که یک ذرهی باردار در فضای اطراف خود ایجاد میکند، میدان الکتریکی گفته میشود. واین میدان در هر نقطه از محیط برابر است با:
که در این رابطه E میدان الکتریکی، q بار الکتریکی و F نیروی وارد بر بار آزمون واحد میباشد.در فضای اطراف هر آهنربا و سیم های حامل جریان خاصیتی وجود دارد که به سبب آن بر مواد مغناطیسی ، سیم های حامل جریان و بارهای الکتریکی متحرک که در آن فضا قرار داند نیرو وارد میشود، که به آن میدان مغناطیسی گویند.که در این رابطهF نیروی وارد بر بار آزمون واحد B میدان مغناطیسی، q بار الکتریکی، V سرعت ذرهی باردار و زاویه-ی بین سرعت و میدان مغناطیسی میباشد. در فضای اطراف یک آهن ربا و یک رسانای حامل جریان الکتریکی،یا در اطراف یک بار متحرک خاصیتی بوجود می آید که به آن میدان مغناطیسی گویند.
نیروی الکترومغناطیسی به دو صورت نیروی الکتریکی و نیروی مغناطیسی بروز میکند که این دو، جنبههای مختلف از نیروی الکترومغناطیسی هستند و از اینرو ذاتاً یه یکدیگر مربوط اند. تغییر میدان الکتریکی تولید میدان مغناطیسی و برعکس تغییر میدان مغناطیسی تولید میدان الکتریکی میکند. یکی از روش هایی که به منظور کنترل جریان اطراف ایرفویل از آن استفاده میشود، استفاده از نیروی لورنتز میباشد. نیروی وارد بر یک ذره باردار که، در معرض میدان های الکتریکی و مغناطیسی قرار دارد نیروی لورنتز نام دارد.[3]که در این رابطه F نیروی لورنتس، q میدان الکتریکی، E میدان و V سرعت لحظه ای میباشد. این نیرو در فرآیند حل عددی به صورت جمله های منبع به معادلات حرکت سیال اضافه شده است.
.2-2 ضرایب آیرودینامیکی
نیروی لیفت: براثر اختلاف فشار بین سطوح بالا و پایینی بال که بر اثر عبور جریان هوا ایجاد میشود، نیرویی بوجود می-آید که بر خلاف جهت نیروی وزن عمل می کند.این نیرو را نیروی لیفت میگویند؛ که به صورت زیر تعریف میشود:
که در این رابطه نیروی لیفت، چگالی سیال، V سرعت حرکت سیال، A مساحت بال و ضریب لیفت میباشد.نیروی درگ: نیرویی است که در مقابل حرکت رو به جلوی جسم تولید میشود و به دو مولفه اصطکاکی - ناشی از تنش برشی روی سطح - و فشاری - ناشی از اختلاف فشار بین دو قسمت جلویی و عقبی جسم - تقسیم میشود:که در این رابطه نیروی لیفت، چگالی سیال، V سرعت حرکت سیال، A مساحت بال و ضریب لیفت میباشد.
.3-2 پدیده استال
در اثر افزایش زاویه حمله ، ضریب لیفت در یک زاویه حمله کاهش و ضریب درگ همچنان افزایش مییابد، به این پدیده استال و به زاویه حملهای که این پدیده در آن رخ میدهد، زاویه استال میگویند. توجه داشته باشید که زاویه حمله، زاویه بین وترایرفویل وا متداد جریان آزاد سیال است.اخیراً اکبری و صداقت مطالعات عددی در مورد کنترل جدایش جریان روی صفحه تخت برای جریان تراکم ناپذیر و تراکم پذیر انجام داده اند. 5]و[4
.3 معادلات حاکم
روشهای عددی [6] TVD یا تغییرات کل از بین رونده، به روشهایی گویندکه درآن تغییرات کل حل هر جواب فیزیکی قابل قبول باافزایش زمان درفضای حل بتدریج کم ومحومیشود. لکس و وندروف ب[7 مفهوم تغییرات کل از بین رونده رابرمبنای یک خاصیت مهم ازقانون بقایاسکالر به صورت زیر ارائه دادند:
