بخشی از مقاله
چکیده
آنچه در این مقاله آمده، تلاشی برای بررسی شرایط جریان حول بال یک پهپاد جهت تعیین ضرایب آیرودینامیکی به کمک آزمایشهای تجربی و شبیهسازیهای عددی میباشد. به این منظور ابتدا مدلی از بال یک پهپاد با ایرفویل clark y به همراه مکانیزمهای مربوط به آن طراحی، ساخته و سپس آزمایشهای تجربی مورد نظر در یک تونل باد سرعت پایین انجام شدند. در تست تونل باد، توزیع فشار در 5 نقطه روی بال در موقعیت یک چهارم وتر و همچنین مقادیر نیروی پسا مورد اندازهگیری قرار گرفتند.
از آنجایی که تمام پدیدههای رخ داده حول بال مورد نظر توسط آزمایش تجربی قابل پایش نمیباشد، شبیهسازی عددی جریان در شرایط مشخص شده، توسط نرمافزار تجاری فلوئنت انجام شد. با این کار علاوه بر ارائه روشی عددی به منظور کمک به مطالعه دقیقتر جریان در کنار انجام آزمایشهای تجربی، میتوان خطوط جریان حول بدنه و کانتورهای مختلف را نیز مورد مطالعه قرار داد. در انتها برای صحتسنجی روش عددی استفاده شده، نتایج حاصل از شبیهسازیها با دادههای تست تونل باد مورد مقایسه قرار گرفتند که این مقایسه حاکی از تطابق خوب نتایج تجربی و عددی میباشد.
-1 مقدمه
در سالهای اخیر استفاده از پرندههای هدایتپذیر از دور - پهپاد - به سرعت در حال گسترش بوده و کاربردهای نظامی، غیرنظامی و تجاری آنها، توجه صنایع و محققین را به خود جلب کرده است. انعطافپذیری و تطابقپذیری پهپادها در انجام مأموریتهای مختلف و نیز هزینه و ریسک بسیار کم در مقایسه با هواپیماهای سرنشیندار موجب شده که تحقیقات زیادی در زمینه طراحی، ساخت، کنترل و هدایت آنها انجام شود و در کنار آن پیوسته به دامنه این تحقیقات افزوده گردیده تا بتوان پهپادها را به عنوان جایگزین هواپیماهای سرنشیندار در مأموریتهای مختلف مطرح کرد. امروزه پهپادها قابلیت انجام گستره وسیعی از عملیاتها که شامل تجسس و مراقبت، یافتن هدف و شناسایی آن، توانایی درگیر شدن با اهداف از پیش تعیین شده، انجام فعالیتهای مخابراتی و حمل نقل و تدارکات هوایی میشود را دارند.
در مورد هر یک کدام از موارد فوق، فعالیتهای تحقیقاتی زیادی در زمینه آیرودینامیک، دینامیک پرواز، کنترل، هدایت، سازه، سیستم پیشرانش، سیستمهای الکترونیک و اویونیک، ایستگاههای کنترل زمینی و سیستمهای پرتاب و بازیافت انجام شده - و یا در حال انجام - است. همچنین با توجه به گستردگی طیف وزن، ابعاد و تنوع در مأموریت پهپادها، موضوعات پژوهشی زیادی مطرح میباشد.
امر مسلم اینکه اطلاع از نحوه عملکرد قسمتهای مختلف پهپاد کمک شایانی در مباحث طراحی و تعریف ماموریتهای مختلف برای آن به شمار میرود. از آنجایی که قسمت بال از لحاظ تولید نیروی برا و ملاحظات آیرودینامیکی نقشی مهم در بحث طراحی پهپاد ایفا میکند، تصمیم گرفته شد جریان حول یک نمونه بال پهپاد مورد مطالعه قرار گیرد. به همین جهت با توجه به امکانات موجود، بررسی تجربی جریان حول یک بال که با استفاده از ایرفویل clark y طراحی شده بود، در دستور کار قرار گرفت.
از آنجایی که آزمایشهای تجربی همیشه قابل اجرانیستند و گاهاً هزینههای زیادی در بر دارند، روشهای عددی قابل اطمینان به عنوان جایگزین مطرح میشوند. البته باید صحت و دقت این روشها به کمک مقایسه نتایج عددی و تجربی موجود اثبات شود. البته در مواجهه با جریان حول اجسام پرنده، برخی پدیدهها در آزمایشهای تجربی قابل مشاهده نیستند و این امر لزوم انجام پذیرفتن شبیهسازیهای عددی را بیشتر میکند. از اینرو در ادامه فعالیتهای صورت گرفته، شبیهسازی عددی جریان حول بال به کمک نرمافزار فلوئنت نیز مدنظر قرار گرفت.
با توجه به انجام آزمایش تجربی و با وجود تطابق خوب نتایج عددی با دادههای تجربی، میتوان اینگونه ادعا کرد که فعالیت صورت گرفته میتواند به عنوان پایهای قابل اعتماد برای تحقیقات مشابه بعدی مورد استفاده قرار بگیرد. از آنجایی که لازمه هر کار پژوهشی مطالعه پیشینه تحقیق میباشد، مطالعات مشابه صورت گرفته در رابطه با مساله پیشرو بررسی گردید که جزئیات آن در بخش بعدی توضیح داده شده است.
-1-1 پیشینه تحقیق
در زمینه ی بررسی تجربی جریان روی بال با استفاده از تونل باد، پژوهش و تحقیقات مختلفی صورت گرفته است.
در سال 1386 مهدی ایل بیگی به همراه همکارانش[2] اثر مخزن خارجی زیر بال بر رفتار آیرودینامیکی یک مدل هواپیما را در تونل باد زیر صوت مورد مطالعه قرار دادند.
در سال 1388 محمود مانی و همکارانش [3] جریان روی مدل ایرفویل صدمه دیده را با استفاده از روش نخ سبک یا تافت به صورت تجربی در تونل باد مورد بررسی قرار دادند.
در سال 1389 احمد شرفی به کمک همکارانش [4] اثر تولید کننده گردابه بر پارامترهای آیرودینامیکی یک مدل بال هواپیمای مسافربری را در تونل باد زیر صوت مورد پژوهش قرار دادند.
در سال 1388 محمدرضا سلطانی به کمک همکارانش [5] چگونگی تشکیل و انهدام گردابه لبه حمله در بال مثلثی و تاثیر کانارد بر روی آن را بصورت تجربی مورد مطالعه قرار دادند.
در سال 1388 محمدرضا سلطانی به کمک همکارانش [6] توزیع فشار روی یک بال با زاویه عقبگرد را بصورت تجربی مورد مطالعه و بررسی قرار دادند.
در سال 1389 محمدرضا سلطانی به کمک همکارانش [7] اثرموقعیت کانارد روی توزیع فشار بال مثلثی را در تونل باد زیر صوت بصورت تجربی مورد مطالعه قرار دادند.
در سال 1389 حنیف رضا پژوهنده به کمک همکارانش [8] میدان جریان در پشت یک هندسه شامل بال- بدنه- بالک را بصورت تجربی مورد مطالعه قرار دادند.
-2 تشریح آزمایشهای تجربی
در این بخش از مقاله به تشریح سازوکار آزمایشهای تجربی و وسایل و تجهیزات استفاده شده پرداخته شده است. مشخصات مرتبط با بال ساخته شده و تونل بادی که تستها در آن انجام شدهاند توضیح داده خواهد شد و پارامترهای اندازهگیری شده و نحوه انجام اندازهگیریها مرور میشوند.
-1-2 مشخصات بال انتخاب شده به عنوان نمونه تحقیقاتی
در تحقیق حاضر، برای طراحی و ساخت مدل بال پهپاد از ایرفویل clark y استفاده شده است. ایرفویل clark y یکی از ایرفویلهایی است که در پرندههای با اعداد رینولدز پایین مورد استفاده قرار میگیرد. این ایرفویل دارای مقدار حداکثر ضریب برآی - 1/65 - میباشد. ایرفویل فوق، دارای حداکثر انحناء 12 درصد وتر میباشد. شکل - 1-2 - تصویر این ایرفویل را نشان میدهد.
شکل 1-2 پروفیل هندسی ایرفویل [9] clark y
پس از مدلسازی بال مورد نظر در نرمافزار Catia، برنامه ماشینکاری آن از نرم افزار Powermill استخراج گردیده است. مدل سه بعدی این بال به همراه برخی ابعاد و اندازههای مرتبط با آن در شکل - 2-2 - نشان داده شده است. مدل بال پهپاد ساخته شده از جنس آلومینیوم میباشد. ماشینکاری این مدل با استفاده از یک ماشین فرز چهار محوره با دور اسپیندل 24000 دور بر دقیقه صورت گرفته است. میزان دقت این مدل در حد 0,001 میلی متر میباشد.
شکل 2-2 مدل سهبعدی ایجاد شده به همراه برخی ابعاد استفاده شده
