بخشی از مقاله
چکیده
دراین مقاله به بررسی اثرایجاد تغییرات هندسی ملخ بالگرد برویژگی -های آیرودینامیکی درحالت پروازایستا1 پرداخته شده است . بدین منظورمعادلات حاکم برجریان تراکم پذیرلزج به روش عددی حل شده است . درحل معادلات ازمدل آشفتگی - k - به علت قدرت ودقت بالادر حل معادلات آشفتگی - ازنوع RNG - توانایی زیاد حالتRNG درحل جریانات دارای دنباله های چرخشی قوی - استفاده شده است. معادلات مزبور با استفاده ازروش حجم محدود صریح حل می گردند و شبکه اطراف روتوریک شبکه بی سازمان است .
دراین کوشش اثرسوراخ دارشدن نوک ملخ بربهبود عملکرد آیرودینامیکی آن مورد بررسی قرارگرفته است. ایده مطرح شده عبارت است ازایجاد پنج سوراخ هریک به قطر یک سانتی مترکه فاصله مراکزآنها ازیکدیگر دوونیم سانتی متربوده ومخصوصا اینکه هرکدام درراستای یک ربع دایره - مرکزربع دایره درنقطه پیشانی ونوک ملخ قراردارد - با شعاع های متغیربسته به محل سوراخ تعبیه شده اند. کاهش قدرت گردابه های به جامانده ازنوک ملخ را می توان به عنوان دستاوردی ارزشمند ازتغییرات هندسی ایجادشده مدنظرقرارداد .
اثرگردابه به جامانده ازملخ پیشرودر برخورد باملخ پسروکه ذهن بسیاری ازطراحان را متوجه خودساخته است - این پدیدهBVI2نامیده میشود - درایجادصدای حاصله ازبالگرد قابل بررسی و تامل است . دراین مقاله به اثرکیفی وکمی تاثیرگذاری تغییرات ایجادشده پرداخته شده است.
مقدمه
روتوربالگردهمواره به عنوان مهمترین بخش درتحلیل آیرودینامیکی بالگرد موردتوجه قرارگرفته است. براین اساس بهینه سازی روتور - منظورازروتوریک جفت ملخ است - می تواند تاثیربه سزایی دربهبودکارایی آن داشته باشد . باید توجه داشت که درمکانیک پرواز بالگرد سهرژیم اصلی یعنیپروازایستا،محوری و رو به جلومورد بررسی قرارمی گیرد چراکه سایرانواع پروازبه نوعی ترکیبی ازاین سه نوع پروازمحسوب می شوند.
به عنوان شروع حرکتی نوین در سال1929میلادی گلداشتاین دنباله گردابه ای حاصل ازروتورراتحلیل کرد.که درنظریه ویازتعداد تیغه های محدودی استفاده شده بود. درسال های متمادی پس ازاین حرکت تحقیقات فراوانی صورت پذیرفت که ازجدیدترین آن ها درسال1996دیونپورت به همراه همکاران خود به بررسی ومعرفی گردابه های تولید شده نوک ملخ پرداختند.
درجایی دیگردرسال 2000سیندرواسپال برروی گردابه های ثانویه تولید شده درنوک ملخ بالگردپرداختند ومقادیرآن را بوسیله مقادیربردارچرخش کمی سازی کردند.[3] درهمین سال مدل سازی گردابه های مذکور باروش های عددی به وسیله ریچارد براون انجام شد.[
همچنین درسال 2000بژوات به عنوان مکملی براین تحقیق پارامترهای موثربراندازه این گردابه ها رادرموردملخ دم یک بالگرد مو شکافانه مورد بررسی قرارداد.[5 ] جوهری و همکاران نیز این گردابه هارا ازطریق محاسبه نظری گردش بررسی کردند.
درسال2002 استینهوف وهمکارانش سعی کردند درروش های عددی قدرت این گردابه ها رامهارکنند وکاهش دهند. درسال 2003 نیزگروهی به سرپرستی استینهوف افق کاری خودرادراین زمینه گسترش داده وبه بررسی گردابه های تولیدی بدنه بالگرد نیزپرداختند.
باگسترش روشهای عددی درمحاسبات میدان جریان در دهه های اخیراستفاده ازاین ابزاربه عنوان روشی مطمئن جایگزین روشهای قبلی شده است به طوری که براساس یکی ازآخرین تحقیقات انجام گرفته درسال2003کان و کانگ جریان اطراف روتوربالگرد را در حالت سه بعدی و تراکم پذیر تحقیق کردند. گفتنی است آن ها با ارائه یک روش حل عددی وبا استفاده ازروشهای حجم محدود ضمنی و به کمک یک شبکه بی سازمان میدان جریان اطراف روتور رامحاسبه کردند.
درسال2004نیز فردیبهنامگوردونلیشمن باایجاد تغییرات هندسی درملخ بالگرد باعث کاهش اثرات گردابه به جامانده آن ازطریق بررسی عدد ریچاردسون شد.
درکشورما نیز تحلیل جریان اطراف پره بالگرد توسط نرم افزارهای مختلفی ازجمله فلوئنت ویا ازطریق کدنویسی انجام شده است. مقاله حاضردرراستای ادامه همین مسیربا تکیه برتغییرپارامترهای هندسی پره وتاثیرآن ها برعملکردآیرودینامیکی پره به وسیله نرم افزار فلوئنت انجام شده است.
یکی از پارامترهای هندسی که منجر به بهینه سازی عملکرد روتور می شود و در این مقاله به آن پرداخته شده است سوراخ دار کردن نوک پره بالگرد است. از علم آیرودینامیک کلاسیک می دانیم که به علت اختلاف فشار سطوح بالایی و پایینی بال یک جریان عرضی در نوک بال از سطح زیرین پرفشار به سمت سطح بالایی کم فشار حرکت می کند که اثر به جا مانده از آن در عبور از هوا به صورت گردابه ای است که میزان این گردابه در نوک بیشتر قابل بررسی است.
بسیاری ازملخ های پیشرفته امروزی از تغییر نوع پره مدلهای قبلی خود بوجود آمده اندوساخت ملخ های باتغییرات جزیی هندسی - مانندآنچه درمقاله حاضربررسی شده - از لحاظ هزینه و تکنولوژی تفاوت چندانی با پره های متداول - مستطیلی ساده بدون سوراخ - ندارد . قابل ذکر است ایده پیشنهاد شده در این مقاله نسبتا ساده وارزان بوده و نیاز کمتری به ابزارهای فوق پیشرفته صنعتی در تولید آن احساس می شود.
تعریف مساله ،معادلات حاکم وشرایط مرزی
در شکل - 1 - تغییرات پیشنهادشده درملخ را به همراه مکانیزم عمل آن نشان داده شده است.
یادآوری می شود برخورد گردابه های به جامانده ازملخ پیشرووبرخورد آن باملخ پسروپدیده ای بنام BVI می باشدکه آثارصوتی آن قابل بررسی است.
دو ترم سمت راست به ترتیب بیانگر انتقال انرژی به صورت هدایت و پراکندگی لزجت و ترم آخر بیانگر واکنشهای شیمیایی و حرارت حجمی است . جریان های لزج در اعداد رینولدز بالا اصولا دچار اغتشاش می گردند شاخصه جریانهای مغشوش ، سرعت های نوسانی می باشند که کمیت های انتقالی مانند مومنتم انرژی و ... را نیز دچار نوسان می کنند. از آنجایی که این نوسانات در اندازه کوچک و با فرکانس بالا اتفاق می افتد همواره در محاسبات مهندسی برای تحلیل جریان مشکل ساز بوده اند با متوسط گیری از این نوسانات حل آنها آسانتر می شود در اثر متوسط گیری ترم u j u j به معادله مومنتم اضافه می شود.
بوزینسک معادله زیر را برای حل این مولفه اضافه شده پیشنهاد داد . این مولفه های اضافی از طریق مدلهای اغتشاشی قابل حل اند . یکی از این مدل ها مدل k- می باشد.[ 14 ] بر این اساس معادله انتقالی انرژی جنبشی اغتشاشی بصورت زیر تعریف می گردد :
شکل :1 نماهایی دو وسه بعدی ازملخ مطرح شده به همراه مکانیزم عمل آن
با توجه به این معادلات ونگاهی برجریان اطراف بالگرد به این نتیجه می رسیم که چرخش پره جریانی ناپایا در اطراف خود تولید می کند چرا که پره فضای اطراف خود را به صورت تناوبی جاروب می کند . اما میتوانبافرضچرخشی بودن میدان جریانهمراهبا پره - - Moving ReferenceFrame جریان را پایا در نظر گرفت و محاسبات را تا حد زیادی ساده نمود در این شرایط جریان نسبت به مرجع چرخان پایا است .
در نهایت ودرمرحله حل معادلات سه گانه پیوستگی مومنتم و انرژی بصورت وابسته به هم - کوپل - با استفاده ها از روش رانج-کوتا و بصورت صریح حل شده اند . درگسسته سازی معادلات از درونیابی ازنوع بالادست مرتبه دوم - بالارفتن دقت حل - استفاده شده است . گام زمانی مجاز برای هر سلول بصورت زیر محاسبه می گردد .
روش کاملا تخمینی - FAS=Full-Approximation Storage - برای تسریع در محاسبات استفاده شده است . در این روش چند سلول ریز بهم پیوند داده می شود تا سلول درشت تری تشکیل شود حل سلول درشت با در نظر گرفتن متوسط حجم در مقادیر حل شده سلولهای شبکه ریز بدست می آید در این مقاله شبکه تا چهار مرتبه
درشت شده است. برای توضیحات بیشتر در مورد موارد مطرح شده در این بخش به مراجع مربوطه مراجعه شود.[14 ] با توجه به شکل هندسی و طبیعت چرخشی جریان اطراف ملخ دیفرانسیل حاکمبرای جریان مغشوش می باشد در این حالت کمیت های برداری و اسکالر لحظه ای به دو عبارت متوسط و نوسانی به صورت زیر شکسته می شوند و سپس بر روی زمان متوسط گیری می شوند :
در این حالت ترم های اضافی ناشی از اغتشاش جریان وارد مسئله می شوند که برای حل باید مدل اغتشاشی مناسب k-ازنوع - RNG به علت توانایی زیاد حالتRNG درحل جریانات دارای دنباله های چرخشی قوی - را در نظر گرفت[14 ]. یک مدل توربولانس معادله نیمه تجربی است که عبارتهای نوسانی را با ثابت هایی که از طریق آزمایش بدست می آیند به پارامتری های متوسط مرتبط می کند.
ازآنجایی که هدف این تحقیق بررسی اثرتغییرات هندسی خاصی برروی عملکرد آیرودینامیکی پره بالگردی مفروض می باشدو به دلیل اینکه درموردپره این بالگرد نتایج تجربی آن موجودنیست پس بایدپره استاندارد ومشخصی که نتایج تجربی ان موجوداست را انتخاب ونتایج عددی رابا نتایج تجربی مقایسه نمود.
پس از به دست آوردن جوابها از نرم افزاروتطابق آنها با نتایج تجربی واطمینان ازصحت عملکرد روش میتوان این روش حل رابرای پره بالگردموردنظرمورداستفاده قرارداد.
براین اساس روتور آزمایشی کارادونا وتونگ که درآزمایشهای فراوانی مورد استناد قرارگرفته انتخاب گردید. این روتورباشعاع114سانتی مترووتر19.05سانتی متر وبا مقطع NACA0012 بدون باریک شوندگی وپیچش هندسی بوده وزاویه حمله آن 8 درجه می باشد.
درشکل - - 2دستگاه استفاده شده توسط کارادونا وتونگ نشان داده شده است.[15] سرعت چرخش روتور183رادیان برثانیه وبنابراین سرعت نوک پره 0.612ماخ دردمای موردنظر است که درمحدوده کاری اکثربالگردها 0.5 - تا - 0.7 درپروازایستاست.
شکل :2 دستگاه استفاده شده جهت بدست آوردن نتایج تجربی توسط کارادونا وتونگ[14]
براساس اطلاعات فوق شبکه بی سازمان اطراف روتورمذکوردر نرم افزارگمبیت تولیدشده است.
