بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله تاثیر ایجاد بلور یخ و مکان و شکل و ارتفاع بلور یخ روی سطح بالایی ایرفویل NLF 0414 بصورت دو بعدی در نرم افزار ANSYS FLUENT 15.0 بررسی شد مش بندی این مسئله با نرم افزار GAMBIT 2.2.30 با سلول های مثلثی شکل انجام شده است عدد رینولدز 1.8 میلیون و عدد ماخ 0.18 می باشد هوا به عنوان یک سیال تراکم ناپذیر لزج با مشخصات آن در ارتفاع 30000 پا و بصورت توربولانس شبیه سازی شده است. نتایج نشان میدهد که ایجاد بلور یخ باعث افت نیروی لیفت و افزایش نیروی درگ می شود و بدترین مکان ایجاد یخ در x/c=0.014است و با افزایش ارتفاع بلور یخ نیز نیروی لیفت افت می کند و نیروی درگ افزایش می یابد . با شبیه سازی پنج شکل مختلف به عنوان بلور یخ مشخص شد که اشکالی که به صورت پله ای و یک دفعه هندسه ایرفویل را تغییر می دهند بیشترین تاثیر در ضرایب آیرودینامیکی ایرفویل دارند .
کلمات کلیدی: یخ زدگی پشته ای , ایرفویل , NLF 0414 تحلیل عددی و ضریب لیفت
-1 مقدمه
هواپیما در شرایط مختلفی پرواز می کنند که پرواز در ارتفاع های بالا و پرواز در هوای سرد اجتناب ناپذیر است . تنها از سال 1990 تا سال 2006 میلادی 240 مورد حادثه هوایی بر اثر یخ زدگی در پروازهای روزانه گزارش شده است که بسیاری مربوط به یخ زدگی بر روی بال ها بوده است . عامل این یخ زدگی که در حین پرواز به وجود می آید ذرات ریز یخ درون ابرها یا قطرات مادون سرد آب هستند که حتی در دماهای پایین تر از صفر هم به صورت مایع باقی می مانند . این قطرات در روی سطوحی که به سیستم های ضد یخ یا یخ زدایی مجهز نیستند ممکن است فوری یا با کمی تاخیر به یخ تبدیل شوند بر اساس تعریف آژانس هوانوردی فدرال یخ زدگی زمانی اتفاق می افتد که رطوبت قابل مشاهده وجود داشته باشد و دمای سطح کمتر از دمای نقطه انجماد باشد .
این در حالی است که میزان و نرخ وشکل یخ زدگی به عواملی چون مقدار آب اندازه قطرات و دمای سطح هواپیما و سرعت مدت زمان یخ زدگی و زبری سطح و غیره بستگی دارد . یخ زدگی حتی زمانی که هواپیما در روی زمین قرار دارد نیز می تواند ایجاد شود که ایجاد شبنم از جمله ی آن است . ایرفویل ها برای کمترین نیروی درگ و ایجاد نیروی لیفت طراحی شده اند وزن این یخ ها در مقایسه با اختلالاتی که با از بین بردن سطح طراحی شده ایرفویل در جریان هوا بوجود می آورند ناچیز است این اختلالات باعث افزایش نیروی درگ و کاهش نیروی لیفت می شود . بنابراین رشد یخ برروی ایرفویل های هواپیما امنیت پرواز را به خطر می اندازد .
در این حالت برای غلبه بر نیروی درگ اضافی باید نیروی پیشران زیاد شود که باعث افزایش مصرف سوخت می شود . ایرفویل ها در جاهایی دیگری مثل توربین ها کاربرد دارند و یخ زدگی بر کار آنها تاثیر میگذارد تحقیقات بسیاری در این زمینه انجام شده است که باعث بوجود آمدن مرجع کاملی دراین مورد شده است . روشهای تحقیق در این مورد بیشتر آزمایشگاهی بوده است در روش آزمایشگاهی نمونه تولید می شود سپس در تونل باد مورد آزمایش قرار می گیرد . تولید نمونه و استفاده از تونل باد هزینه زیادی دارد زیرا هر نمونه فقط برای یک حالت خاص تولید می شود و برای حالت های دیگر باید مدل جدید ساخته شود همچنین زمان زیادی را می گیرد .
روش دیگر برای بررسی جریان سیالات روش استفاده از معادلات موجود برای تحلیل جریان سیالات می باشد . حل این معادلات در شرایط واقعی بدون ساده سازی امکان پذیر نیست و این باعث می شود تا جوابی با دقت بسیار کم بدست آید . برای بدست آوردن حلی دقیق برای این معادلات باید از روش های عددی استفاده می شود . روش های عددی هم وقت گیر هستند ولی دیگر هزینه ساخت مدل و استفاده از تونل باد را ندارند و می توان یک جواب نسبتا دقیق بدست آورد . امروزه با توجه به پیشرفت فناوری رایانه ها با سرعت وحافظه بالا تولید شده و در دسترس هستند . استفاده از رایانه برای حل عددی باعث شده تا این روش یک روش بسیار خوب و کم هزینه باشد و جواب نسبتا دقیقی را به ما می دهد و سرعت رسیدن به جواب بالا باشد .
برای استفاده از روش های حل عددی نرم افزار های زیادی بوجود آمده است یکی از این نرم افزار ها نرم افزار ANSYS می باشد که به صورت گرافیکی می توانید مسائل را حل کنید و نرم افزار MATLAB که ابتدا باید معادلات را بدست آوریم سپس از این نرم افزار برای حل آن کمک بگیریم .در روش عددی سه رکن اساسی داریم : -1 مدل سازی آشفتگی جریان- 2 1 تولید شبکه -3 الگوریتم حل . توانایی پیش بینی جدایش جریان2 از سطح ایرفویل برای مدل آشفتگی حائز اهمیت است زیرا مشخصات ایرفویل با جدایش جریان از آن مشخص میشود . جدایش جریان باعث بوجود آمدن نیروی درگ ناشی از اختلاف فشار در جهت حرکت سیال علاوه بر نیروی درگ ویسکوز3 می شود .
همچنین به علت افزایش فشار در سطح مکشی ایرفویل و کاهش اختلاف فشار در دو سطح ایرفویل باعث کاهش نیروی لیفت می شود .متداولترین روش مدل سازی بر اساس معادلاتRANS 4 است بعضی از این مدل ها کاربردهای مخصوصی دارند در حالیکه بقیه را می توان در بازه وسیع تری از جریان بکار برد . حل های عددی گرایش به جواب های تجربی دارند اما به علت میدان پیچیده جریان وابسته به ایرفویل یخ زده پیش بینی دقیقتر در تمامی حالات نمی توان انجام داد. رشد یخ به شرایط جوی وشرایط ایرودینامیکی ایرفویل وابسته است به همین دلیل در اندازه و شکل و مکان های مختلف بوجود می آید . آزمایشات عددی قبلی بیشتر بر حالت یخ زدگی منظم5 و شاخی شکل6 تاکید داشتند . اما امروزه یخ زدگی پشته ای7 بیشتر مورد توجه قرار گرفته است . چون دیده شده است در این حالت کاهش خطرتاک تری در پارامترهای آیرودینامیکی در شرایط مساوی با انواع دیگر یخ زدگی اتفاق می افتد .
-2تحقیقات انجام شده
بهنام و حمید رحمانیان تاثیر یخ زدگی پشته ای به شکل ربع دایره را بر بالای ایرفویل NACA 0012 با نرم افزار فلوئنت بررسی کردند که نتایج نشان می دهد با یخ زدگی لیفت افت می کند .بوش1 و برگ2 تاثیر یخ زدگی بازگشتی را بر روی ایرفویل NACA 23012 در آزمایشگاه در اعداد رینولدز 4.7 میلیون تا 16 میلیون و اعداد ماخ از 0 .10 تا 0.28 بررسی کردند . برای رینولدز 16 میلیون و ماخ 0.2 ماکزیمم ضریب لیفت از 1.82 به 1.51 کاهش یافت همچنین زاویه حمله واماندگی از 18.1 درجه به 15 درجه کاهش یافت .لی3 و برگ تاثیرات هندسه واندازه و مکان یخ زدگی شاخی شکل و یخ زدگی پشته ای را بر روی ایرفویل های NLF 0414 و NACA 23012 را با آزمایش در تونل باد بررسی کردند . که نشان می دهد با یخ زدگی روی ایرفویل نیروی لیفت افت می کند و نیروی درگ افزایش می یابد .
مرجع [5] مرجع کاملی است که با توجه با آزمایشات زیاد در این زمینه به وجود آمده است . در این مرجع نتایج حاصل از آزمایش مدل در تونل باد گرد آوری شده است . سه نوع یخ زدگی پشته ای و شاخی شکل و به هم پیوسته4 بررسی شده اند همچنین تاثیرات افزایش اعداد رینولدز و ماخ نیز بررسی شده اند . سه ایرفویل NLF 0414 و NACA 3415 و 23012 NACA مورد آزمایش قرار گرفتند . نتایج نشان می دهد که یخ زدگی باعث می شود ضریب لیفت ماکزیمم افت کند و پدیده واماندگی 5 ایرفویل در زوایه حمله کمتری رخ می دهد . یخ زدگی نوع پشته ای از یک ربع دایره بر روی ایرفویل استفاده شده است که در شکل - 1 - نشان داده شده است .
