بخشی از مقاله
شبیه سازی عددی و بررسی تأثیر یخ زدگی بر ضرایب آیرودینامیکی ایرفویل
چکیده
در این مقاله میدان جریان اطراف ایرفویل NACA0012 بصورت عددی شبیه سازی شده است. اثـرات زیـان بـار جـوی مانند باران های شدید و یخ زدگی بر امنیت پرواز هواپیما به خوبی شناخته شده است. با مطالعه رفتار الگـوی جریـان و ضرایب آیرودینامیکی برای ایرفویل یخ زده و مقایسه نتایج حاصله با ایرفویل بدون یخ مشخص شـد کـه یـخ زدگـی بـر روی ایرفویل تاثیر نامطلوبی می گذارد و الگوی جریان اطراف ایرفویل و همچنین ضرایب آیرودینامیکی بصورت اساسـی و قابل توجه تغییر می کند. یخ تشکیل شده بر روی ایرفویل باعث شکل گیری یک حباب جدایش جریان، پشـت تـوده یخ در سطح بالایی ایرفویل می گردد. همچنین یخ تشکیل شده باعث کاهش زاویه واماندگی در بال هواپیما مـی گـردد. بنابراین این امر باعث پایین آمدن کنترل هواپیما شده، که خطر جدی برای پرواز تلقی می شود.
واژه های کلیدی: یخ زدگی، ایرفویل، سوانح هوانوردی، ضریب فشار
-1مقدمه
یخ زدگی یکی از خطرات خیلی جدی برای هواپیما به شمار می رود عامل این یخ زدگی که در حین پرواز به وجود می آید ذرات ریز یخ درون ابرها و با قطرات مادون سردی هستند که حتی در دماهای پایین تر از صفر در فاز مایع باقی می مانند. این قطرات در روی سطوحی که به سیستم یخ زدایی مجهز نیستند ممکن استفوراً به یـخ تبـدیل شود.یخ زدگی ممکن است در دماهای نزدیک به صفر شروع شود و یا حتی تا دمای -40 درجه سانتیگراد به تاخیر افتد امروزه با تولید هواپیماهای تجاری که در تمام شرایط آب وهوایی قابلیت پرواز دارند محققان به فکر درک بهتر از اثر تشکیل یخ روی ایرفویل بر عملکرد هواپیما افتادند. به طوری کلی یخ زدگی هواپیماها به شرایطی اطلاق مـی شود که ذرات مادون سرد آب بر روی بال و بدنه و موتور،ملخ و غیره یخ بزند وباعث اختلال در جریان هوای عبوری شوند بر اساس تعریف آژانس هوانوردی فدرال، یخ زدگی در شرایطی ایجاد می شود که رطوبت قابل مشاهده وجود داشته باشد و دمای سطح، کمتر از دمای انجماد باشد. این در حالی است که میزان نرخ و شکل یخ زدگی به عواملی چون مقدار آب،اندازه قطرات،دمای سطح هواپیما،سرعت،مدت زمان یخ زدگی،زبری سطح و غیـره بسـتگی دارد.یـخ زدگی به نوع ابرها و هواپیماها،شرایط پروازی و همچنین عملکرد سیستم های ضد یخ زدگی نیز وابسته است .[1] بر اساس هندسه های مختلف،یخ را می توان در پنچ گروه طبقه بندی کرد . -1یخ زبری -2یخ شاخی شکل -3 یخ در راستای جریان -4یخ انباشته در راستای دهانه -5یخ بازگشتی[ 2 ]
معمولا در قسمت لبه حمله درون بال لوله ای قرار می گیرد کـه سـوراخ هـای ریـز کـوچکی روی آن تعبیـه شـده است.هوای گرم که به صورت جت از سوراخ ها خارج می شود و روی سطح، جریان پیدا کرده و با افزایش دما،باعث آب شدن سریع یخ می شود. این هوای گرم توسط موتور هواپیما و با استفاده از سیستم هواگیری، ورزیده می شود. اگر چه به وسیله این سیستم ها ، سطح بال را از یخ زدن می توان دور کرد، اما گاهی اوقات مقداری از این قطـرات آب ممکن است در پاین دست ، پشت سیستم یخ زدگی مجددا دچار یخ زدگی بشوند که معمولا منجر بـه تشـکیل یخ باز گشتی می گردد.
البته مهمترین آثار یخ زدگی می توان به افزایش ضریب نیروی پسا ، کاهش نیروی برا ، کاهش زاویـه وامانـدگی در بال، افزایش ارتعاشات در بال ، کاهش وهمچنین در نهایت از دست دادن کنترل هواپیما اشاره کرد. تاثیر تجمع یـخ بر روی نیروهای آیرودینامیکی برای مدت مدبدی مورد مطالعه عددی و تجربی قرار گرفته اسـت اولـین آزمایشـات تجربی بر روی ایرفویل یخ زده در سال 1940 انجام شده شده است. زمانی که حوادث زیادی به همین دلیل رخ می داد.این آزمایش ها باعث شده تا مرجع کاملی درباره ی یخ زدگی و اشـکال مختلـف آن بـه وجـود آیـد.روش هـای عددی به دلیل هزینه کمتر و سرعت بالاتر در استخراج نتایج در مقایسه با دیگر روش ها در دو دهـه اخیـر بیشـتر مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین حل های عددی انجام شده گرایش مناسبی به جواب های تجربی دارنـد و به همین دلیل می توان از جواب های آنها در شرایط دیگر نیز استفاده کرد،البته باید توجه داشت که میدان جریان پیچیده به یخ زدگی منظم (ice shape rime) و شاخی شکل ( (glaze ice shape تاکید داشتند.زیرا این دو رایـج ترین نوع یخ زدن هستند. بوش و براگ1 در سال 2009 انواع یخ زدگی ها را به صورت تجربی مورد بررسی قرار داده و اثر ارتفاع یخ با عدد رینولدز را برای رنج وسیعی از اعداد رینولدز بدسـت آورده و تـاثیر ایـن فاکتورهـا را بـر روی ضرایب آیرودینامیکی نشان دادند.[3] همچنین براگ و همکارانش به بررسی این نـوع جریـان پرداختنـد و تئـوری مکانیزم جریان را تشریح کردند. که جریان آرام و یا در حال گذار بخاطر وجود گرادیان شدید فشار معکوس از نوک یخ جدا شده و لایه برشی بین این جریان و جریان غیر لزج با سرعت بالای آن تشکیل می شود. ناحیه ای بـا فشـار نسبتا ثابت بعد از جدایش جریان به وجود می آید. که بازیافت فشار در این ناحیه تا تغیر جریان به جریان مغشوش به تاخیر می افتد. لینچ2 و خدادوست [4] تحقیقات بسیار مفید و مفصلی را در مورد آیرودینامیک ایرفویل یـخ زده انجام دادند.آنها به بررسی تاثیر پارامتر های یخ زدگی در بـرا و پسـای بـال پرداختنـد .در سـال 2009 میرزایـی و همکارانش [5] با مطالعه مشخصات میدان جریان اطراف ایرفویل یخ زده NLF-0414 تغیرات طول حباب جـدایش را بر حسب زاویه حمله گزارش دادنـد. همچنـین در سـال 2010 دوسـت محمـودی و همکـارانش[6] بـه بررسـی پارامترهــای آیرودینــامیکی ایرفویــل یــخ زده نــوع NLF- 0414 پرداختنــد. در ســال 2013 پارمــار[7] 3 اثــرات آیرودینامیکی یخ بازگشتی را به صورت عددی و تجربی مورد بررسی قرار دادند. روبرتـز[ 8] 4 و بـراگ و همکـارانش [9] مکانیزم حاکم بر میدان جریان اطراف ایرفویل یخ زده را اینگونه توضیح دادند، که جریان آرام و یا در حال گذار، به دلیل وجود گرادیان فشار معکوس شدید، از نوک توده یخ جدا می شود متعاقبا، یک لایه برشی ناپایدار و ناپایا ما بین جریان پر سرعت بالایی آن و جریان کم سرعت زیرین آن تشکیل می شود. به آن لایه برشی جـدا شـده گفتـه می شود. که نهایتا منجر به تولید ریزش متناوب گردابه می گردد. در واقع ابتدا ورتیسیتی در لایه برشی می پیچد که منجر به تشکیل گردابه می شود. و سپس گردابه های مجاور هنگامی که به طرف پایین دست حرکت می کنند، در جهت تشکیل گردابه های بزرگتر( که دارای ساختار منسجم هستند ) درون لایه برشی می پیچند و ادغـام مـی شوند. ناحیه ای با مقدار فشار نسبتا ثابت بعد از جدایش جریان به وجود می آید. بازیافـت فشـار در ایـن ناحیـه تـا تغییر رژیم جریان به جریان مغشوش به تاخیر می افتد. حرکت گردابه ها درون لایه برشی جدا شده باعث می شود که جریان بالایی آن که دارای مومنتوم بالاست، با جریان کم سرعت زیرین آن با هم ترکیب شوند(پدیده اخـتلاط). معمولا در زاویه حمله پایین، این اختلاط جریان با فرایند گذار لایه برشی همزمان و کوپل مـی شـود. همچنـین از طریق تقویت و انرژیک کردن لایه برشی جدا شده، به بازیابی فشار کمک کرده و جریان به سطح ایرفویـل مجـددا می چسبد. این در حالی است که در زاویه حمله بالاتر به دلیل افـزایش گرادیـان فشـار معکـوس در سـطح بـالایی ایرفویل فرایند بازیابی فشار(بازیابی جریان) بخوبی انجام نمی شود. لایه برشی جدا شده دیگر به سطح ایرفویل نمی چسبد. این فرایند باعث می شود که حالت واماندگی برای ایرفویل یخ زده زودتر رخ بدهد. زاویه ایستال ایرفویل یخ زده کاهش یابد. همانگونه که پیشتر بیان شد. با وجود پیشرفت و ارتقای سیستم های ضدیخ زدگی و یخ زدایـی بـر روی هواپیماهای جدید سوانح هوانوردی که در سال های اخیر در اثر یخ زدگی بال هواپیما گزارش شده اند. لزوم و بررسی این پدیده را آشکار می سازد. در تحقیق کنونی اثرات تشکیل یخ بـر روی ایرفویـل NACA-0012 در زاویـه حمله های مختلف به صورت عددی بررسی می شود. در این راستا بـا مقایسـه ضـرایب آیرودینـامیکی و همچنـین الگوی جریان اطراف ایرفویل های یخ زده و بدون یخ و مکانیزم تاثیر گذاری یخ زدگی برروی عملکرد آیرودینامیکی ایرفویل تشریح می شود.
-2جزئیات حل عددی
برای انجام کار از نرم افزار فلوئنت استفاده شد. برای ایرفویل NACA-0012 درعدد ماخ 0/18 به ازای زاویه حمله صفر تا 10 درجه شبیه سازی انجام گرفته است. برای شبیه سازی میدان جریان از مدل توربولانس اسپالارت الماس استفاده شده است. لازم به ذکر است در این تحلیل برای ایرفویل بدون یخ از شبکه بندی با سازمان استفاده شده است. در ایرفویل یخ زده از شبکه بندی ترکیبی، بی سازمان و با سازمان استفاده گردیده است. شبکه بندی به صورتی است که در نزدیکی سطح ایرفویل، شبکه ها بسیار ریز هستند و با دور شدن از سطح ایرفویل شبکه بندی مورد نظر درشت تر می شود.در شکل 1 نمایی از توزیع شبکه اطراف ایرفویل یخ زده قابل مشاهده است تعداد مش ها برای ایرفویل یخ زده شامل 209000 مش بوده . همانطور که از شکلها پیداست در ایرفویل بدون یخ با افزایش زاویه ، مکش در لبه حمله بیشتر شده است. انحراف ضریب فشار بین ایرفویل بدون یخ وایرفویل یخ زده به خاطر شروع جدایش جریان، در لبه فرار است. که با زیاد شدن زاویه حمله موجب می شود که واماندگی زود هنگام پیش بیاید.
شکل :1 توزیع شبکه اطراف ایرفویل یخ زده
خطوط جریان اطراف ایرفویل یخ زده در چند زاویه مختلف در شکل های 1و 2 نشان داده شده است. این نتـایج از حل میدان جریان اطراف ایرفویل بدست آمده اند. با توجه به نمودارهای ضریب فشار مشخص شد، که تجمیـع یـخ بازگشتی در زاویه 4 و 8/2 به صورت موضعی بر روی میدان جریان اطراف ایرفویل تاثیر می گذارد. در حقیقت ایـن اثر موضعی، حاصل تشکیل یک حباب جدایش نسبتا کوچک در پشت توده یخ بازیابی شده است. و دوباره به سـطح ایرفویل می چسبد (شکل .( 2 این در حالی است که در شکل 3 با افزایش مکـش در سـطح بـالایی ایرفویـل طـول حباب جدایش یخ زدگی، اندکی افزایش می یابد و به سطح ایرفویل نمی چسبد.
شکل :2 خطوط جریان حول ایرفویل یخ زده در زاویه حمله 6 درجه
شکل:3 خطوط جریان حول ایرفویل یخ زده در زاویه حمله 8/2 درجه
-3بررسی ضرایب آیرودینامیکی
شکل های 4 تا 9 نتایج ضریب فشار در دو حالت ایرفویل بدون یخ و ایرفویل یخ زده را نشان می دهند. همانطور که از شکل ها پیداست در ایرفویل بدون یخ با افزایش زاویه حمله، مکش در لبه حمله بیشتر شده است. ضـریب فشـار بین ایرفویل بدون یخ و ایرفویل یخ زده در زاویه حمله بالا نیز به خاطر شروع جدایش جریان در لبه فرار اسـت کـه با زیاد شدن زاویه حمله موجب می شود، واماندگی زود هنگام پیش بیاید.
شکل :4 ضریب فشار برای ایرفویل یخ زده بدون زاویه حمله
