بخشی از مقاله
خلاصه
هدف از تحقیق حاضر، حل میدان جریان حول ایرفویلهای مافوق صوت جهت تعیین ضرایب آیرودینامیکی در اعداد ماخ 1/5 تا 3 میباشد. ایرفویلهای در نظر گرفته شده شامل یک ایرفویل دو سو محدب و یک ایرفویل دوگوهای هر دو دارای ضخامت یکسان ده درصد میباشند. از نرمافزار تجاری گمبیت و فلوئنت برای مدلسازی هندسی و شبیهسازی عددی جریان استفاده شده است.
برای حالتهای مختلف تغییرات زاویه حمله نسبت به زاویه انحراف سطح ایرفویل، شرایط جریان و نحوه تشکیل امواج ضربه ای و انبساطی حول آن مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاصل از این پژوهش با دادههای تحقیقات دیگر مورد بررسی قرار گرفته که دارای انطباق نسبتاً خوبی میباشند. طبق نتایج، با افزایش عدد ماخ جریان آزاد مقادیر ضرایب آیرودینامیکی - ضرایب برآ و پسا - کاهش مییابند. همچنین ایرفویل دوگوهای جهت استفاده در بال پرندههای مافوق صوت نسبت به ایرفویل دوسو محدب دارای مزیت عملکردی بالاتری است، این مزیت حاصل از پایینتر بودن ضریب پسا و بالاتر بودن راندمان آیرودینامیکی آن در شرایط مشابه می باشد.
.1 مقدمه
هنگامیکه عدد ماخ در تمام نواحی میدان جریان، بزرگتر از یک باشد، به آن جریان، جریان مافوقصوت گفته میشود. در شکل - 1 - جریان مافوقصوت حول یک گوهای1 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود یک شوک مایل2 چسبیده، در قسمت نوکتیز گوه تشکیل شده است. در هنگام عبور از این شوک، جهت خطوط جریان بهصورت ناپیوسته دچار تغییر میشود. در قسمت جلوی شوک خطوط جریان مستقیم، موازی و افقی میباشند و در پشت شوک این خطوط همچنان مستقیم و موازی اما در راستای سطح گوه خواهند بود.
این تغییر ناگهانی و ناپیوسته در خطوط جریان ناشی از آن است که در جریان مافوقصوت بر خلاف جریان زیرصوت، جریان آزاد بالا دست تا قبل از رسیدن به شوک از حضور جسم در داخل آن آگاهی ندارد. و یا بهعبارتی برخلاف جریان زیرصوت، در جریان مافوقصوت، اغتشاشات ایجاد شده در جریان نمیتوانند به سمت بالادست جریان حرکت کنند. بدینترتیب از جمله ویژگیهای جریانهای مافوقصوت میتوان به تشکیل شوک و ایجاد ناپیوستگی در خواص جریان و نیز عدم پیشروی اغتشاشات به سمت بالادست اشاره نمود. در حالت کلی برای جریان با عدد ماخ 1.2 M 5 حول جسم را می توان به صورت جریان مافوقصوت درنظر گرفت.
شکل -1جریان مافوق صوت حول گوه
در شکل - 2 - نمایی از سطح مقطع ایرفویلهای مورد استفاده در جریان مافوقصوت نشان داده شده است. هنگامی که این ایرفویلها در جریان مافوقصوت قرار میگیرند روی آنها امواج انبساطی و ضربهای تشکیل میشود. بنابراین برای تحلیل جریان حول ایرفویلهای مافوقصوت میتوان از نظریه شوک- انبساط3 استفاده نمود. شکل - 3 - ، یک ایرفویل دو گوهای4 را در جریان مافوق صوت تحت زاویه حمله صفر نشان می دهد. در لبه حمله جریان فوقصوتی متراکم و به اندازه w منحرف میشود.
در میانه وتر، این جریان به اندازه 2 w منبسط و سبب ایجاد یک موج انبساطی میشود. در لبه فرار، این جریان از طریق موج ضربهای مایل دیگری به جهت جریان آزاد بازگردانده میشود. تغییرات فشار روی سطح ایرفویل نسبت به جریان آزاد به صورت P P P میباشد. در زاویه حمله صفر، توزیع فشار روی وجوه بالایی و پایینی یکدیگر را خنثی میکنند یعنی مقدار نیروی برآ صفر میباشد. اما در جهت نیروی پسا تغییرات فشار وجود دارد، که به ضخامت ایرفویل و اختلاف فشار پشت موج ضربهای و انبساطی بستگی دارد.
شکل -2 نمایی از سطح مقطع ایرفویلهای مافوقصوت.
شکل -3 تغییرات جریان و فشار روی یک ایرفویل دو گوهای در جریان مافوق صوت
با توجه به کاربرد فراوان ایرفویلهای دو گوهای و دو سو محدب1 در پرندههای مافوق صوت، محققین مختلفی جریان حول آنها را به صورت عددی و تجربی مورد مطالعه قراردادند، که در ادامه به چند نمونه پژوهشهای صورت گرفته اشاره میشود. ویلیامز و همکارانش [3] با استفاده از تونل باد مخزن هوای فشرده، ضرایب آیرودینامیکی برآ و پسا را روی یک ایرفویل دو سو محدب به صورت تجربی اندازهگیری کردند.
راجرز و همکارش [4] توزیع فشار روی سطح دو ایرفویل - دو گوهای و دو سو محدب - را به صورت تجربی مورد مطالعه قرار دادند. آنها جهت انجام تست خود از یک تونل باد عدد رینولدز پایین در اعداد ماخ 2 و 4 استفاده کردند. تولیتا و همکارانش [5] جریان گذر صوت روی ایرفویل دو سو محدب با ضخامت های 14 و 18 درصد را به صورت عددی شبیه سازی نمودند. هدف آنها بررسی تاثیر کنترل جریان با استفاده از برآمدگی و خنک کاری سطح، روی نیروی پسا و کاهش لرزش ایرفویل بوده است. نتایج تحقیق انها نشان داد که هر دو روش کنترل جریان، تاثیر بسزایی در کاهش پسا و کاهش لرزش روی ایرفویل دو سو محدب دارند.
بنادیکت بنسیگر و همکارش [6] جریان روی سطح یک ایرفویل دو سو محدب با ضخامت 6 درصد در رژیمهای مافوقصوت و ابرصوت را به صورت عددی شبیه سازی نمودند. برای شبیه سازی عددی از نرم افزار تجاری فلوئنت جهت محاسبه ضریب فشار، ضریب برآ و ضریب پسا استفاده کردند. نتایج تحقیق انها نشان داد که ایرفویل دو سو محدب را می توان برای رژیمهای ابرصوت نیز به کار برد.
کومار و همکارانش [7] میدان جریان و امواج ضربهای روی سطح ایرفویل NACA 66-206 در محدوده سرعت صوت و مافوقصوت مورد تجزیه وتحلیل قرار دادند. نتیجه مطالعات آنها نشان داد، پرندههایی که در محدوده سرعت صوت و مافوقصوت پرواز میکنند، مقدار ضریب برآ کاهش و در محدوده سرعت صوت ضریب پسا افزایش زیادی خواهد داشت.
بنازاده نیشابوری و همکارش [8] ضرایب آیرودینامیکی و انتقال حرارت روی سطح یک ایرفویل دو گوهای را با روشهای تحلیلی و عددی مورد مطالعه قرار دادند. نتایج تحقیق انها نشان داد که ضریب برآ حاصل از دو روش نسبت به ضریب پسا دارای تطابق بیشتری با هم میباشند که علت اصلی آن صرفنظر از لزجت در بررسی تحلیلی میباشد.
