بخشی از مقاله
چکیده:
هدف از این مقاله کاهش موج شوك و و نیز کاهش نیروي درگ در سرعت هاي نزدیک سرعت صوت با استفاده از تجهیزات کنترل جریان از قبیل برآمدگی برجسته، محرك هاي جت، و همچنین کنترل ترکیبی شامل تجهیزات کنترلی دو حالت می باشد که در نتیجه بهبود هاي مطلوبی را در عملکرد آیرودینامیک هواپیماها سبب می شوند.براي معتبر ساختن مطالعات عددي، یک ایرفویل با جریان لایه اي آرام Rae5243 انتخاب شده و سپس مقایسه جوابهاي عددي با داده هاي آزمایشگاهی قبل از بهینه سازي پارامترهاي کنترل جریان انجام شده است.
بعد از مطالعه اعتبار سنجی، یک تکنیک بهینه سازي مؤثر به کارگرفته شده است تا پارامترهاي برآمدگی دو بعدي شامل طول، ماکزیمم ارتفاع و موقعیت برآمدگی با محل شوك و موقعیت نوك با ضربه و همچنین پارامترهاي تحریک جت از قبیل ضریب جریان جرمی زاویه وزش یا مکش و محل تحریک سطح بالایی ایرفویل را بهینه سازد
. این فرآیند شامل استفاده از یک سري کدهاي شبیه سازي می باشد تا حل جریان براي پارمترهاي داده شده را بدست آورد و سپس پارامترهاي مطلوب براي کاهش درگ کلی ایرفویل را بدست می آورد.در نهایت نتایج نشان می دهد که با تغییرات پارامترهاي طراحی تجهیزات کنترل جریان، بهینه سازي، سبب کاهش درگ کلی به میزان 3,94 درصد و افزایش نیروي لیفت به میزان 5,03 درصد می شود.
.1 مقدمه
پیشرفت لایه مرزي و تقابل لایه مرزي با میدان جریان بیرونی که در سرعت هاي بالاتر و درحضور امواج ضربه اي توسعه می یابد به طور قابل توجهی تمام هواپیما یا عملکرد اجزاء آن را محدود می سازد.سرعت هواپیماهاي پیشرفته به خاطر نیروهاي درگ بزرگ که با امواج ضربه اي مرتبط هستند کاهش می یابند
کنترل جریان
موضوع تحقیقات مهم در زمینه مکانیک سیالات در دو دهه اخیر بوده است که راه حل هاي جدید را براي جلوگیري از رشد بیش از اندازه لایه مرزي و جدایش، کاهش قدرت شوك،کاهش درگ [15]، کنترل استال [6]، ارائه داده است تا سبب افزایش بهره وري تجهیزات صنعت هوانوردي شود. کنترل جریان سبب افزایش نیروي لیفت و ضریب لیفت به درگ شده و بدین وسیله سبب بهبود در مصرف سوخت بوسیله کاهش نیروي درگ مرتبط با موج ضربه اي در پروازهاي صوتی و مافوق صوتی می شود
علاوه بر بهبود در اصول آیرودینامیکی کنترل جریان یک راه حل در طراحی هواپیماها براي داشتن بهره وري بالاتر ارائه می دهد.[10] براي دستیابی به هرکدام از این نتایج مفید یک دامنه وسیعی از روش هاي کنترل جریان [5] پیشنهاد و به کار گرفته شده است. از قبیل کنترل با به کاربردن سطح متخلخل در پاي شوك[12] ، برآمدگی محلی نزدیک به شوك [1] و کنترل با استفاده از تزریق جرم یا حذف آن
عمومی ترین روش در این مقاله، وزش، مکش و ضربه روي سطح بالایی ایرفویل می باشد.براي روش کنترل شوك، شمارنده ضربهء دو بعدي استفاده شد زیرا در کاهش درگ موجی، بدون افزایش کلی اصطکاك سطحی، بسیار مفید است. در این مقاله مطالعات زیادي در مورد حذف یا تزریق جرم براي بهبود عملکرد طرح هاي موجود در سرعت هاي مادون صوت انجام شده است.
همچنین در این مقاله دو روش به طور انحصاري مورد بررسی قرار گرفته و سپس ترکیب این دو روش نیز در نظر گرفته شده است تا کاهش موج شوك و به تبع آن کاهش درگ کلی انجام پذیرد. دستیابی به بهبود عملکرد ایرودینامیکی با استفاده از روش هاي کنترل جریان، ممکن است سبب نتایج دیگري شود.کنترل جریان تا حدي سبب بهبود عملکرد می شود و حساسیت عملکرد آیرودینامیکی براي طراحی پارامترها این مسئله را مهم جلوه می دهد
بنابراین طراح باید تعدادي از پارامترهاي مختلف را بهینه سازد و از اینرو تصمیم گیري در مورد پارامترهایی از قبیل ماکزیمم ارتفاع، طول، موقعیت و محل شوك، موقعیت نوك برآمدگی دو بعدي، محل، زاویه و سرعت وزش یا مکش محرك در طول کنترل جریان بسیار مهم است. ضربه می تواند بسته به محل نوك ضربه متقارن یا نا متقارن باشد. بنابراین براي دستیابی به هدف، فهم بیشتر نظریه کنترل جریان یک سیکل بهینه کننده نیاز است زیرا بهینه سازي هزینه و زمان را کاهش می دهد.
هدف از این مطالعه کاهش درگ کلی در موقعیت هاي صوتی با استفاده از تحریک شکل وزش و یا مکش پایدار و برآمدگی محلی دو بعدي در سطح بالاي ایرفویل می باشد. محاسبات براي جریان عبوري از روي ایرفویل Rae5243 انجام می شوند که شامل یک توزیع فشار روي سطح بالایی هستند که داراي گرادیان فشار مطلوب در بالادست شوك در حدود 55٪ وتر در جریان صوتی در ماخ Re=18.68*106 , 0,6799 و زاویه حمله 0,77 می باشند.[4] و در نهایت بهینه سازي با کوپل شدن یک الگوریتم اتوماتیک و یک حل کننده معادلات ناویر- استوکس انجام شد.
.2 مدل ریاضی
.2,1 مدل عددي آنالیز جریان
یک حل کننده معادلات ناویر-استوکس براي حل جریان روي شبکه بندي استفاده شد تا شبیه سازي عددي را انجام دهد.محرك به عنوان یک مرز در نظر گرفته شد تا جریان جرمی را در طول یک مرز جامد محاسبه کند.نرخ ثابت تغییرات جریان جرمی، از صفر تا یک مقدار ثابت داخل یک زمان تعریف شده T استفاده شد و سپس Cq ذثابت باقی می ماند.محاسبات از یک حل حالت پایدار پایه گذاري شده و براي جریان در غیاب هرگونه مکانیزم کنترلی بدست آمده است. سپس حالت هاي کنترلی از این حل بدون کنترل شروع می شود و تا زمانیکه معیارهاي همگرایی مطلوب حاصل شده اند ادامه می یابد.
.2,2 روش بهینه سازي
هدف از بهینه سازي کاهش ضریب درگ در موقعیت هاي جریان بوده است که متغیرهاي مکش مجزا و برآمدگی برجستهء دو بعدي را تغییر دهد.[6] در این مقاله برنامه ریزي درجه دو پی در پی استفاده شد تا مسائل بهینه سازي را حل کند. این روش یکی از قوي ترین روش ها در بین تکنیک هاي برنامه نویس غیرخطی ریاضی می باشد.[8] ابتدا با استفاده از بسط تیلور یک تقریب درجه دو براي تابع هدف می سازیم. در این مقاله ضریب لیفت ثابت نگه داشته می شود تا از عدم کاهش آن اطمینان حاصل شود. همچنین تکنیک بهینه سازي بر اساس گرادیان نسبت به نقاط ابتدایی حساس بوده تا اینکه تقریبا 15 نقطه براي هر گره استفاده می شود.[13] در نهایت افزایش عملکرد آیرودینامیکی کل مادامیکه انتخاب نقطه طرح از میان نتایج بهینه سازي بدست بیاید در نظر گرفته می شود.
.3 حساسیت شبکه و اعتبار سنجی
ایرفویل توسط فولکر و سیمونز [4] در سرعت هاي در حد صوت مختلف با تزریق جرم سطحی تست شد. حالت معتبر استفاده شده در این مطالعه عدد رینولدز 18.68*106 نسبت به وتر ایرفویل و ماخ 0,6799 و زاویه حمله 0,77 برابر با یکی از آزمایشات تونل باد می باشد. منطقه مکش بین 0,45 و 0,46 بالادست موقعیت شوك تعیین محل شد. و ضریب مکش 0,009 و زاویه مکش 84 درجه نسبت به سطح ایرفویل در نظر گرفته شد.
.4 مطالعهء بهینه سازي برآمدگی
دو برآمدگی برجسته براي کاهش درگ در سرعت هاي صوتی بهینه سازي شده اند. براي مقادیر ابتدایی یک بامپ متقارن با ارتفاع نسبی 1,2٪ وتر ایرفویل که شامل کمان هایی است که بین 0.5 C - chord - تا 0.99 c با
نقطه اتصال کمان که در 0.9 می باشد در مقطع ایرفویل تعیین مکان شده اند.
