Μελέτη καινοτόμων τεχνικών παθητικού ελέγχου ροής σε εφαρμογές αεροναυτικής

Abstract

The goal of the present thesis is to study the application of novel passive flow control (PFC) techniques on various aeronautic reference platforms that operate in the low speed, subsonic regime (Mach < 0.3). It is a step-by-step research investigation, the objectives of which are outlined below: •Investigation of the flow field around reference platforms.•Research of possible PFC techniques for increased reference platform efficiency and performance augmentation (technology screening).•Selection and detailed investigation of the PFC technique with the greatest potential.•Application of the most promising PFC technique to the various reference platforms, performance evaluation and performance comparison with conventional PFC techniques.This applied aerodynamics research is supported by a wide variety of tools, to ensure an all-round approach. Namely, high-fidelity (CFD) computational tools, as well as experimental facilities and techniques, including Laser Doppler Anemometry (LDA) velocity and force balance measurements in a closed-circuit windtunnel have been used. It should be noted at this point, that the experimental facilities were appropriately modified and upgraded to support the corresponding calculations and experimental investigations. In the last decades, a large growth of platforms operating in lower Reynolds numbers (105-106) compared to the more usual research range (107-108) can be observed. Such platforms are the Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) and Small Horizontal Wind Turbines (SHWT). However, during the conceptual design of UAVs and SHWTs, mostly older textbooks are used, even though UAVs and SHWTs are generally smaller in size and operate at lower velocity. The assumption that UAVs and aircrafts (or SHWTs and large WTs) have exactly the same design rules leads to non-optimized geometries, something that makes the integration of flow control techniques necessary. However, in order to accurately apply flow control techniques, their working mechanism needs to be completely comprehended.An extensive literature review showed that there are several existing studies that describe conventional and novel PFC techniques. However, their integration was for a very long time an empirical procedure, rather than a scientific approach. The available understanding of the flow mechanisms of each PFC technique is very limited. Furthermore, most of the published experimental data focus on low Reynolds numbers, especially for novel FCT techniques. Therefore, the need for a dedicated flow control study of a promising technique (tubercles) remains largely unaddressed. The unique aspects of this research and contributions to the field are listed as follows:•A thorough literature and computational study is made for the application of PFC techniques on various platforms at low subsonic speeds for Reynolds numbers ranging from 100,000 up to 10,000,000.•Α design methodology regarding turbulence generating grid for windtunnel experiments is proposed.•A thorough investigation of the aerodynamic effect of the tubercles on key geometrical parameters, such as airfoil thickness and sweep, is carried out.•A thorough numerical investigation of tubercles for Reynolds numbers greater than 5·105, which is the upper limit in the available literature experiments, is carried out. These studies cannot replace experiments but highlight a definite trend.•A categorization of tubercles flow mechanism is proposed. It is suggested that under different conditions (angle of attack, geometric parameters) tubercles behave sometimes as vortex generators and sometimes as wing fences.•A dimensionless size for tubercles is proposed, based on the geometry characteristics (Α and λ), something that leads to easy comparison and application.In the framework of this thesis, initially a set of reference platforms was selected, with requirements and operating conditions clearly defined. The geometry layout specifications are explicitly mentioned, while experimental, analytical and numerical tools are used to describe the flow phenomena associated with these platforms. In addition, a variety of conventional and novel PFC techniques is presented. A literature study is carried out regarding the advantages and the possible potential of these techniques, with the tubercles being selected for further evaluation.For almost every reference platform a conventional PFC technique is also applied in order to compare their effectiveness with that of tubercles, which are tailored to each reference platform based on literature suggestions. CFD calculations and visualization studies are employed to assess the results of both tubercles and conventional techniques. The selected turbulence models are validated through literature suggestions and numerical studies. Indicatively, results showed that the appropriate use of tubercles can increase the efficiency of a reference platform up to 10% for all examined Reynolds numbers.Based on these results, some useful conclusions can be extracted. The tubercles mechanism seems to be of dual nature, acting sometimes as vortex generator and sometimes as wing fence, depending on various conditions. Tubercles seem to be more effective on platforms with thick airfoils, where the flow structures remain attached on the wing surface, unlike platforms with thin airfoils, where leading edge vortices are shed almost immediately.Summarizing, the analysis emphasizes on the study of a novel PFC technique, namely tubercles, and the effect of its application on various reference platforms. Appropriate use of tubercles can enhance the aerodynamic characteristics of a platform (lift increase, stall delay, pitching moment delay, efficiency increase). Finally, the results helped showcase and better understand the dual nature of the tubercles mechanism. By implementing an optimized tubercle setup, an aerodynamic platform can enjoy the positive aspects of both vortex generators and wing fences.

Ο σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της εφαρμογής καινοτόμων μεθόδων παθητικού ελέγχου ροής (ΠΕΡ) σε ένα πλήθος από αεροναυτικές πλατφόρμες αναφοράς, που επιχειρούν σε συνθήκες Mach < 0.3. Πρόκειται για μια πλήρη τεχνολογική έρευνα, τα βασικά αντικείμενα της οποίας συνοψίζονται ως εξής: •Διερεύνηση της ροής γύρω από πλατφόρμες αναφοράς.•Αναζήτηση, καταγραφή, και αποτίμηση τεχνολογιών ΠΕΡ, με στόχο τη βελτίωση της αεροδυναμικής απόδοσης της κάθε πλατφόρμας (technology screening).•Επιλογή και λεπτομερής διερεύνηση της τεχνικής ΠΕΡ που δυνητικά προσφέρει τα περισσότερα πλεονεκτήματα.•Εφαρμογή της παραπάνω τεχνικής στις διάφορες πλατφόρμες αναφοράς για αξιολόγηση, εκτίμηση επιδόσεων και σύγκριση της με συμβατικές τεχνικές ΠΕΡ.Η έρευνα ακολουθεί δηλαδή μία προσέγγιση εφαρμοσμένης αεροδυναμικής (applied aerodynamics), ενώ υποστηρίζεται και από ένα ευρύ φάσμα εργαλείων, ώστε να εξασφαλισθεί μία όσο το δυνατόν πιο ολιστική αντιμετώπιση. Επιγραμματικά, γίνεται χρήση 1) υπολογιστικών εργαλείων υψηλής ανάλυσης (Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής ή Computational Fluid Dynamics/CFD), και 2) πειραματικών εγκαταστάσεων και τεχνικών οπτικοποιήσεων, μετρήσεων ταχυτήτων Laser Doppler Anemometry (LDA), και μετρήσεων δυνάμεων σε αεροσήραγγα κλειστού τύπου (closed-circuit windtunnel). Σημειώνεται ότι οι πειραματικές εγκαταστάσεις τροποποιήθηκαν σημαντικά και αναβαθμίστηκαν κατάλληλα, προκειμένου να υποστηριχθούν οι αντίστοιχοι υπολογισμοί και πειραματικές μελέτες.Τις τελευταίες δεκαετίες υπάρχει μια μεγάλη ανάπτυξη εφαρμογών που λειτουργούν ή επιχειρούν σε αριθμούς Reynolds (105-106) μικρότερους από αυτούς στους οποίους έχει επικεντρωθεί η έρευνα ως τώρα (107-108). Τέτοιες εφαρμογές είναι τα Μη Επανδρωμένα Αεροχήματα (MEA) σταθερής πτέρυγας, αλλά και οι μικρές ανεμογεννήτριες. Παρά το γεγονός ότι οι εφαρμογές αυτές είναι κατά κανόνα μικρότερες σε μέγεθος και επιχειρούν ή λειτουργούν σε χαμηλότερες ταχύτητες από τα αντίστοιχα επανδρωμένα αεροσκάφη ή μεγάλες ανεμογεννήτριες, κατά το σχεδιασμό τους συχνά χρησιμοποιούνται οι ίδιες βασικές μεθοδολογίες που αναπτύχθηκαν για τα επανδρωμένα αεροσκάφη και τις μεγάλες ανεμογεννήτριες. Η παραδοχή ότι οι κανόνες σχεδιασμού είναι ίδιοι, οδηγεί σε μη-βέλτιστες γεωμετρίες κατά τη φάση ανάπτυξης. Αυτό καθιστά την ενσωμάτωση τεχνικών ελέγχου ροής φυσικό επακόλουθο, προκειμένου να εξασφαλιστεί η μέγιστη αποδοτικότητα των πλατφορμών. Η σωστή όμως χρήση και εφαρμογή των τεχνικών ελέγχου ροής προϋποθέτει την εις βάθος κατανόησή της επίδρασης που έχουν οι τεχνικές στην αεροδυναμική μιας πλατφόρμας, αλλά και των μηχανισμών λειτουργίας τους.Η εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση ανέδειξε την ύπαρξη αρκετών συμβατικών, αλλά και καινοτόμων τεχνικών ΠΕΡ. Ωστόσο, η εφαρμογή τεχνικών ΠΕΡ ήταν για ένα πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα μια μάλλον εμπειρική προσέγγιση. Η κατανόηση του μηχανισμού λειτουργίας πίσω από κάθε τεχνική είναι ιδιαίτερα περιορισμένη, ενώ η έρευνα για βέλτιστες τεχνικές εφαρμογής τους είναι ελλιπής. Επιπλέον, οι περισσότερες δημοσιευμένες εργασίες εστιάζουν σε χαμηλούς αριθμούς Reynolds. Το βιβλιογραφικό κενό είναι ακόμα πιο εμφανές στη περίπτωση των καινοτόμων τεχνικών ΠΕΡ. Επομένως, με βάση τα παραπάνω προκύπτει η ανάγκη για τη διερεύνηση της τεχνικής ΠΕΡ με το μεγαλύτερο δυναμικό, αξιοποιώντας τόσο πειραματικές, όσο και υπολογιστικές μελέτες.Η προσφορά στην επιστημονική κοινότητα και η πρωτοτυπία της διατριβής εντοπίζονται στα παρακάτω σημεία:•Πραγματοποιείται μια ολιστική βιβλιογραφική και υπολογιστική μελέτη για την εγκατάσταση τεχνικών παθητικού ελέγχου ροής σε πληθώρα εφαρμογών για αριθμούς Reynolds από 100,000 μέχρι 10,000,000.•Προτείνεται μεθοδολογία σχεδιασμού εργαστηριακού πλέγματος τύρβης.•Διερευνάται η αεροδυναμική επίδραση των αρθρωτών ογκιδίων σε βασικά γεωμετρικά μεγέθη πτερύγων όπως το πάχος αεροτομής και η οπισθόκλιση.•Διερευνάται η χρήση αρθρωτών ογκιδίων και σε αριθμούς Reynolds μεγαλύτερους από 5·105 που είναι το άνω όριο του εύρους των διαθέσιμων στη βιβλιογραφία πειραμάτων. Οι μελέτες αυτές παρά το γεγονός ότι δε μπορούν να αντιπαραβληθούν με πειραματικά αποτελέσματα, δημιουργούν μια σαφή τάση.•Κατηγοριοποιείται ανά περίπτωση τα αρθρωτά ογκίδια ως προς τον ροϊκό μηχανισμό λειτουργίας. Προτείνεται ότι υπό διαφορετικές συνθήκες (γωνία προσβολής, γεωμετρικά μεγέθη), τα αρθρωτά ογκίδια λειτουργούν με διαφορετικό μηχανισμό (πότε σαν πτερυγικός φράκτης και πότε σαν γεννήτρια τύρβης).•Προτείνεται μεθοδολογία αδιαστατοποίησης των αρθρωτών ογκιδίων ανάλογα με τα βασικά τους γεωμετρικά χαρακτηριστικά (Α και λ), κάτι που οδηγεί στην πολύ πιο εύκολη σύγκριση και εφαρμογή τους.Στο πλαίσιο της παρούσας έρευνας, αρχικά καθορίστηκε μια σειρά από πλατφόρμες αναφοράς, των οποίων οι προδιαγραφές (requirements) και οι επιχειρησιακές συνθήκες (operating conditions) ορίστηκαν ως σημεία αναφοράς. Ειδική μνεία γίνεται στα βασικά χαρακτηριστικά της γεωμετρίας (layout specifications). Η ροή γύρω από τις πλατφόρμες αναφοράς αναλύεται χρησιμοποιώντας πειραματικά, αναλυτικά και αριθμητικά εργαλεία αεροδυναμικής ανάλυσης, ενώ ταυτόχρονα επισημαίνονται οι σημαντικές ροϊκές δομές που συνεισφέρουν αρνητικά στην απόδοση της πλατφόρμας. Στη συνέχεια, καταγράφεται μια πληθώρα συμβατικών και καινοτόμων τεχνικών ΠΕΡ, που δυνητικά μπορούν να βελτιώσουν την επίδοση της εκάστοτε πλατφόρμας αναφοράς. Οι τεχνικές αυτές εξετάζονται ως προς τα πλεονεκτήματα και τις πιθανές επιπτώσεις τους, με βάση υπάρχουσες μελέτες. Η τεχνική των αρθρωτών ογκιδίων (tubercles) επιλέγεται για ενδελεχή μελέτη και περεταίρω ανάλυση, ως η καινοτόμα τεχνική με το μεγαλύτερο δυναμικό. Σχεδόν σε κάθε πλατφόρμα αναφοράς, αρχικά εφαρμόζεται μία η περισσότερες συμβατικές τεχνικές ΠΕΡ. Η επίδραση που έχουν οι συμβατικές τεχνικές ΠΕΡ στην αεροδυναμική απόδοση της κάθε πλατφόρμας ποσοτικοποιείται, αλλά και οπτικοποιείται προκειμένου να συγκριθεί με τα αρθρωτά ογκίδια. Έπειτα, ακολουθεί μια νέα βιβλιογραφική έρευνα σχετικά με τα αρθρωτά ογκίδια, στοχευμένη όμως στην εκάστοτε περίπτωση λαμβάνοντας υπόψιν τις γεωμετρικές και ροϊκές ιδιαιτερότητες (οπισθόκλιση, πάχος αεροτομής, αριθμός Reynolds) προκειμένου η γεωμετρία που θα δημιουργηθεί να είναι το δυνατόν βέλτιστη. Ακολουθούν αναλύσεις με εργαλεία CFD, για την πρόβλεψη των περίπλοκων ροϊκών φαινομένων γύρω από τις γεωμετρίες των αρθρωτών ογκιδίων. Τις υπολογιστικές αναλύσεις πλαισιώνουν και πειράματα σε αεροσήραγγα. Τα μοντέλα τύρβης που χρησιμοποιούνται σε κάθε περίπτωση, ελέγχονται πειραματικά, βιβλιογραφικά ή υπολογιστικά ως προς την ικανότητά τους να υπολογίζουν με ακρίβεια τα ροϊκά φαινόμενα. Ενδεικτικά, οι αναλύσεις έδειξαν ότι για όλους τους αριθμούς Reynolds, η σωστή εφαρμογή αρθρωτών ογκιδίων μπορεί να προσφέρει σημαντική βελτίωση στην αεροδυναμικά χαρακτηριστικά μιας πλατφόρμας (ποσοστιαία αύξηση έως και 10%), χωρίς παράλληλα να υπάρχει κάποια επιβάρυνση ως προς την ευστάθεια του αεροχήματος. Χρήσιμα συμπεράσματα εξάγονται και για το μηχανισμό λειτουργίας των αρθρωτών ογκιδίων. Φαίνεται ότι πρόκειται για έναν διττό μηχανισμό, όπου τα αρθρωτά ογκίδια άλλοτε λειτουργούν σαν γεννήτριες δινών και άλλοτε σαν πτερυγικοί φράκτες. Η εφαρμογή τους φαίνεται να έχει πιο έντονα θετική επίδραση σε χοντρόπαχες αεροτομές καθώς οι ροϊκές δομές παραμένουν προσκολλημένες στην επιφάνεια της πτέρυγας, σε αντίθεση με τις λεπτόπαχες αεροτομές, όπου οι δίνες ακμής προσβολής (Leading Edge Vortices) απλά ενισχύονται, χωρίς κάποιο θετικό αποτέλεσμα. Συνοψίζοντας, η διατριβή επικεντρώνεται στη μελέτη των αρθρωτών ογκιδίων, καθώς αποτελεί μια καινοτόμα τεχνική ΠΕΡ με το μεγαλύτερο δυναμικό. Η εφαρμογή τους μπορεί υπό συνθήκες να βελτιώσει τα αεροδυναμικά χαρακτηριστικά μιας πλατφόρμας (αύξηση της άντωσης, παράταση του σημείου απώλειας στήριξης, αύξηση της αποδοτικότητας). Ίσως όμως το πιο σημαντικό στοιχείο, είναι το γεγονός ότι ο μηχανισμός λειτουργίας τους φαίνεται να είναι διττός, καθώς λειτουργούν τόσο σαν πτερυγικοί φράκτες όσο και σαν γεννήτριες τύρβης. Ο σωστός σχεδιασμός και εφαρμογή τους μπορεί να προσφέρει το βέλτιστο συνδυασμό πτερυγικών φρακτών και γεννητριών τύρβης.