Έλεγχος της μετάβασης και αποκόλλησης οριακού στρώματος και της απόδοσης αεροτομής με ενεργητική καθοδήγηση της ροής

Abstract

At the beginning of the 21st century, Fluid Mechanics applications are connected with every aspect of human activity. The search for more effective power generation machines, the need for faster and more distant transportations, the ambition to explore the universe, the pursuit of more massive constructions, the continuous consumption of gigantic energy quantities and the increasing demands of the defence industries are some of the most obvious examples that make the optimization of the fluid flows essential. The optimization of a flow involves theoretical studies of its characteristics, simulations and experiments. Many times, control and guidance of flows are useful methods for their optimization. This Doctoral thesis is an attempt to couple the foregoing aspects, aiming to add to the research on active flow control. This aerodynamic structure of airfoil was selected due to its wide use in numerous applications such as air-vehicles, power plants and wind turbines. For this purpose, a numerical model was used in the form of the computational aerodynamics code CAFFAeroel, which was improved to simulate several categories of airflow around an airfoil. The obtained numerical results are useful in the study of the main factors which affect the characteristics of the above air flows. The main part of this study focuses around the active control or guidance of the boundary layer. Active flow guidance came up as an idea with the widespread use of aerodynamic bodies, while interest has peaked in recent decades, and boundary layer control tends to be the main route to achieve flow optimization. Firstly, new software was developed that can construct the geometry of airfoils and was combined with a code generating curvilinear numerical grids. Subsequently, the computational aerodynamics code CAFFAeroel was extended and improved. The improvements, mainly, concerned the turbulence models, the simulation of surface roughness and the determination of flow transition from laminar to turbulent. The introduction of a new transition model and the improvement of the k-ω turbulence model constitute the first two elements of originality of this thesis. As a result, the new aerodynamic code CAFFAeroel is more accurate in simulating transitional flows, especially at low angles of attack. Furthermore, the original CAFFAeroel was appropriately modified to allow simulations of blowing and/or suction of the boundary layer. Air flow simulations around an NACA0012 airfoil were carried out, in order to assess the effect of specific factors on the flow characteristics. A detailed study was made concerning the active boundary layer control and comprehensive results are presented about the influence on the flow around the airfoil and its aerodynamic performance. The main goal was to determine the physical, operational and cost effective limits of the obtained flow optimization. The structure of this thesis was dictated by the need to sequentially study the phenomena that are associated with the flow around an airfoil. Thus, simulations are presented and conclusions are drawn concerning the effect on the point of flow transition onset of parameters such as the surface roughness, the angle of attack, the Reynolds number, the incoming turbulence intensity, and the blowing or suction of the boundary layer. The simulation results help to draw conclusions and to explain the effect of these parameters on the flow characteristics and the aerodynamic performance of the airfoil. From the results of the present study which are compared with experimental measurements and other similar numerical results, the following main conclusions are drawn: Regarding flow transition, the roughness of the airfoil affects significantly the transition phenomenon. Surfaces with higher roughness cause an upstream movement of the point of flow transition. However, there is a saturation point, beyond which any further increase of the roughness height cannot change the position of the transition point. The closer to the airfoil leading edge the roughness area is located, the more upstream moves the transition point. This movement is also proportional to the width of the roughness area. For a series of sequential roughness areas, the greatest influence is caused by the first roughness strip, its width and height being crucial. A roughness area does not change the position of the transition point, if it is located downstream from it. Higher free stream turbulence moves the point of transition upstream. The angle of attack is the most important factor, moving the transition point upstream towards the leading edge (LE) for larger angles of attack. Increasing the Reynolds number of the incident flow, results to analogous upstream movement at a given angle of attack. Suction of fluid from the boundary layer near the wall can delay flow transition. More intense suction may bring further delay of the transition, while a widening of the suction area has an analogous effect. The most effective location for suction lies just downstream of the point of the expected transition onset. Similarly, blowing fluid into the boundary layer causes a delay of transition. An increase of the injected fluid flow rate and a decrease of the injection angle, with respect to the airfoil surface, can delay flow transition. The optimal application area for blowing is located just upstream from the estimated point of transition onset. Again, multipoint blowing from several successive slots is more effective than blowing through a single slot. Regarding the aerodynamic performance of the airfoil, the following main conclusions may be drawn: Airfoils with higher roughness produce increase drag and reduce lift, thus, leading to reduced aerodynamic performance, because boundary layer separation occurs at lower angles of attack and nearer to the trailing edge. These effects become more intense when the roughness area starts closer to the trailing edge. The width of a rough area is an important factor which provokes earlier boundary layer separation, when increased. However the roughness height remains the most important parameter. A roughness strip located near the trailing edge helps the flow to remain attached to the surface. This is mainly due to the local production of turbulence, which enforces the boundary layer with higher momentum from the outer layers of the flow. Roughness strips that cover a part of the airfoil surface, followed by intermediate smooth parts, have a weaker effect on the aerodynamic performance of the airfoil, than a continuous strip, over the same total width. Comparing two cases of roughness strips in array, over the same width along the airfoil, the more effective is the array with the denser distribution of strips. The roughness height of the first strip is a dominant factor, because it is the first one encountered by the fluid. Increased free-stream turbulence causes a drop of the aerodynamic performance of the airfoil. This is due to the perturbations of the main flow, making the boundary layer more unstable and prone to turbulent separation. Active flow control through suction of fluid from the boundary layer can improve the ratio of lift-to-drag of the airfoil. As the suction point moves downstream from the leading edge, it decreases the pressure on the upper airfoil surface, near the minimum pressure point, until saturation takes place. The optimum position for the suction slot is located at a distance from 5% to 15% of the chord length. The angle of attack for maximum lift is increased in the presence of suction, while the aerodynamic performance of the airfoil is improved more when an increased suction intensity is applied or when suction is made through a series of slots (multipoint suction). Blowing into the boundary layer can also enhance the performance of an airfoil by helping the fluid follow a smoother path. The optimum blowing position is found to be at a distance from 75% to 85% of the chord length, while the optimum blowing is in the direction of the main flow/airfoil surface. Increasing the blowing intensity (at the optimum location) improves the lift and slightly the drag, thus, leading to a better airfoil aerodynamic performance. Increased blowing intensity significantly delays the flow detachment near the trailing edge, without increasing the angle of attack for maximum lift. Blowing through an array of slots produces better results with lower total blowing intensity (i.e. cost effective), and increases the angle of attack for maximum lift. Finally, as future prospects of furthering the present research, the following are proposed: a) Introduction of the k-ω SST turbulence model into the CAFFAeroel code in order to improve the simulation of separated flows, b) Converting the code to three-dimensional, in order to include diffusion/interaction phenomena in the third direction, c) Study of flow control through blowing/suction in combination with lift-enhancing devices (e.g. flaps, slats), d) Simulation of unsteady blowing/suction, and e) Study of blowing/suction in the presence of heat transfer

Στις απαρχές του 21ου αιώνα οι εφαρμογές της Ρευστομηχανικής έχουν κατακλύσει κάθε πτυχή των δραστηριοτήτων του ανθρώπου. Η αναζήτηση αποτελεσματικότερων μηχανών παραγωγής ισχύος, η ανάγκη για ταχύτερα και μεγαλύτερα μέσα μετακίνησης, η φιλοδοξία για εξερεύνηση του σύμπαντος, η επιδίωξη πιο ογκωδών κατασκευών, η κατανάλωση γιγάντιων ενεργειακών ποσοτήτων και οι αυξανόμενες απαιτήσεις των αμυντικών βιομηχανιών είναι μερικά από τα πιο ηχηρά παραδείγματα όπου η βελτιστοποίηση της ροής των ρευστών καθίσταται απαραίτητη.Η βελτιστοποίηση των ροών προϋποθέτει θεωρητική μελέτη των χαρακτηριστικών τους, την προσομοίωση και το πείραμα. Πολλές φορές, ο έλεγχος και η καθοδήγηση των ροών είναι χρήσιμες μέθοδοι για την βελτιστοποίηση τους. Η παρούσα Διατριβή είναι μια συμβολή στη σύζευξη των παραπάνω, ώστε να εμπλουτιστεί η έρευνα επί της ενεργητικής καθοδήγησης των ροών. Επιλέχθηκε η αεροδυναμική δομή μιας αεροτομής λόγω της ευρείας χρήσης της σε πλήθος εφαρμογών, όπως ιπτάμενα μέσα, μονάδες παραγωγής ενέργειας και ανεμογεννήτριες. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε ένα αριθμητικό μοντέλο στη μορφή του αεροδυναμικού κώδικα CAFFAeroel, ο οποίος βελτιώθηκε με στόχο την προσομοίωση ροής αέρα γύρω από αεροτομή και την ταυτόχρονη μελέτη των κύριων παραγόντων που την επηρεάζουν. Το ενδιαφέρον επικεντρώθηκε στην ενεργητική καθοδήγηση του οριακού στρώματος της ροής (boundary layer flow control, BLC). Η ενεργητική καθοδήγηση ροών προήλθε ως ιδέα με την ευρεία χρήση αεροδυναμικών σωμάτων, ενώ τις τελευταίες δεκαετίες το ενδιαφέρον έχει κορυφωθεί, καθώς αποτελεί την κύρια οδό βελτιστοποίησης των ροών. Αρχικά αναπτύχθηκε ένα λογισμικό προσδιορισμού της διατομής αεροτομών και συνδυάστηκε με έναν κώδικα παραγωγής καμπυλόγραμμων υπολογιστικών πλεγμάτων. Στη συνέχεια, έγιναν βελτιώσεις στον κώδικα υπολογιστικής αεροδυναμικής CAFFAeroel, ο οποίος αναπτύχθηκε στο Εργ. Ρευστομηχανικής & Στροβιλομηχανών του ΠΘ. Οι βελτιώσεις αυτές αφορούν κυρίως στα μοντέλα τύρβης, σε ένα νέο μοντέλο επιφανειακής τραχύτητας και στον προσδιορισμό του σημείου μετάβασης της ροής από στρωτή σε τυρβώδη. Η εισαγωγή μοντέλου υπολογισμού της μετάβασης μαζί με τις βελτιώσεις του μοντέλου τύρβης Low Re k-ω αποτελούν στοιχεία πρωτοτυπίας της Διατριβής, καθώς προσδίδει στον κώδικα δυνατότητες ακριβέστερης προσομοίωσης μεταβατικών ροών, ιδίως σε μικρές γωνίες προσβολής. Στη συνέχεια, τροποποιήθηκε ο αεροδυναμικός κώδικας ώστε να προσομοιώνει ροές εμφύσησης/απορρόφησης του οριακού στρώματος. Ακολούθησε μια σειρά προσομοιώσεων ροών γύρω την αεροτομή NACA0012 για τον προσδιορισμό της επίδρασης συγκεκριμένων παραγόντων επί των χαρακτηριστικών της ροής. Τελικά, με μία σειρά συνδυαστικών περιπτώσεων προσομοίωσης, μελετήθηκε και έγινε προσπάθεια να κατανοηθεί η δράση της ενεργητικής καθοδήγησης της ροής με εμφύσηση/απορρόφηση του οριακού στρώματος. Η δομή της Διατριβής υπαγορεύτηκε από την ανάγκη διαδοχικής επεξήγησης των φαινομένων, που σχετίζονται με τη ροή γύρω από αεροτομή. Έτσι, παρουσιάζονται πρώτα αριθμητικά αποτελέσματα και εξάγονται συμπεράσματα για την επίδραση της επιφανειακής τραχύτητας, της γωνίας προσβολής, του αριθμού Reynolds, της έντασης τύρβης της προσπίπτουσας ροής, της εμφύσησης και της αποκόλλησης του οριακού στρώματος επί του σημείου μετάβασης της ροής από στρωτή σε τυρβώδη. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται αποτελέσματα, σχολιασμοί και συμπεράσματα για την επίδραση της επιφανειακής τραχύτητας, της έντασης της τύρβης, της εμφύσησης και της απορρόφησης επί των χαρακτηριστικών της ροής και της αεροδυναμικής απόδοσης της αεροτομής. Από τα αποτελέσματα της παρούσας Διατριβής και τη σύγκριση τους με μετρήσεις και άλλες υπολογιστικές εργασίες, προκύπτουν τα εξής κύρια συμπεράσματα όσον αφορά στη μετάβαση της ροής: Η τραχύτητα της αεροτομής επιδρά σημαντικά στη μετάβαση της ροής. Τραχύτερες επιφάνειες επιφέρουν ανάντη μετακίνηση του σημείου μετάβασης της ροής, παρατηρείται όμως κορεσμός. Όσο πιο κοντά στο χείλος προσβολής της αεροτομής είναι η τραχύτητα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ανάντη μετακίνηση του σημείου μετάβασης. Όσο ευρύτερη είναι, τόσο πιο μεγάλη είναι η μετακίνηση. Σε συστοιχία λωρίδων τραχύτητας σημαντικότερα είναι το πλάτος και το ύψος της πρώτης τραχύτητας. Μια τραχεία περιοχή δεν επιφέρει αλλαγή στο σημείο μετάβασης, εάν βρίσκεται κατάντη αυτού. Η αυξημένη ένταση της τύρβης μετακινεί ανάντη της ροής τη θέση έναρξης της μετάβασης. Η γωνία προσβολής είναι ο σημαντικότερος παράγοντας επίδρασης στο σημείο μετάβασης, το οποίο κινείται προς το χείλος προσβολής (ΧΠ) για μεγαλύτερες γωνίες. Η αύξηση του αριθμού Reynolds επιφέρει μετακίνηση της μετάβασης ανάντη της ροής. Η απορρόφηση του οριακού στρώματος (ΟΣ) καθυστερεί τη μετάβαση. Ωστόσο, ευρύτερη ζώνη απορρόφησης επιβάλλει σημαντικότερη καθυστέρηση, με βέλτιστη θέση εφαρμογής ακριβώς μετά την περιοχή της αναμενόμενης εμφάνισης της μετάβασης. Όμοια, μεγαλύτερη ένταση και μικρότερες γωνίες εμφύσησης καθυστερούν τη μετάβαση, όμως η βέλτιστη θέση εφαρμογής είναι λίγο πριν το σημείο έναρξης της μετάβασης. Η πολλαπλή εμφύσηση είναι πιο αποτελεσματική από την εμφύσηση ενός σημείου. Όσον αφορά στην αεροδυναμική απόδοση της αεροτομής, προκύπτουν τα εξής κύρια συμπεράσματα: Αεροτομές με τραχύτερη επιφάνεια έχουν αυξημένη οπισθέλκουσα και μειωμένη άντωση, και άρα μειωμένη αεροδυναμική απόδοση, καθώς η αποκόλληση του ΟΣ ξεκινά σε μικρότερη γωνία προσβολής. Όσο πιο κοντά στο ΧΠ είναι η τραχύτητα, τόσο πιο πολύ επιδρά στους συντελεστές άντωσης και οπισθέλκουσας. Μεγαλύτερο εύρος τραχύτητας προκαλεί πιο έντονες αλλαγές, αλλά η κυριότερη παράμετρος είναι το ύψος της τραχύτητας. Διάσπαρτες λωρίδες τραχύτητας έχουν ασθενέστερη επίδραση από μία ενιαία λωρίδα με ίδιο σημείο έναρξης με την πρώτη λωρίδα της συστοιχίας. Ανάμεσα σε δύο συστοιχίες με το αυτό συνολικό πλάτος αλλά διαφορετική κατανομή, πιο έντονη είναι η επίδραση της πιο πυκνής συστοιχίας. Η αυξημένη τραχύτητα κοντά στο χείλος εκφυγής της αεροτομής βοηθά στην καθυστέρηση της αποκόλλησης. Αύξηση της τύρβης της ροής προκαλεί πτώση της αεροδυναμικής απόδοσης της αεροτομής. Αυτό συμβαίνει λόγω των διαταραχών στην ελεύθερη ροή που κάνουν το οριακό στρώμα πιο επιρρεπές στην τυρβώδη αποκόλληση και τον αυξημένο ρυθμό ενεργειακών απωλειών. Καθώς το σημείο απορρόφησης του ΟΣ μετακινείται κατάντη της ροής, αυξάνει η υποπίεση στο σημείο ελάχιστης πίεσης, φθάνει όμως σε κορεσμό. Η βέλτιση θέση της απορρόφησης είναι στη θέση 5% έως 15% της χορδής. Η γωνία για μέγιστη άντωση αυξάνεται με την απορρόφηση. Η βελτίωση της αεροδυναμικής απόδοσης μιας αεροτομής είναι σημαντική με την αύξηση της έντασης της απορρόφησης, επέρχεται όμως κορεσμός. Η βέλτιστη θέση της εμφύσησης είναι στη θέση από 75% έως 85% της χορδής, ενώ η βέλτιστη εμφύσηση είναι στην κατεύθυνση της ροής. Η αύξηση της έντασης εμφύσησης (στη βέλτιστη θέση) βελτιώνει την αεροδυναμική απόδοση της αεροτομής, γιατί καθυστερεί σημαντικά την αποκόλληση κοντά στο χείλος εκφυγής (ΧΕ), χωρίς να αυξάνει τη γωνία προσβολής για μέγιστη άντωση. Η αύξηση του εύρους εμφύσησης (συστοιχία οπών) ενισχύει την απόδοση της αεροτομής και αυξάνει τη γωνία προσβολής για μέγιστη άντωση. Τέλος, ως προοπτικές εξέλιξης της παρούσας έρευνας προτείνονται τα εξής: α) Εισαγωγή του μοντέλου τύρβης k-ω SST στον κώδικα CAFFAeroel ώστε να βελτιωθεί η προσομοίωση ροών με ανακυκλοφορία, β) Μετατροπή του κώδικα σε τρισδιάστατο, ώστε να συμπεριλάβει φαινόμενα διάχυσης/αλληλεπίδρασης στην τρίτη κατεύθυνση, γ) Μελέτη της εμφύσησης/απορρόφησης ενεργητικής σε αεροτομές με υπεραντωτικές διατάξεις, δ) Εφαρμογή μη μόνιμης εμφύσησης/απορρόφησης, και ε) Μελέτη της εμφύσησης/απορρόφησης με μεταφορά θερμότητας.