Experimental flow study of an oscillating airfoil
Authors: Γκιόλας Δημήτριος 
Published: March 2022

Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε πειραματικά η μη μόνιμη αεροδυναμική και αεροελαστική συμπεριφορά ταλαντούμενης αεροτομής NACA 64418 σε αριθμούς Reynolds κάτω του ενός εκατομμυρίου. Αρχικός σκοπός ήταν ο προσδιορισμός των παραγόντων που επηρεάζουν τα αεροδυναμικά φορτία και την αεροδυναμική απόσβεση σε εξαναγκασμένες ταλαντώσεις πρόνευσης και συνδυασμένες ταλαντώσεις πρόνευσης-βύθισης της αεροτομής. Ειδικότερα, μη μόνιμες μετρήσεις κατανομών πίεσης πραγματοποιήθηκαν στην επιφάνεια της αεροτομής σε ένα εύρος μέσων γωνιών πρόσπτωσης, πλάτους ταλάντωσης, ανηγμένων συχνοτήτων και διαφορών φάσης μεταξύ των συνδυασμένων ταλαντώσεων. Σε ταλαντώσεις αμιγούς πρόνευσης με μέση γωνία πρόσπτωσης κάτω από 15°, όλες οι περιπτώσεις που μελετήθηκαν αποσβένονταν αεροδυναμικά. Αντίθετα, σε μέση γωνία 15°, όπου παρατηρήθηκε το φαινόμενο της δυναμικής απώλειας στήριξης, προκλήθηκε αρνητική αεροδυναμική απόσβεση σε στρέψη. Η μεγάλη διαδρομή της αεροδυναμικής ροπής και το σχήμα του βρόχου κατά τη διάρκεια ενός πλήρους κύκλου ταλάντωσης βρέθηκε να σχετίζεται με τις συνθήκες αεροδυναμικής αστάθειας, καθώς ενέργεια μεταφερόταν από το ρευστό προς την πτέρυγα κατά το καθοδικό μέρος της περιοδικής κίνησής. Η αύξηση της ανηγμένης συχνότητας σε αυτήν την περίπτωση οδήγησε σε περαιτέρω αύξηση της αρνητικής αεροδυναμικής απόσβεσης. Το ίδιο συνέβη και με την αύξηση του πλάτους ταλάντωσης έως και 6°. Όμοια, αρνητική αεροδυναμική απόσβεση σε στρέψη καταγράφηκε κατά τη διάρκεια συνδυασμένων ταλαντώσεων πρόνευσης-βύθισης, όταν η μέση γωνία ταλάντωσης υπερέβαινε τη γωνία στατικής απώλειας στήριξης. Στις παραπάνω συνθήκες σημαντική κρίθηκε η επίδραση της διαφοράς φάσης μεταξύ των συνδυασμένων ταλαντώσεων στην στρεπτική αεροδυναμική απόσβεση. Περαιτέρω, υπό μόνιμες συνθήκες ροής και για γωνίες υψηλότερες από 17°, η αεροτομή παρουσίασε διαλείπουσα αποκόλληση της ροής περί το μέτωπο προσβολής από μερικώς προσκολλημένη σε πλήρως αποκολλημένη ροή (διπλή απώλεια στήριξης). Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω αποτελέσματα, η απόκριση της πτέρυγας σε ελαστική στήριξη μελετήθηκε υπό αρχικές γωνίες πρόσπτωσης μεγαλύτερες της γωνίας στατικής απώλειας στήριξης. Ο λόγος στρεπτικής προς καμπτικής ιδιοσυχνότητας ήταν ωα/ωh < 1 και οι δύο βαθμοί ελευθερίας παρουσίασαν δομική σύζευξη. Σε κρίσιμη ταχύτητα του ελεύθερου ρεύματος, παρατηρήθηκε η εκκίνηση αυτοδιεγειρόμενων ταλαντώσεων σε πρόνευση και βύθιση με αυξανόμενο πλάτος, με τα χαρακτηριστικά της δυναμικής απώλειας στήριξης. Αυξάνοντας την αρχική γωνία πρόσπτωσης από 16.65° σε 19.98°, η κρίσιμη ταχύτητα ελεύθερου ρεύματος μειώθηκε από 19.50 m/s σε 14.95 m/s, γεγονός που αποδόθηκε στο φαινόμενο του πτερυγισμού απώλειας στήριξης (stall flutter). Μεταβάλλοντας το μέτρο δυσκαμψίας των ελατηρίων, η πτέρυγα βρέθηκε να σχηματίζει οριακό κύκλο ταλάντωσης, με αρχική διέγερση σε κρίσιμη ταχύτητα ελεύθερου ρεύματος. Παρόλο που οι βρόχοι των αεροδυναμικών συντελεστών συναρτήσει της γωνίας πρόσπτωσης δεν απεικόνισαν ένα τυπικό συμβάν δυναμικής απώλειας στήριξης, η ροή βρέθηκε να αποκολλάται και να επανακολλάται περιοδικά στην πλευρά υποπίεσης της αεροτομής, καθώς επιπλέον στοιχεία τεκμηρίωσαν το σχηματισμό και την επακόλουθη έκλυση μιας δίνης από το μέτωπο προσβολής. Επιπλέον, τα αποτελέσματα προσομοίωσης με δύο διαφορετικά υπολογιστικά εργαλεία βρέθηκαν σε καλή συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα υπό μόνιμες συνθήκες ροής και ικανοποιητικά σε συνθήκες πρόνευσης, που περιελάμβαναν αποκόλληση της ροής. Ωστόσο, και τα δύο μοντέλα απέτυχαν στην πρόλεξη των αεροδυναμικών φορτίων της συνδυασμένης ταλάντωσης πρόνευσης-βύθισης οριακού κύκλου, που παρατηρήθηκε να συμβαίνει στην πτέρυγα με ελαστική στήριξη. Τα περισσότερα αεροελαστικά φαινόμενα είναι ανεπιθύμητου χαρακτήρα, οδηγώντας σε απώλεια επιδόσεων λειτουργίας ή ορισμένες φορές ακόμη και κατασκευαστική αστοχία. Για το σκοπό αυτό, η παρούσα έρευνα, προς υποστήριξη προηγούμενων μελετών, υπογραμμίζει ορισμένους από τους παράγοντες που μπορεί να προκαλέσουν αεροδυναμικά ασταθείς συνθήκες και καταδεικνύει τον μηχανισμό ροής που εμπλέκεται στα παραπάνω φαινόμενα.