Έλεγχος της μετάβασης και αποκόλλησης οριακού στρώματος και της απόδοσης αεροτομής με ενεργητική καθοδήγηση της ροής
Authors: Καψάλης Παναγιώτης-Χρυσοβαλάντης 
Published: August 2021

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.