Experimental and computational study of three-dimensional separation and its control using passive vortex generators
Authors: Μανωλέσος Μαρίνος 
Published: August 2021

Η συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή ασχολείται με την τρισδιάστατη αποκόλληση σε αεροτομές και συγκεκριμένα με την αποκόλληση όπου εμφανίζονται κυψέλες ανακυκλοφορίας (Stall Cells). Μελετάται τόσο η φύση της αποκόλλησης όσο και η δυνατότητα ελέγχου αυτής με παθητικές γεννήτριες στροβιλότητας (passive Vortex Generators).Το πρόβλημα προσεγγίστηκε τόσο πειραματικά όσο και υπολογιστικά. Στην αεροσήραγγα του ΕΜΠ εκτελέστηκαν πειράματα οπτικοποίησης της ροής, μετρήσεις πιέσεων και μετρήσεις Stereo Particle Image Velocimetry (SPIV). Υπολογιστικά, χρησιμοποιήθηκε ο κώδικας MaPFlow, ένας επιλυτής των μη μόνιμων εξισώσεων Reynolds Averaged Navier-Stokes.Ο ασταθής χαρακτήρας των Stall Cells επιβεβαιώθηκε μέσω πειραμάτων με νημάτια (tufts) και βρέθηκε ότι η εγγενής αστάθεια των δομών αυτών μπορεί να κατασταλεί με χρήση αρκετά μεγάλων μόνιμων διαταραχών κατά το εκπέτασμα της πτέρυγας. Τα υπολογιστικά αποτελέσματα αποκάλυψαν μία σύνθετη δομή στροβίλων στο εσωτερικό των Stall Cells, μία δομή η οποία επιβεβαιώθηκε από τις πειραματικές μετρήσεις. Ένα Stall Cell αποτελείται από στροβίλους τριών διαφορετικών τύπων: Τους Stall Cell στροβίλους που αρχικά ξεκινούν κάθετα από την επιφάνεια της πτέρυγας στην περιοχή ανακυκλοφορίας και στη συνέχεια εκτείνονται στον ομόρρου, παράλληλα με την ελεύθερη ροή. Τον στρόβιλο της γραμμής αποκόλλησης που εκτείνεται παράλληλα με το εκπέτασμα της πτέρυγας. Τον στρόβιλο της ακμής εκφυγής που επίσης εκτείνεται παράλληλα με το εκπέτασμα της πτέρυγας, αλλά έχει περιστροφή από τον στρόβιλο της γραμμής αποκόλλησης.Η μελέτη των χαρακτηριστικών της τύρβης της ροής δείχνει πως η ροή στο εσωτερικό ενός Stall Cell είναι έντονα ανισότροπη. Το γεγονός πως τα υπολογιστικά αποτελέσματα προβλέπουν τη ροή ποιοτικά σωστά, παρ' όλο που αδυνατούν να προλέξουν ορθά τις λεπτομέρειες της τύρβης, αποδίδεται στο γεγονός ότι το ισότροπο μοντέλο τύρβης που χρησιμοποιήθηκε δίνει ποιοτικά σωστά τις διατμητικές τάσεις. Τέλος, ένας μηχανισμός δημιουργίας των Stall Cells προτείνεται βασισμένος στην συνολική έρευνα.Σχετικά με τον έλεγχο της τρισδιάστατης αποκόλλησης βρέθηκε ότι αύτη μπορεί να κατασταλεί με χρήση τριγωνικών passive Vortex Generators (VGs). Παρατηρήθηκε ακόμα ότι ανάλογα με τη γωνία πρόσπτωσης της πτέρυγας και με τη θέση των VGs είναι δυνατόν να εμφανιστούν φαινόμενα αστάθειας της ροής. Επίσης, αποδείχθηκε ότι υπολογισμοί σε πτέρυγες με πολύ χαμηλό λόγο επιμήκους αδυνατούν να προλέξουν την εμφάνιση των Stall Cells και δίνουν παραπλανητικά αποτελέσματα όσον αφορά την απόδοση των VGs. Οι μετρήσεις SPIV έδειξαν ότι κοντά στα VGs είναι έντονη η τυρβώδης αλληλεπίδραση μεταξύ των στροβίλων ενώ σε μεγαλύτερη απόσταση η διάχυση γίνεται ο κυρίαρχος μηχανισμός στη ροή.Συνολικά, η έρευνα αυτή έρχεται σε συνέχεια προηγούμενων που σημείωναν την ανάγκη προσεκτικής ανάγνωσης των πειραματικών δεδομένων, ειδικά στην περίπτωση της αποκολλημένης ροής. Η συνήθης υπόθεση της δισδιάστατης ροής γύρω από αεροτομή δεν ισχύει στην περίπτωση που δημιουργούνται Stall Cells. Επιπλέον, το τρισδιάστατο της αποκολλημένης ροής θα πρέπει να λαμβάνεται υπ' όψιν σε σχέση με τον έλεγχο της ροής.