Μελέτη καινοτόμων τεχνικών παθητικού ελέγχου ροής σε εφαρμογές αεροναυτικής
Creators: name: Παπαδόπουλος, Χαράλαμπος Ι.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: Παθητικός έλεγχος ροής
Υπολογιστική ρευστομηχανική
Μη επανδρωμένα αεροχήματα
Μικρές ανεμογεννήτριες
Passive flow control
Computational fluid dynamics
Unmanned aerial vehicles
Small wind turbines

description: 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 &lt; 0.3.Η έρευνα ακολουθεί μία προσέγγιση εφαρμοσμένης αεροδυναμικής (applied aerodynamics), ενώ 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). 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. Στο πλαίσιο της παρούσας έρευνας, αρχικά καθορίστηκε μια σειρά από πλατφόρμες αναφοράς, η ροή γύρω από τις οποίες 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. Τις υπολογιστικές αναλύσεις πλαισιώνουν και πειράματα σε αεροσήραγγα. 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. 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.
description: 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 &lt; 0.3). 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. 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. 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. 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.