Περιεχόμενα 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Transcript

1 Περιεχόμενα 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΑΡΧΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΡΟΗΣ ΘΕΩΡΙΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΈΛΕΓΧΟΣ ΑΝΟΙΧΤΟΥ ΒΡΟΓΧΟΥ ΈΛΕΓΧΟΣ ΚΛΕΙΣΤΟΥ ΒΡΟΓΧΟΥ ΚΛΑΣΣΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΜΟΝΤΕΡΝΑ ΘΕΩΡΙΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ ΒΑΣΙΣΜΕΝΕΣ ΣΕ ΦΥΣΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ ΣΤΟΝ ΈΛΕΓΧΟ ΚΛΕΙΣΤΟΥ ΒΡΟΓΧΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕΙΩΜΕΝΗΣ ΤΑΞΗΣ Φυσική Μαθηματική ΤΡΟΠΟΙ ΕΛΕΓΧΟΥ Έλεγχος Μετάβασης μέσω Διαχείρισης Κυμάτων Ενεργητικός έλεγχος τύρβης Ενίσχυση δυναμικής άνωσης και καταστολή αποκόλλησης ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ Συσκευές με κινούμενα μέρη

2 Πνευματικές συσκευές Συγκεκριμένα βιβλιογραφικά παραδείγματα Παράδειγμα 1: Ενεργοποιητές συνθετικού τζετ Παράδειγμα 2: Ενεργοποιητές παλλόμενου τζετ Παράδειγμα 3: Ενεργοποιητής συνθετικού τζετ Παράδειγμα 4 (συνέχεια από Παρ. 3) Αναλυτική περιγραφή συγκεκριμένου ενεργοποιητή Επιπλέον μηχανισμοί ελέγχου Συγκεκριμένα βιβλιογραφικά παραδείγματα Παράδειγμα 1: Έλεγχος μέσω ταλάντωσης φλαπ ΈΛΕΓΧΟΣ ΣΕ ΠΤΕΡΥΓΕΣ ΜΙΚΡΟΥ ΛΟΓΟΥ ΔΙΑΤΑΜΑΤΟΣ Έλεγχος Κρουστικών Κυμάτων και Αλληλεπίδραση των Κυμάτων με το Ο.Σ Έλεγχος με Αναρρόφηση Έλεγχος Ροών με Δίνες ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΔΙΝΩΝ ΣΕ ΔΕΛΤΑ ΠΤΕΡΥΓΕΣ Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΡΕΥΣΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΥΠΟΒΑΘΡΟ ΑΡΧΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ Αρχικές συνθήκες σε RANS/LES Αρχικές συνθήκες σε DNS/LES ΣΥΝΟΡΙΑΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΤΩΝ ΘΕΜΑΤΑ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΘΕΜΑΤΑ ΕΞΑΓΩΓΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ

3 2.8.1 ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥ ΚΥΜΑΤΟΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΝΕΡΓΗΤΙΚΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ 1: ΧΩΡΙΣ ΈΛΕΓΧΟ ΡΟΗΣ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ 2: ΜΕ ΈΛΕΓΧΟ ΡΟΗΣ (5%-130 ΗZ-V JET =19.5) ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ 3: ΜΕ ΈΛΕΓΧΟ ΡΟΗΣ(5%-130 ΗZ-V JET =120) ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ 4: ΜΕ ΈΛΕΓΧΟ ΡΟΗΣ(15%-130 ΗZ-V JET =19.5) ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ 5: ΜΕ ΈΛΕΓΧΟ ΡΟΗΣ(15%-40 ΗZ-V JET =19.5) ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ 6: ΜΕ ΈΛΕΓΧΟ ΡΟΗΣ(15%-130 ΗZ-V JET =60) ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ 7: ΜΕ ΈΛΕΓΧΟ ΡΟΗΣ(25%-130 ΗZ-V JET =19.5) ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ 8: ΜΕ ΈΛΕΓΧΟ ΡΟΗΣ(25%-30 ΗZ-V JET =19.5) ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ 9: ΜΕ ΈΛΕΓΧΟ ΡΟΗΣ(25%-80 ΗZ-V JET =19.5) ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ 10: ΜΕ ΈΛΕΓΧΟ ΡΟΗΣ(35%-130 ΗZ-V JET =60) ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ 11: ΜΕ ΈΛΕΓΧΟ ΡΟΗΣ(35%-30 ΗZ-V JET =60) ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ 12: ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΞΑΡΤΗΣΗΣ ΤΟΥ ΡΟΪΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ΑΠΟ ΤΟ ΠΛΕΓΜΑ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ 13: ΣΥΝΔΥΑΣΜΟΣ 2 ΤΖΕΤ ΑΕΡΑ (ΕΝΕΡΓΗΤΙΚΟ-ΠΑΘΗΤΙΚΟ) ΣΧΟΛΙΑΣΜΟΣ ΕΠΙ ΤΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Θέση τζετ x c Θέση τζετ x c Θέση τζετ x c Θέση τζετ x c 3

4 Ανάλυση επηρεασμού λύσης από το πλέγμα ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΠΤΕΡΥΓΑ ΑΕΡΟΤΟΜΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΡΟΗΣ ΑΕΡΟΣΗΡΑΓΓΑ VORTEX GENERATORS (ΣΤΕΛΕΧΗ ΠΟΥ ΠΑΛΙΝΔΡΟΜΟΥΝ) ACTUATOR ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1ο 1. Εισαγωγή 5

6 1.1 Εισαγωγή Ορς.: Ο ενεργητικός έλεγχος ροής ουσιαστικά αποτελεί μια επιστήμη και μια τεχνολογική ώθηση που στοχεύει στη μεταβολή μιας συγκεκριμένης φυσικής ροής σε μια πιο επιθυμητή κατάσταση. Ο έλεγχος ροής έχει τις ρίζες του αρκετά παλιά, στην ανακάλυψη του οριακού στρώματος από τον Prandtl. Ο σκοπός του ελέγχου της ροής είναι η βελτίωση ενός συγκεκριμένου στόχου. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω των κατάλληλων ενεργοποιητών (actuators) των οριακών στρωμάτων. Η ανάπτυξη του οριακού στρώματος και η αλληλεπίδρασή του με την εξωτερική ατριβή ροή, ιδιαίτερα σε υψηλές ταχύτητες, καθορίζουν τα όρια απόδοσης των πτήσεων υψηλής ταχύτητας. Επίσης, οι συνθήκες πτήσης και ελεύθερης ροής μπορεί να αλλάξουν σημαντικά κατά τη διάρκεια μιας πτήσης ενώ το αεροσκάφος είναι σχεδιασμένο για συγκεκριμένα σημεία σχεδιασμού. Επομένως, ο έλεγχος της ροής και ο έλεγχος του οριακού στρώματος σε συνδυασμό με την τεχνολογία προσαρμογής πτερύγων μπορεί να επιφέρουν επαναστατικά πλεονεκτήματα κατά τη φάση της απογείωσης, προσγείωσης και σταθερής πτήσης. Στόχοι τέτοιων τεχνολογιών θα μπορούσαν να είναι η μείωση της αντίστασης, ενίσχυση της δυναμικής άνωσης, μείωση αποκόλλησης, κλπ. Ακόμη, σε κάθε φάκελο πτήσης υπάρχουν συγκεκριμένα σημεία σχεδιασμού για τα οποία βελτιστοποιείται η απόδοση. Όμως με την εισαγωγή των παραπάνω τεχνολογιών είναι εφικτή η εκμετάλλευση όλων των σημείων ενός φακέλου πτήσης και συνεπώς η βέλτιστη απόδοση θα επιτυγχάνεται όχι σε συγκεκριμένα σημεία αλλά στη συνολική πτήση. Επίσης, ο έλεγχος της ροής μπορεί να κατηγοριοποιηθεί με βάση τον αν είναι ενεργητικός ή παθητικός ή με βάση τον τρόπο που μεταβάλλεται ή ενεργοποίηση (actuation) της ροής δηλαδή ανοιχτού βρόγχου, κλειστού βρόγχου ή βέλτιστου ελέγχου. Ο έλεγχος της ροής περιλαμβάνει παθητικούς ή ενεργητικούς μηχανισμούς οι οποίοι καθυστερούν ή ενισχύουν τη μετάβαση του οριακού στρώματος, 6

7 καταστέλλουν ή ενισχύουν την τύρβη και παρεμποδίζουν την ευρεία ανάπτυξη και αποκόλληση του οριακού στρώματος. Τέτοιοι μηχανισμοί ελέγχου απεικονίζονται στα παρακάτω σχήματα. σχήμα 1.1: Μηχανισμοί ελέγχου σχήμα 1.2: Μηχανισμοί ελέγχου. a) Γεωμετρικοί μηχανισμοί b) Πνευματικοί μηχανισμοί 7

8 Στον παθητικό έλεγχο της ροής περιλαμβάνονται τα riblets, η σταθερή έγχυση ή αναρρόφηση κ.α. Ο παθητικός έλεγχος ροής χαρακτηρίζεται από απλότητα, οικονομία και ευκολότερη εφαρμογή σε πραγματικές διατάξεις. Όμως επειδή οι περισσότερες ροές χαρακτηρίζονται από πολύπλοκες μη μόνιμες κινήσεις (τύρβη, αστάθειες) η ικανότητα των μόνιμων (παθητικών) διατάξεων να ελέγξουν τις μη μόνιμες κινήσεις είναι περιορισμένη. Επίσης με τον παθητικό έλεγχο της ροής είναι πιθανό να απαιτείται περισσότερη ενέργεια επειδή στοχεύει στην αλλαγή της κατάστασης της μέσης ροής, ενώ ο ενεργητικός έλεγχος αξιοποιεί τους έμφυτους μηχανισμούς αστάθειας σε μια ροή και χρησιμοποιεί την τελευταία ως ενισχυτή για να πετύχει μια γενικευμένη επίδραση χρησιμοποιώντας έναν πολύ μικρό, τοπικό έλεγχο. Στον ενεργητικό έλεγχο της ροής υπάρχουν μηχανισμοί καθυστέρησης της μετάβασης που προκαλούν μείωση της επιφανειακής τριβής και περιλαμβάνουν ευνοϊκές κλίσεις πίεσης, αναρρόφηση στην περιοχή της ακμής προσβολής ή και τα δύο, έλεγχο των αναπτυσσόμενων γραμμικών διαταραχών στο οριακό στρώμα και μετάδοση θερμότητας (κυρίως ψύξη) στα τοιχώματα. Πολλές φορές είναι επιθυμητή η γρήγορη μετάβαση της ροής (όταν είναι αναπόφευκτη η στρωτή αποκόλληση ή για πειράματα υπό κλίμακα σε αεροσήραγγες με υψηλό αριθμό Re. Στους μηχανισμούς χειραγώγησης της τύρβης περιλαμβάνονται τα MEMS (micro-electro-mechanical-systems), έγχυση αέρα μικρής ορμής μέσα στο οριακό στρώμα κ.α. Μέσα ελέγχου τα οποία θα αναλυθούν παρακάτω περιλαμβάνουν τζετ αέρα, ενεργοποιητές δινών μέσα στο υπόστρωμα, παλμικά τζετ μηδενικής μάζας, έγχυση και αναρρόφηση εναλλάξ καθώς και μηχανισμούς με ενεργή και κατά βούληση αλλαγή της γεωμετρίας τους. Ακόμη είναι και τα MEMS. Στον έλεγχο της ροής περιλαμβάνεται και ο έλεγχος των κρουστικών κυμάτων και του σχετιζόμενου με αυτά τα κύματα οριακού στρώματος. Οι τρόποι είναι η διάχυση του κύματος για τη μείωση της αντίστασης κύματος ή η ενίσχυση του οριακού στρώματος ώστε αυτό να είναι πιο ανθεκτικό σε θετικές κλίσεις πίεσης. Συστήματα παροχής αέρα διαμέσου κοιλοτήτων χρησιμοποιούνται για 8

9 έλεγχο κρουστικών κυμάτων, συγκεκριμένης γεωμετρίας εξογκώματα στην επιφάνεια της πτέρυγας αλλά και VG s ή έγχυση/αναρρόφηση αέρα Αρχές Ελέγχου Ροής Η μετάβαση της ροής είναι το τελικό στάδιο μιας διαδικασίας που περιλαμβάνει την ενίσχυση διαταραχών μέσα στο οριακό στρώμα. Επομένως η βασική αρχή ελέγχου της ροής περιλαμβάνει την εξαφάνιση ή ελαχιστοποίηση της ενίσχυσης αυτών των διαταραχών. Σε μια ροή 0.8 με 1.5 Μach το μεγαλύτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει ο έλεγχος των διαταραχών που είναι κάθετες στη ροή (cross-flow) και των διαταραχών παράλληλων στη ροή (ουσιαστικά, δισδιάστατα κύματα Tollmien-Schlichting). Οι παραπάνω διαταραχές φαίνονται παραστατικά στο παρακάτω σχήμα: σχήμα 1.3: Είδη διαταραχών 9

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2ο 2. Θεωρία Ελέγχου 10

11 2.1 Μεθοδολογίες Ελέγχου Ένας τρόπος που γίνεται έλεγχος της ροής είναι η αξιοποίηση των ασταθειών της ροής. Έτσι υπάρχει εκείνη η αστάθεια κατά την οποία μία διαταραχή εισάγεται στο ροϊκό πεδίο και μεταφέρεται κατάντι, η πλήρως ασταθής ροή κατά την οποία μία διαταραχή πολλαπλασιάζεται καθώς μεταφέρεται. Οι όροι αυτοί αναφέρονται σε παράλληλες ροές. Όταν οι ροές, όμως, δεν είναι παράλληλες υπάρχει η δισδιάστατη ή τρισδιάστατη αστάθεια (BiGlobal/TriGlobal). Ενώ μέχρι τώρα η λύση των γραμμικοποιημένων εξισώσεων διαταραχών επέτρεπε την ταυτοποίηση των χαρακτηριστικών αστάθειας μιας συγκεκριμένης κατάστασης όπως είναι οι ρυθμοί ενίσχυσης των διαταραχών με τις συχνότητές τους και τη χωρική δομή τους, η επίλυση των κανονικοποιημένων εξισώσεων διαταραχών επιτρέπει την εύρεση της χωρικής θέσης τους. Μία μέθοδος που εφαρμόζει στον έλεγχο των τυρβωδών ροών είναι αυτή που είναι γνωστή ως κύρια ορθογωνική διάσπαση (proper orthogonal decomposition). Σύμφωνα με αυτήν, ένα σημείο ενός ροϊκού πεδίου επανασχεδιάζεται σε έναν παραμετρικό χώρο και γίνεται η προβολή αυτού του πεδίου σε μια αναλυτική ή αριθμητική ορθογωνική βάση που αποτελείται από πολλές κύριες ορθογωνικές διασπάσεις που περιέχουν μια συνεχώς φθίνουσα ποσότητα ενέργειας της ροής. Αυτή η βάση χρησιμοποιείται στη συνέχεια για προβλέψεις με διαφορετικές παραμέτρους (π.χ. για μεγαλύτερους αριθμούς Re) ώστε να είναι εφικτός ο έλεγχος στις νέες παραμέτρους. Η παραπάνω μεθοδολογία παρουσιάζει διάφορα μειονεκτήματα. Πρώτον, μία λύση ή μία λεπτομερής μέτρηση πρέπει να προϋπάρχει και μετά να εφαρμοστεί η μέθοδος των κύριων ορθογωνικών διασπάσεων. Δεύτερον, η κατασκευή της βάσης εξαρτάται κατά κύριο λόγο από τα δεδομένα στο πρώτο σετ παραμέτρων, εφόσον για τα υπόλοιπα χρησιμοποιούνται μεθοδολογίες 11

12 πρόβλεψης. Τρίτον, για πολύπλοκες μηχανολογικές διατάξεις δεν υπάρχουν δεδομένα. Τέτοια δεδομένα θα μπορούσαν να προέλθουν μόνο από επίλυση προσομοιώσεων DNS ή πειραμάτων. Ως γεννήτριες διαταραχών μπορούν, επίσης, να θεωρηθούν οι κλειστές περιοχές στρωτής αποκόλλησης. Απαραίτητη προϋπόθεση για τον έλεγχο της ροής μέσω των φυσαλίδων είναι η κατανόηση του μηχανισμού των ασταθειών BiGlobal. Οι διαταραχές αυτές είναι τάξεις μεγέθους μικρότερες από τις διαταραχές TS και η πειραματική απομόνωσή τους είναι πολύ δύσκολη εξαιτίας της ανομοιομορφίας των ρυθμών ανάπτυξής τους. Μια άλλη μεθοδολογία ελέγχου της ροής είναι η περιοδική εισαγωγή ορμής και η μέθοδος αυτή εφαρμόζει είτε σε στρωτές, είτε σε μεταβατικές, είτε σε τυρβώδεις ροές. Ο Wygnanski εισήγαγε 2 παραμέτρους για να ποσοτικοποιήσει τη διέγερση. Έναν συντελεστή ορμής και μια ελαττωμένη συχνότητα (reduced frequency). 2.2 Κατηγορίες Ελέγχου Έλεγχος ανοιχτού βρόγχου Σε αυτό το είδος ελέγχου περιλαμβάνεται, όπως ειπώθηκε, τα συστήματα παθητικού ελέγχου. Επίσης περιλαμβάνονται και τα αντίστοιχα ενεργητικά. Μάλιστα, ως τώρα, οι περισσότερες πειραματικές και υπολογιστικές μελέτες έχουν γίνει με αυτό το είδος ελέγχου. Μέσω μιας μονάδας ελέγχου κάποιος χειριστής μπορεί να επέμβει στις παραμέτρους των actuators. 12

13 2.2.2 Έλεγχος κλειστού βρόγχου Σε αυτό το είδος ελέγχου χρησιμοποιούνται actuators και αισθητήρες μαζί ώστε οι τελευταίοι να δώσουν τις κατάλληλες αναδράσεις στους πρώτους και έτσι αυτόματα να γίνει ο έλεγχος της ροής. Δύο πολύ σημαντικές ιδιότητες που σχετίζονται με τα συστήματα κλειστού βρόγχου είναι η ελεγξιμότητα και η παρατηρητικότητα. Στην ελεγξιμότητα περιλαμβάνεται η καταλληλότητα ενός συστήματος actuators. Για παράδειγμα, αν ένας ενεργοποιητής παράγει αστρόβιλες διαταραχές (ηχητικά κύματα), τότε θα είναι αρκετά δύσκολο να ελέγξει μια ροή που κατακλύζεται από δίνες. Η παρατηρητικότητα αναφέρεται στους αισθητήρες και στην ικανότητά τους να μετρούν με αξιοπιστία αλλαγές σε μια κατάσταση. Η παρατηρητικότητα εξαρτάται κυρίως από τη φύση μιας κατάστασης. Για παράδειγμα, αν ένας αισθητήρας είναι κατασκευασμένος να μετράει μόνο στροβιλώδη διαταραχές τότε θα είχε αμελητέα ευαισθησία σε αστρόβιλες διαταραχές. Επομένως είναι απαραίτητος ένας μεγάλος αριθμός αισθητήρων για να ικανοποιείται σωστά η ιδιότητα της παρατηρητικότητας. Μια άλλη ιδιότητα της γραμμικής θεωρίας ελέγχου είναι η σταθεροποιησιμότητα. Αυτή η ιδιότητα ικανοποιείται αν κάθε ασταθής λειτουργία μιας κατάστασης μπορεί να ελεγχθεί. Έχει παρατηρηθεί ότι αυτή η ιδιότητα ικανοποιείται πιο δύσκολα όσο ο αριθμός Re αυξάνει και χρησιμοποιώντας έναν ενεργοποιητή (actuator). Αυτή η παρατήρηση αυτόματα συνεπάγεται ότι όσο αυξάνει ο αριθμός Re πρέπει να αυξάνει και ο αριθμός των ενεργοποιητών και να καλύπτουν μια ικανή επιφάνεια πάνω στην οποία θα επιτυγχάνεται ο μηχανισμός ελέγχου. Στα συστήματα κλειστού βρόγχου πρέπει οι μετρούμενες τιμές από τους αισθητήρες να μετατρέπονται σε κατάλληλες παραμέτρους ώστε να αποτελέσουν εισόδους στους ενεργοποιητές. Αυτή τη λειτουργία την κάνει ο ελεγκτής. Υπάρχουν τρεις προσεγγίσεις στον σχεδιασμός ελεγκτών. Η βασιζόμενη σε φυσικά μεγέθη, η κλασσική και η μοντέρνα. Μια, επίσης, πολύ σημαντική ιδιότητα των συστημάτων είναι η σθεναρότητα (robustness) σε 13

14 άγνωστες περιβαλλοντικές διαταραχές ή σε αβεβαιότητες στα μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν από τον ελεγκτή Κλασσική Θεωρία Ελέγχου Σύμφωνα με τη στρατηγική αυτή χρησιμοποιούνται αναλογικοί-ολοκληρωτικοί ελεγκτές (ΡΙ) και αναλογικοί-ολοκληρωτικοί-διαφορικοί ελεγκτές (ΡΙD). Ένας ελεγκτής ΡΙ μπορεί να σταθεροποιήσει γραμμικές και πεπερασμένου εύρους διαταραχές. Ταυτόχρονα, όμως, μπορεί να παρέχει ενέργεια στο φαινόμενο της μετάβασης της ροής και έτσι πλέον οι διαταραχές να φτάνουν σε μη γραμμικά επίπεδα που αυτό κατ επέκταση σημαίνει παραβίαση της υπόθεσης γραμμικών διαταραχών. Έτσι υπάρχει γρηγορότερη μετάβαση στην τύρβη Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου Αυτή η θεωρία διαφοροποιείται σε σχέση με την κλασσική στο ότι χρησιμοποιεί μια συστηματική μεθοδολογία νόμων για τον έλεγχο αναδράσεων κλειστών βρόγχων. Ένα ουσιαστικό συστατικό αυτής της θεωρίας είναι ότι χρησιμοποιεί ένα μοντέλο ως εκτιμητή της κατάστασης του συστήματος. 2.3 Γραμμική Θεωρία Ελέγχου Στη γραμμική θεωρία ελέγχου η καταστατική εξίσωση δίνεται από τη σχέση 14

15 x Ax Bu Dw (2.1) οι μετρήσεις από τη σχέση y Cx (2.2) και ο έλεγχος u Ky (2.3) Όπου x είναι το διάνυσμα κατάστασης, u είναι το διάνυσμα ελέγχου εισόδου, w οι εξωτερικές διαταραχές και y η έξοδος. Επίσης, Α, Β, C και D είναι πίνακες του συστήματος και Κ το μητρώο ανάδρασης. Αναφορικά με τον έλεγχο της ροής η εξίσωση (1) μπορεί να θεωρηθεί ως η διακριτοποιημένη, γραμμική χωρική εξίσωση Navier-Stokes μαζί με τις οριακές συνθήκες. 2.4 Στρατηγικές βασισμένες σε φυσικά μεγέθη Ένα κλασσικά παράδειγμα αυτής της μεθόδου είναι ο λεγόμενος έλεγχος εκτός φάσης. Ο έλεγχος γίνεται μέσω κατανεμημένης αναρρόφησης ή έγχυσης αέρα. Σκοπός είναι η εξασθένηση της κίνησης των δομών τύρβης, δηλαδή η μείωση της μεταφοράς ροής υψηλής ορμής προς το τοίχωμα και τελικά η μείωση της αντίστασης επιφανειακής τριβής. Η ανάδραση σε ένα τέτοιο σύστημα γίνεται με αισθητήρες που διακρίνουν την κάθετη συνιστώσα 15

16 της ταχύτητας σε ένα επίπεδο που απέχει συνήθως 10 μονάδες τοιχώματος ( y s 10 ). Μειονέκτημα αυτής της στρατηγικής είναι η ανικανότητα να προσομοιώσει καταστάσεις εκτός σχεδιασμού. Επίσης, δεν μπορεί να μας δώσει πληροφορίες σχετικά με το σύστημα κλειστού βρόγχου και ειδικότερα αν αυτό είναι σθεναρό ή όχι σε εξωτερικές διαταραχές. 2.5 Παρατηρήσεις στον Έλεγχο Κλειστού Βρόγχου Επειδή οι ροές είναι έντονα μη γραμμικές και πολυδιάστατες και οι πλήρεις εξισώσεις μιας κατάστασης δύσκολες στην επίλυση αναπτύχθηκαν τα μοντέλα μειωμένης τάξης (ROM) τα οποία απέκτησαν ιδιαίτερη σημαντικότητα εξαιτίας της γρήγορης και αξιόπιστης λειτουργίας τους. Μια άλλη παρατήρηση είναι ότι εξαιτίας του ελέγχου αυτού καθ αυτού, μπορούν να ενεργοποιηθούν μηχανισμοί ανεπιθύμητων διαταραχών Μοντελοποίηση μειωμένης τάξης Σε κάθε μεθοδολογία ελέγχου είναι απαραίτητη μία μοντελοποίηση του συστήματος. Ανάλογα με τη μεθοδολογία όμως απαιτείται ή όχι η κατάστρωση ενός πλήρους μαθηματικού μοντέλου. Τρεις είναι οι γενικές μεθοδολογίες της μοντελοποίησης μειωμένης τάξης. Η φυσική και η μαθηματική Φυσική Μια ιεραρχεία αυτών των προσεγγίσεων είναι: ανάλυση δυναμικών ροών, εξισώσεις οριακών στρωμάτων, εξισώσεις παραβολικής ευστάθειας, γραμμικοποιημένες αρμονικές εξισώσεις Navier-Stokes, RANS, DES και LES. 16

17 Μαθηματική Οι μαθηματικές προσεγγίσεις για την κατασκευή ενός ROM ξεκινούν με την επιλογή ενός κατάλληλου σετ από βασικές εξισώσεις. Το ροϊκό πεδίο στη συνέχει αναπαρίσταται από έναν γραμμικό συνδυασμό αυτών των βασικών εξισώσεων. Η διαφορά ενός μοντέλου διακριτοποίησης και των ROMs είναι ότι στα πρώτα οι βασικές εξισώσεις επιλέγονται απριόρι και έτσι η αντίστοιχη αριθμητική μεθοδολογία παρουσιάζει μια συγκεκριμένη ακρίβεια, αριθμητική απόδοση και γεωμετρική ευελιξία. Αντίθετα, οι βασικές εξισώσεις στα ROMs επιλέγονται αποστεριόρι και η επιλογή τους βασίζεται σε προηγούμενα πειραματικά ή αριθμητικά αποτελέσματα. Στα ROMs χρησιμοποιείται ο ελάχιστος αριθμός συναρτήσεων που είναι αρκετός όμως για την πλήρη αναπαράσταση ενός φυσικού φαινομένου. Κατ επέκταση το μοντέλο που δημιουργείται είναι το μικρότερο δυνατό (ελάχιστες εξισώσεις και άγνωστοι). Από τα παραπάνω δημιουργούνται 3 εύλογα ερωτήματα: 1) Πώς μπορεί κάποιος να επιλέξει τις βασικές συναρτήσεις που πιάνουν επακριβώς τη φυσική μιας συγκεκριμένης κατάστασης. 2) Φαινόμενα που αμελούνται πώς επηρεάζουν τα αποτελέσματα και 3) Πώς μπορεί να προσαρμοστεί ένα μοντέλο σε αλλαγές στη φυσική του καθώς μια ροή ελέγχεται και εξελίσσεται; Μια προσέγγιση στην κατασκευή των ROMs γίνεται μέσω της κύριας ορθογωνικής διάσπασης (POD). Όμως οι περιορισμοί είναι πολλοί. Επειδή οι βασικές συναρτήσεις χαρακτηρίζουν μία συγκεκριμένη ροή, καθώς αυτή η ροή ελέγχεται και αλλάζει με τη δράση του ελεγκτή πρέπει ταυτόχρονα να αλλάζει και η βάση του POD. Αυτό κάνει πολύ πολύπλοκη τη συνεργασία αυτών των δύο μεθοδολογιών. Έχει παρατηρηθεί ότι ο έλεγχος εκτός φάσης δίνει μια μείωση της αντίστασης της τάξης του 255 ενώ με τη μεθοδολογία βέλτιστου ελέγχου υπάρχει μια μείωση της αντίστασης της τάξης του 40%. Ακόμη, παρατηρείται ένας 17

18 εικονικός τοίχος. Στο παρακάτω σχήμα, σχήμα 2.1, απεικονίζονται τα πεδία ταχυτήτων για τρεις περιπτώσεις. Χωρίς έλεγχο, με έλεγχο εκτός φάσης και με βέλτιστο έλεγχο. Η οριζόντια διακεκομμένη γραμμή δείχνει τον εικονικό τοίχο και οι πολύ μικρές διαφορές στις ταχύτητες πολύ κοντά στην περιοχή αυτή είναι υπεύθυνες για τη μείωση στην αντίσταση. 2.6 Τρόποι Ελέγχου σχήμα 2.1: Πεδία ταχυτήτων Έλεγχος Μετάβασης μέσω Διαχείρισης Κυμάτων Στοιχεία που αυξάνουν την τραχύτητα τοποθετούνται μπροστά στην ακμή προσβολής. Έχει βρεθεί από μελέτες ότι κύματα αστάθειας προκαλούνται 18

19 μόνο σε ακέραια πολλαπλάσια του αρχικού κυματάριθμου της διαταραχής. Αυτό σημαίνει, για παράδειγμα, ότι αν τοποθετηθούν τέτοια στοιχεία σε απόσταση 12 mm τότε προκαλούνται διαταραχές στην κατεύθυνση του εκπετάσματος με μήκη κύματος 6, 4 και 3 mm. Αυτές, όμως, οι διαταραχές αλλάζουν συνεχώς εξαιτίας των μεταβολών της ελεύθερης ροής ή των συνθηκών πτήσης. Επομένως, είναι επιθυμητό να υπάρχει μεταβολή των στοιχείων αύξησης τραχύτητας σε θέση και μέγεθος σε πραγματικό χρόνο, και αυτές οι αλλαγές να είναι βέλτιστες για κάθε δεδομένη κατάσταση ροής. Τέτοιες πτέρυγες, λέγονται ευπροσάρμοστες πτέρυγες, και αποτελούνται από μια ευέλικτη επιφάνεια η οποία με πνευματικό μηχανισμό ενεργοποιείται και μεταβάλλεται. Μια βασική διάταξη μηχανισμών ελέγχου κυμάτων φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. σχήμα 2.2: Διάταξη μηχανισμού ελέγχου Σε μια κατάλληλη θέση τοποθετούνται αισθητήρες για την παρακολούθηση των κυμάτων TS. Τα σήματα των αισθητήρων λαμβάνονται από τους ενεργοποιητές και παράγουν κύματα αντίστροφα ώστε να ακυρώσουν τα κύματα των διαταραχών. Αποτελέσματα αυτής της τεχνικής, Ενεργός Έλεγχος Κυμάτων (Active Wave Control, AWC), απεικονίζονται στο παρακάτω σχήμα: 19

20 σχήμα 2.3: Αποτελέσματα ενεργού ελέγχου κυμάτων (AWC) Στο παραπάνω σχήμα φαίνονται προφίλ των διακυμάνσεων της ταχύτητας u για ταχύτητα ελεύθερης ροής U = 17 m/s. Είναι φανερή η μείωση της τύρβης εξαιτίας του ενεργητικού ελέγχου. Τα παραπάνω αντιστοιχούν σε καθυστέρηση της μετάβασης κατά 10% κατάντι της χορδής της πτέρυγας Ενεργητικός έλεγχος τύρβης Και εδώ, η αρχή για τον έλεγχο της ροής γίνεται μέσω αισθητήρων που αναλύουν τις δομές κοντά στο τοίχωμα, ενεργοποιητών που χειραγωγούν αυτές τις δομές και σημεία ελέγχου κατάντι της ροής που μελετούν την αποτελεσματικότητα των ενεργοποιητών Ενίσχυση δυναμικής άνωσης και καταστολή αποκόλλησης Η καθυστέρηση της μετάβασης του οριακού στρώματος στην επάνω επιφάνεια μιας πτέρυγας, για παράδειγμα, σε ηχητικές καταστάσεις και σε θέση μπροστά από το κρουστικό κύμα έχει ως αποτέλεσμα το οριακό στρώμα στην ακμή φυγής να είναι μικρότερου πάχους και κατ επέκταση η ενεργή κυρτότητα της πτέρυγας να είναι αυξημένη. Δηλαδή, ενισχύεται η δυναμική άνωση και μειώνεται η αντίσταση μορφής. Μηχανισμοί για τέτοιου είδους 20

21 έλεγχο της ροής τοποθετούνται στην περιοχή της ακμής φυγής ή τοποθετούνται επιφάνειες με ανάκληση Εφαρμογές Χαμηλής ταχύτητας Συγκεκριμένοι ενεργοποιητές ενεργού ελέγχου ροής είναι αποτελεσματικοί σε χαμηλούς αριθμούς Mach, αλλά η ορμή και το πεδίο δινών που παράγουν τους καθιστούν χρήσιμους σε τέτοιες μόνο περιπτώσεις. Σε υψηλότερους αριθμούς Mach απαιτούνται ικανοί και αξιόπιστοι ενεργοποιητές, που όμως λείπουν από το εμπόριο. Ένας νέος ενεργοποιητής βασισμένος στο συνδυασμό συνεχούς προσρόφησης και περιοδικά μεταβαλλόμενης εκτόνωσης, παρουσιάζεται. Ο ενεργοποιητής επιτυγχάνει σχεδόν ηχητικές ταχύτητες σε ένα εύρος συχνοτήτων από 1 Hz έως 1 KHz. Δεν έχει κινούμενα μέρη και επομένως αναμένεται να έχει καλύτερη αποτελεσματικότητα και αξιοπιστία. Συστήματα τέτοιου τύπου που ουσιαστικά ασκούν ενεργό έλεγχο στο ροϊκό πεδίο βελτιώνουν την απόδοση ιπτάμενων οχημάτων, δηλαδή την δύναμη άνωσης, αυξημένο περιθώριο απώλειας στήριξης, μείωση της δύναμης αντίστασης και περιορισμένες ταλαντώσεις κατά την πτήση. Οι AFC ενεργοποιητές μπορούν να χωριστούν σε δύο κύριες κατηγορίες ανάλογα με την αρχή λειτουργίας τους: τους ZMF ( zero mass flux ή synthetic actuators) και τους mass flux actuators (MF, continuous or pulsed jets, steady or pulsed suction). Οι ενεργοποιητές συνθετικού τζετ μπορούν να είναι πολύ αποτελεσματικοί για AFC, παρόλα αυτά το κυριότερο μειονέκτημα τους είναι το μέγεθος της ορμής και του συστήματος δινών που μπορούν να παράγουν, που περιορίζεται σε μια μέγιστη ταχύτητα M = 0.3. Έτσι, στιβαροί και περιοδικά μεταβαλλόμενης κατάστασης ενεργοποιητές είναι χρήσιμοι για κάθε AFC σύστημα. Διάφοροι τύποι ενεργοποιητών χρησιμοποιούνται ή είναι υπό εξέλιξη: 21

22 Mechanical Piezoelectric Actuators: Λειτουργούν με την μεταβολή της έντασης του ρεύματος που τους διαρρέει και έτσι εισάγουν διαταραχές στο πεδίο. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα τους είναι η απλότητα και η ευκολία τοποθέτησης. Στην ίδια κατηγορία ανήκουν και οι Piezoelectric Fluidic Actuators οι οποίοι διαφέρουν στο ότι δεν λειτουργούν άμεσα στο ροϊκό πεδίο αλλά μέσα σε κοιλότητα όπου εξάγεται ρευστό και παρεμβάλλεται αυτό στο ροϊκό πεδίο. Συγκεντρώνουν πολλά πλεονεκτήματα αλλά η αξιόπιστη χρήση τους περιορίζεται σε σχετικά χαμηλές ταχύτητες. Pulsed Combustion Jet Actuator: Η λειτουργία τους βασίζεται σε μια υποηχητική διαδικασία καύσης. Αποτελούν καλή λύση για υψηλές ταχύτητες, αλλά απαιτούν τη χρήση εξωτικών υλικών και καταναλώνουν καύσιμο ενώ ταυτόχρονα δημιουργούν μεγάλες απαιτήσεις σε χώρο οπότε και δυσκολεύουν την εφαρμογή τους. Hartmann Tube: Είναι μια συσκευή που χρησιμοποιεί τις ταλαντώσεις των κρουστικών κυμάτων για να παράγει υψηλής έντασης ηχητικά κύματα. Το εύρος και η συχνότητα των κυμάτων πίεσης καθορίζουν τη λειτουργία της συσκευής. Η δεκτικότητα των ηχητικών κυμάτων από το τυρβώδες οριακό στρώμα αποτελεί περιοριστικό παράγοντα. Plasma Actuators: Η αρχή λειτουργίας τους είναι η δημιουργία διαταραχών (κινητικής ενέργειας) στο οριακό στρώμα έτσι ώστε να μεταβάλλει τα χαρακτηριστικά του. Λειτουργούν με την εφαρμογή πολύ υψηλής έντασης ρεύματος και συχνοτήτων και αυτά τα δυο στοιχεία αποτελούν και τα μειονεκτήματα τους. Oscillatory Blowing Actuators: Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται για να καθυστερήσει την αποκόλληση του οριακού στρώματος. Αν και έχουν πολλά πλεονεκτήματα έχουν το μειονέκτημα ότι εισάγουν απώλειες στην ροή και άρα έχουν χαμηλή απόδοση. 22

23 Fluidic Amplifiers: Οι ροϊκοί ενισχυτές χρησιμοποιούνται για να αυξήσουν την απόδοση πολλών παραπάνω ενεργοποιητών και ένα από τα μειονεκτήματα τους είναι ότι καταλαμβάνουν μεγάλο μέγεθος λόγω του σωλήνα που χρησιμοποιούν και είναι δύσκολος ο συνδυασμός τους με άλλες συσκευές Συσκευές με κινούμενα μέρη Μέχρι τώρα, χρησιμοποιούνται συστήματα υψηλής άντωσης τα οποία εξαιτίας του βάρους τους και της πολυπλοκότητάς τους περιορίζουν το ωφέλιμο φορτίο. Γι αυτό η εύρεση τρόπων αντικατάστασής τους έχει απασχολήσει πολύ τους ερευνητές. Υποψήφιες μηχανισμοί για έλεγχο της ροής και αντικατάσταση των πολύπλοκων μηχανισμών είναι οι γεννήτριες δινών, προσαρμόσιμα φλαπς και τζετ αναρρόφησης/έγχυσης αέρα. Ένας μηχανισμός ανάκλησης στην ακμή φυγής φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Ο μηχανισμός αυτός επινοήθηκε από τον Bechert ύστερα από προσεκτική παρατήρηση της συμπεριφοράς των πουλιών κατά τη φάση που προσεγγίζουν το έδαφος. Ένα φλαπ στην περιοχή της ακμής φυγής μπορεί να περιστραφεί ανάλογα με τα δεδομένα που θα λάβει κάποιο σύστημα αυτομάτου ελέγχου από τους αισθητήρες της ροής. Στο σχήμα, ακόμη, φαίνονται οι καμπύλες C L καθώς και κάποια γεωμετρικά χαρακτηριστικά. 23

24 σχήμα 2.4: Μηχανισμός ανάκλησης Πνευματικές συσκευές Οι τεχνολογίες ελέγχου της κυκλοφορίας αναπτύχθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 1930 και παρουσιάστηκαν τόσο στα εργαστήρια όσο και σε ηπτάμενα οχήματα. Αυτές οι τεχνολογίες σχετίζονται γενικά με πνευματικές συσκευές οι οποίες εγκαθίστανται κοντά στο πίσω τμήμα της πτέρυγας, με τέτοιο τρόπο που συγκαταλλέγονται στις κατηγορίες jet flaps ή blown flaps. Ένα φύλλο jet εξέρχεται από την ακμή φυγής της πτέρυγας σε μία δεδομένη γωνία ή εφαπτομενικά σε ένα flap με πολύ αιχμηρή ακμή φυγής. Αυτό αυξάνει τις αεροδυναμικές δυνάμεις παρασέρνοντας και εκτρέποντας το ροϊκό πεδίο της πτέρυγας πνευματικά. Η αεροδυναμική αυτή ιδέα είναι γνωστή ως έλεγχος κυκλοφορίας. 24

25 Η ιδέα του ελέγχου της κυκλοφορίας βασίζεται στο φαινόμενο Coanda, το οποίο πήρε το όνομά του από τον Ρουμάνο εφευρέτη Henri Coanda που ισχυρίστηκε ότι το εφήυρε στο Παρίσι στις αρχές του Το 1967 ο Kind και ο Maull ξεκίνησαν τη μελέτη του οριακού στρώματος γύρω από μια πτέρυγα Coanda. Από κεί και ύστερα τα αεροδυναμικά χαρακτηριστικά των πτερύγων ελέγχου κυκλοφορίας (Circulation Control Wings CCW) μελετήθηκαν πειραματικά και αριθμητικά για παραπάνω από 65 χρόνια. Η μελέτη μίας συνδυασμένης CCW υπερκρίσιμης έγινε πραγματικότητα το 1981 από τον Englar. Τα αποτελέσματα της υποηχητικής δισδιάστατης αεροσήραγγας δείξανε ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί μία μικρού μεγέθους ακμή φυγής σε μία υπερηχητική αεροτομή χωρίς να υπάρχει μείωση στην απόδοση μίας CCW. O Spaid και Keener πραγματοποίησαν ορισμένες πειραματικές μελέτες μετρώντας με τη βοήθεια αεροσήραγγας τα προφίλ των οριακών στρωμάτων καθώς και της ταχύτητας του απόρρου για μία «σαρωμένη» (swept) CCW. Επίσης βρέθηκε γιατί συμβαίνει μία απότομη μετάβαση από μία αρχική αποκόλληση σε προσκόλληση της ροής στο οριακό στρώμα ανάντη της οπής του jet. Τα αποτελέσματα δείξανε ότι η ροή πλησίον της εξόδου του jet και στον αρχικό απόρρου ήταν έντονα τρισδιάστατη. Επιπροσθέτως στη σταθερή εφαπτομενική έγχυση αέρα από οπές στην ακμή φυγής πάνω σε μία πτέρυγα ελέγχου κυκλοφορίας, μελετήθηκε και η παλμική έγχυση αέρα από τη δεκατία του 1970 έως τη δεκατία του Τα αποτελέσματα δεν έδειξαν επιπλέον όφελος στην απόδοση της αεροτομής αλλά προσέφεραν χρήσιμες πληροφορίες στο σχεδιασμό της εγκατάστασης των εφαρμογών παλμικής έγχυσης αέρα. Το 2002 ο Jones ανέπτυξε μια ιδέα, μία δισδιάστατη πτέρυγα με το όνομα General Aviation Circulation Control (GACC) η οποία θα χρησιμοποιεί ένα παλμικό πνευματικό flap. Το μοντέλο ήταν μία υπερκρίσιμη αεροτομή πάχους 17% που είχε μία χορδή 240mm και εκπέτασμα 710mm (AR 2.98). Επιπροσθέτως, η αεροτομή παρείχε επαρκή εσωτερικό όγκο ώστε να χωρέσει τρείς πολλαπλών πιέσεων και ένα παλμικό ενεργοποιητή (actuator). Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η αποδοτικότητα της παλμικής έγχυσης αέρα σε μία GACC αεροτομή εξαρτάται 25

26 από την αποδοτικότητα του συστήματος ενεργοποίησης. Όσον αφορά το παλμικό jet αέρα πάνω στη Coanda επιφάνεια, το μέγεθος του jet μειώνεται όσο το jet κινείται πάνω στη Coanda επιφάνεια. Περαιτέρω έρευνες πραγματοποιήθηκαν στις GACC πτέρυγες με παλμική έγχυση αέρα, μελετήθηκαν οι κατανομές πίεσης πάνω στη πτέρυγα στη περίπτωση παλμικής και σταθερής έγχυσης αέρα όταν η τιμή του συντελεστή άνωσης είναι 1.2. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως οι μέσες τιμές μεγέθους στο χρόνο της πίεσης ήταν ευνοϊκότερες στις παλμικές ροές μάζας και ήταν 45% χαμηλότερες από αυτές στις συνθήκες σταθερής έγχυσης αέρα. Υπολογιστικές μελέτες ρευστομηχανικής επίσης δείξανε ότι το παλμικό jet παρήγαγε την ίδια άνωση με αυτή του σταθερού jet για πολύ χαμηλότερους ρυθμούς ροϊκής μάζας. Ο συντελεστής άνωσης αυξανόταν όταν αυξανόταν και η συχνότητα του παλμικού jet. Έτσι φάνηκε να υπάρχει μία συνέχεια και μία συνέπεια με τα αποτελέσματα προηγούμενων πειραμάτων. Ωστόσο ένα σταθερό jet αέρα μπορούσε να παράγει υψηλότερο συντελεστή άνωσης C L απ ότι ένα παλμικό jet χαμηλής συχνότητας (περίπου 40Hz). Αυτό συμβαίνει διότι η ροή αποκολλούνταν για ένα χρονικό διάστημα πριν ένας καινούριος κύκλος έγχυσης αέρα εκκινούσε, καταστρέφοντας έτσι την άνωση που δημιουργούταν. Για δισδιάστατες μελέτες ελέγχου της κυκλοφορίας, η ώθηση στην έξοδο του jet της αεροτομής μπορεί να περιγραφεί από τον συντελεστή ορμής C μ. Ο συντελεστής ορμής πρωτοεμφανίστηκε το 1948 ώστε να γίνει δυνατή η ερμηνεία των πειραματικών αποτελεσμάτων με έγχυση αέρα και ορίστηκε ως : C Thrust qs mu ( j ) q( c)( b) (2.4) Όπου, o m J U A (2.5) J J και 26

27 Pt ps U J (2.6) 0.5 J Το προφίλ της αντίστασης της αεροτομής Coanda με την εφαρμογή έγχυσης αέρα πρέπει να διορθωθεί αφαιρώντας την ορμή η οποία είχε προστεθεί από το σύστημα έγχυσης αέρα. Αυτό βέβαια υποθέτοντας συνθήκες ιδανικές χωρίς τριβές και η ορμή του jet μετατρέπεται σε δύναμη η οποία ποσοτικοποιείται από το ρυθμός της ροής μάζας επί την ταχύτητα της ελεύθερης ροής. Το διορθωμένο προφίλ του συντελεστή αντίστασης δίνεται από την παρακάτω εξίσωση : U C dpc Cdp C (2.7) U J Έτσι, ο συντελεστής του προφίλ αντίστασης μίας αεροτομής Coanda με έγχυση αέρα μπορεί να γίνει συγκρίσιμος. Ωστόσο για να είναι εφικτή μία απευθείας σύγκριση μίας Coanda αεροτομής με σταθερή και ασταθή έγχυση αέρα σε διαφορετικές συχνότητες παλμικού jet, είναι αναγκαίο να ορίσουμε ένα ισοδύναμο λόγο άνωσης προς αντίσταση. Αυτό είναι αναγκαίο διότι η αποδοτικότητα του συστήματος θα πρέπει να εμπεριέχει τις επιδράσεις της ενέργειας στην είσοδο που απαιτούνται για να επιτευχθεί η απόδοση της αεροτομής. Θα μπορούσε έτσι να αποφευχθεί και ο απειρισμός της αποδοτικότητας όταν η αντίσταση μηδενίζεται λόγω της μεγάλης ορμής έγχυσης αέρα. Γι αυτό τον λόγο η διόρθωση γίνεται μέσω μίας ισοδύναμης «κινητικής ενέργειας» συντελεστή αντίστασης ο οποίος σχετίζεται με την ισχύ. Αυτή η ισοδύναμη αντίσταση μπορεί να περιγραφεί από την σχέση : D D D D (2.8) EQUIV dp power RAM 27

28 Ο ισοδύναμος συντελεστής αντίστασης και η ισοδύναμη απόδοση υπολογίζονται με τις παρακάτω εξισώσεις αντιστοίχως : C dequiv C dp C U J 2U C U U J (2.9) L D EQUIV Cl C dequiv (2.10) Η αρχική μελέτη, της παράπλευρης σταθερής έγχυσης αέρα, διεξήχθει από τον Ντίξον το Ο μηχανισμός αυτής της ιδέας είναι ανάλογος της ροής πάνω από λεπτόπαχη δελταπτέρυγη πλατφόρμα, κατά την οποία παράγεται μια δίνη στην ακμή προσβολής και μη γραμμικές καμπύλες άνωσης. Η σταθερή έγχυση αέρα κατά μήκος τους εκπετάσματος μπορεί να θεωρηθεί ότι παρέχει την επίδραση σαρώματος παρόμοια μ αυτή των δέλτα πτερύγων, η επίδραση αυτή σαρώματος είναι συναρτήσει της ορμής του jet αέρα. Το jet αέρα κατά μήκος του εκπετάσματος μπορεί να περιγραφεί με τους εξής όρους, την θέση του κατά μήκος της χορδής της αεροτομής, το ύψος του ακροφυσίου και το μέγεθος του ακροφυσίου. Ο Ντίξον και ο Κλάρκ δείξανε ότι η βέλτιστη κάθετη θέση του ακροφυσίου μπορεί να είναι συνάρτηση της διαμέτρου του ακροφυσίου και ότι το jet του αέρα από ένα ακροφύσιο το οποίο είναι τοποθετημένο πολύ κοντά στην επιφάνεια της πτέρυγας μπορεί να έχει φθοροποιό επίδραση στη ροή του αέρα πάνω από την πτέρυγα. Η μεγάλη ορμή που απαιτείται για την ενεργοποίηση αύξηση άνωσης είναι το κυρίως θέμα στην επίδραση της έγχυσης αέρα και ως αποτέλεσμα αυτού ο Μέγιερ και ο Σέγκινερ διεξήγαγαν κάποιες αρχικά πειράματα ώστε να παράγουν την ίδια αύξηση άνωσης χρησιμοποιώντας μικρότερη ορμή με την βοήθεια όμως παλμικής - ρυθμικής έγχυσης αέρα. Πειράματα σε μία αεροτομή NACA 0012 εκπετάσματος 451mm και χορδή μήκους 151mm με αριθμό Reynolds βάσει της χορδής 1,25x10 5, έδειξαν ότι στη περίπτωση μη έγχυσης αέρα και για γωνία α = 9 μοίρες, το οριακό 28

29 στρώμα παραμένει στρωτό. Όταν εφαρμοστεί έγχυση αέρα στη θέση x/c = 0, το πάχος του οριακού στρώματος δ αυξάνεται σημαντικά όσο προχωράει η ροή. Αυτό οφείλεται στην ισχυρή ανάμιξη της ροής που επιτυγχάνεται λόγω της μεγάλης ορμής του jet αέρα στην ακμή προσβολής, η οποία δημιουργεί μια επιθυμητή κλίση πίεσης. Το jet αέρα υψηλής ορμής αναγκάζει την ροή να εκτρέπεται προς τα πάνω όσο προχωράει κατά μήκος της πτέρυγας. Τα αποτελέσματα δείχνουν ακόμα ότι το jet αέρα εισάγει μία αστάθεια μέσα στο στρωτό οριακό στρώμα, αυτό θα μετατραπεί σε τυρβώδες μόλις αποκολληθεί και αυτοστιγμεί θα επανακολληθεί. Έτσι η έγχυση αέρα στη θέση x/c =0 καθυστερεί την αποκόλληση της ροής πάνω από το πίσω τμήματ της επιφάνειας της πτέρυγας. Όταν η έγχυση αέρα εφαρμόζεται στη θέση x/c =1, το πάχος του οριακού στρώματος διατηρείται σε χαμηλές τιμές σε σχέση μ αυτό στη περίπτωση της μη έγχυσης αέρα. Όταν η έγχυση αέρα εφαρμόζεται στη θέση x/c = 0.25, το πάχος του οριακούς στρώματος είναι παρόμοιο μ αυτό που εμφανίζεται στη περίπτωση έγχυσης αέρα στη θέση x/c = 0, ωστόσο η ταχύτητα στο άκρο του οριακού στρώματος δ vel είναι μεγαλύτερη, επειδή το jet αέρα είναι κοντύτερα στο όργανο έγχυσης, έτσι καταγράφηκαν μεγαλύτερες ταχύτητες στο τμήμα έγχυσης. Επίσης το πάχος μετατόπισης δ * αυξάνεται συγκρατημένα. Για σταθερή έγχυση αέρα που εφαρμόζεται στη θέση x/c = 0 και 12 μοίρες γωνία προσβολής, ο συντελεστής μορφής για όλες τις θέσεις είναι μεταξύ του 1.22 και του Το πάχος μετατόπισης παραμένει σχετικά μικρό λόγω της προσκόλλησης του υψηλής ορμής jet αέρα και έτσι η αύξηση της άνωσης είναι η μικρότερη. Στη θέση x/c = 0.25 και 12 μοίρες γωνία προσβολής το jet αέρα προσκρούεται με την ανεστραμμένη ροή κοντά στην ακμή φυγής. Η ορμή της ανεστραμένης ροής ακυρώνεται από το jet αέρα που εφαρμόζεται στη κατεύθυνση της ροής, ως αποτέλεσμα την αύξηση του πάχους ορμής. Για τη σταθερή έγχυση αέρα εφαρμοζόμενη στη θέση x/c = 1 και 12 μοίρες γωνία προσβολής η κυκλοφορία της πτέρυγας μεταβάλλεται. Το πάχος του οριακού στρώματος κοντά στην ακμή προσβολής είναι μικροτερο από αυτό στη περίπτωση μη έγχυσης αέρα. Το σημείο ανακοπής πιέζεται και προχωράει στη πάνω επιφάνεια της πτέρυγας όταν εφαρμόζεται έγχυση αέρα στην ακμή 29

30 φυγής. Βρέθηκε επίσης ότι ο συντελεστής μορφής ήταν ψηλός για όλες τις θέσεις που γίνανε μετρήσεις, κάτι που αποδεκνύει ότι η έντονη τύρβη που δημιουργείται από το jet αέρα δημιουργεί ευνοϊκές συνθήκες, συγκεκριμένα διατηρεί την ροή προσκολλημένη πάνω στην επιφάνεια της πτέρυγας. Επομένως, Ο συντελεστής άνωσης αυξάνεται με τη σταθερή έγχυση αέρα κατά μήκους του εκπετάσματος και η πιο αποδοτική θέση έγχυσης αέρα είναι αυτή για x/c = 0.25, επειδή ο λόγος C C ήταν διαρκώς πάνω από τη μονάδα για όλες τις θετικές γωνίες προσβολής. Επιπλέον, όταν η ασταθής έγχυση αέρα εφαρμόστηκε, η γωνία απώλειας στήριξης αναβλήθηκε από τις 10 στις 11 μοίρες. Δείχθηκε ότι η ασταθής έγχυση αέρα καταπιέζει της ταλαντώσεις της ροής κοντά στην απώλεια στήριξης. Το jet αέρα υψηλής ορμής αναμειγνύεται με την ελεύθερη ροή και το jet αέρα εκτρέπεται. Τελικά η σταθερή και η ασταθής έγχυση αέρα είναι μία άμεση και αποδοτική τεχνική ελέγχου ροής για την βελτίωση των αεροδυναμικών χαρακτηριστικών και της απόδοσης μίας πτέρυγας. L Επιπρόσθετα, αντί για ενεργοποιητές δινών μπορούν να χρησιμοποιηθούν πνευματικές συσκευές. Τζετ αέρα μηδενικής μάζας εισάγονται στη ροή με μια περιοδική αναρρόφηση/έγχυση. Αυτά τα τζετ αέρα ξεκινούν από μικρές οπές και στην περίπτωση ενός συστήματος πτέρυγας και φλαπ τοποθετείται στην ακμή προσβολής του φλαπ, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Η επίδραση της περιοδικής διέγερσης φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα. 30

31 σχήμα 2.5: a)θέση οπών του τζετ b) Αποτελέσματα περιοδικής διέγερσης Χωρίς την περιοδική διέγερση υπάρχει αποκόλληση της ροής ενώ με ενεργό έλεγχο υπάρχει μια σημαντική αύξηση της άντωσης της τάξης του 30%. Η αρχή του χρησιμοποιούμενου μηχανισμού είναι ότι το τζετ ενεργεί στο οριακό στρώμα εισάγωντας τυρβώδεις δομές οι οποίες αυξάνουν την αναμεικτικότητα μεταξύ των διατμητικών στρωμάτων και της εξωτερικής ροής και έτσι καθυστερείται η ολική αποκόλληση. Τα αποτελέσματα του προηγούμενου σχήματος, σχήμα 2.5, προέκυψαν από μια συχνότητα του περιοδικού τζετ 80 Hz και αδιάστατο συντελεστή ώσης (impulse coefficient) c μ = 40 x Συγκεκριμένα βιβλιογραφικά παραδείγματα Παράδειγμα 1: Ενεργοποιητές συνθετικού τζετ Μια υπολογιστική μελέτη διεξήχθη χρησιμοποιώντας το Fluent 6.1 έτσι ώστε να ερευνηθεί η αποτελεσματικότητα της εφαρμογής του"synthetic jet" σε σταθερή και δυναμικά μεταβαλλόμενης γωνίας προσβολής (pitching) κατά περίπτωση NACA 0015 με Re = βασισμένο στο μήκος της χορδής. 31

32 Σε μια αεροτομή, η μέγιστη δύναμη άνωσης περιορίζεται από την δυνατότητα της ροής να ακολουθήσει την καμπυλότητα της αεροτομής. Όταν αυτό παύει να είναι εφικτό, τότε έχουμε αποκόλληση. Το αποτέλεσμα της αποκόλλησης είναι σημαντική πτώση της δύναμης άνωσης και ταυτόχρονη αύξηση της δύναμης αντίστασης. Αυτό περιορίζει την αεροδυναμική συμπεριφορά όλων των αεροδιαστημικών οχημάτων (μεγαλύτερες αποστάσεις απογείωσης προσγείωσης, μικρότερες γωνίες στροφής και ανόδου κτλ). Καθυστερώντας ή εξαφανίζοντας την αποκόλληση βελτιώνεται η αεροδυναμική συμπεριφορά όλων των ιπτάμενων οχημάτων. Στο παρών έγγραφο οι ερευνητές εξετάζουν την επίδραση ενός απλού συνθετικού τζετ στον έλεγχο του σημείου αποκόλλησης σε σταθερή και μεταβαλλόμενη γωνία προσβολής (pitching) κατά περίπτωση, σε NACA Η μέθοδος αυτή έχει τα ακόλουθα πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλες ενεργητικές και παθητικές μεθόδους: Μηδενική μεταφορά μάζας και κατά συνέπεια καταστολή της ανάγκης για μηχανισμό μεταφοράς μάζας και άρα κατασκευή μικρότερου όγκου και περιορισμένης πολυπλοκότητας Αυξημένη στιβαρότητα της κατασκευής του ενεργοποιητή (actuator) Πολύ χαμηλές ενεργειακές ανάγκες του ενεργοποιητή Η ροή θεωρήθηκε ασυμπίεστη, πραγματική, δισδιάστατη και σταθερή για την περίπτωση της στατικής αεροτομής χωρίς τζετ, και ασταθής για την περίπτωση με τζετ. Στην περίπτωση της δυναμικά μεταβαλλόμενης γωνίας προσβολής της αεροτομής η ροή θεωρήθηκε επίσης ασταθής. Αριθμητικές προσομοιώσεις διεξήχθησαν σε αεροτομή NACA 0015 για γωνίες προσβολής από 0 ο 20 ο, Re = 3.6*10 5 βασιζόμενος στο μήκος χορδής, l = m και ταχύτητα ροής U = 16 m/s. Μοντέλα k-e και k-ω SST επιλέχθηκαν για την προσομοίωση. Το k-ω SST μοντέλο υπολογίζει την απώλεια στήριξης όταν a = 15 o, ενώ το k-e όταν a = 17 o. Η πειραματική τιμή απώλειας στήριξης εμφανίζεται όταν a = 12 o. Τα αποτελέσματα των υπολογιστικών μοντέλων συμβαδίζουν με τα πειραματικά δεδομένα πριν 32

33 συμβεί η απώλεια στήριξης. Το συνθετικό τζετ τοποθετήθηκε σε τρία σημεία κοντά και μακριά από το σημείο αποκόλλησης (28%, 32%, 36%). ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται συνοπτικά τα αποτελέσματα: σχήμα 2.6: Επίδραση του συνθετικού τζετ a) C l - a, b) C d a 33

34 Σε στατική αεροτομή η αύξηση της δύναμης άνωσης λόγω του συνθετικού τζετ ηταν περισσότερο ενισχυμένη σε μεγαλύτερες γωνίες προσβολής (10 ο 20 ο ). Σε κάθε περίπτωση αύξηση στη δύναμη άνωσης συνεπαγόταν αύξηση στη δύναμη αντίστασης. Τοποθέτηση του τζετ κοντα στο σημείο αποκόλλησης συνεπαγόταν μείωση της δύναμης αντίστασης, ενώ τοποθέτηση του τζετ μακριά από αυτό συνεπαγόταν αύξηση της δύναμης άνωσης. Όσον αφορά την περίπτωση της δυναμικά μεταβαλλόμενης γωνίας προσβολής της αεροτομής, η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε συντέλεσε στην συνολική βελτίωση της αεροδυναμικής απόδοσης της αεροτομής. Λειτουργία του τζετ σε μεγάλο εύρος ταλάντωσης είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση της δύναμης αντίστασης, ενώ λειτουργία του σε μεγάλες συχνότητες επέφερε αύξηση της δύναμης άνωσης. Τα υπολογιστικά μοντέλα k-e και k-ω SST που επιλέχθηκαν, επιτυχώς εντόπισαν και υπολόγισαν τα ροϊκά φαινόμενα που έλαβαν χώρα. Παράδειγμα 2: Ενεργοποιητές παλλόμενου τζετ Η έρευνα αυτή εξετάζει τον ενεργό έλεγχο της ροής που επιτυγχάνεται μέσω παλλόμενου τζετ σε αεροτομές και πτέρυγες, σχήμα 2.7. Η μελέτη αυτή και τα αποτελέσματα της μεθόδου βρίσκουν σημαντικές εφαρμογές σε πτέρυγες αεροσκαφών και ανεμογεννητριών καταστέλλοντας έντονα φαινόμενα αποκόλλησης. Η μέθοδος χρησιμοποιεί μοντέλο τύρβης μίας εξίσωσης (Spalart Allmaras) κάνοντας RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) προσομοιώσεις και εξετάζεται η επίδραση της συχνότητας του παλλόμενου jet και της ταχύτητας του στην ενίσχυση της αεροδυναμικής απόδοσης της πτέρυγας. 34

35 σχήμα 2.7: Σχηματική αναπαράσταση παλλόμενου jet Το μοντέλο έχει ρυθμιστεί για πλήρως τυρβώδη ροή και ασυμπίεστο ρευστό. Στην συγκεκριμένη περίπτωση το τζετ έχει τοποθετηθεί στην ακμή προσβολής όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: σχήμα 2.8: Θέση παλλόμενου jet στην αεροτομή TAU-0015 (τροποποιημένη NACA-0015) Το μήκος της οπής του jet είναι: Η = Ηj = c, V j = V a *cos(ωj t) όπου V a είναι το εύρος και Ωj = 2πf j. Το συγκεκριμένο τζετ προσομοιώνει ένα τζετ μηδενικής μάζας ( zero-net-mass-flux jet). Αξίζει να σημειωθεί πως αρνητικές τιμές για την V j δεν χρησιμοποιήθηκαν. Συγκεκριμένες τιμές των παραμέτρων F + και C μ χρησιμοποιήθηκαν ως βάση, ενώ στη συνεχεία ερευνήθηκε η επίδρασή τους στα αποτελέσματα: 35

36 F + = 0.58 και C μ = , για Re = 1.2 x Το υπολογιστικό μοντέλο στήθηκε για τρεις περιπτώσεις a = 8 o, a = 12 o και a = 22 o. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Παρατηρήθηκε πως με τη μέθοδο αυτή σε μικρές γωνίες προσβολής όπου η αποκόλληση ακόμα είναι σχετικά μικρή, επιτεύχθηκε πολύ καλός έλεγχος της ροής μειώνοντας την αποκόλληση όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα (a = 12 o ): σχήμα 2.9: Μέγεθος φυσαλίδας αποκόλλησης με και χωρίς έλεγχο ροής 36

37 Σε μεγαλύτερες γωνίες προσβολής όπου η αποκόλληση παίρνει πιο έντονες διαστάσεις, δεν επιτυγχάνεται επανακόλληση. Παρόλα αυτά η συνολική απόδοση της αεροτομής βελτιώνεται. Παρακάτω παρατίθεται ένα συγκριτικό διάγραμμα, σχήμα 2.10, με τα υπολογιστικά στοιχεία της μελέτης αυτής και προϋπάρχοντα πειραματικά δεδομένα. Παρατηρούμε ότι η απόκλιση δεν είναι μεγάλη και πάντως και στις δύο περιπτώσεις ( με και χωρίς έλεγχο ροής ) οι καμπύλες ακολουθούν την ίδια μορφή. σχήμα 2.10: Τα διαγράμματα C l και C d με και χωρίς έλεγχο ροής σε σύγκριση με τα πειραματικά δεδομένα Η τελική περιοδική μορφή των διαγραμμάτων φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, σχήμα 2.11, σε αντιπαραβολή με το περιοδικό προφίλ εισόδου της V j. Η επίδραση παραμέτρων όπως η συχνότητα παλμού F + και το εύρος της 37

38 ταχύτητας εξόδου του τζετ V j (μέσω του συντελεστή ορμής C μ ) βρέθηκαν να έχουν τα εξής αποτελέσματα: Για πλήρως αποκολλημένη ροή αύξηση του C μ φαίνεται να έχει θετική επίδραση στη ροή. Ακόμα, αύξηση του F + επιδρά αυξητικά στις μέσες του C l και μειωτικά στις μέσες τιμές του C d, παρόλα αυτά αύξηση του F + δείχνει να έχει πιο θετικά αποτελέσματα σε περιορισμένα αποκολλημένη ροή και όχι σε πλήρως αποκολλημένη ροή. Αξίζει να σημειωθεί πως τα αποτελέσματα αυτά που εξήχθησαν από δισδιάστατη μελέτη, παραμένουν παραπλήσια και σε τρισδιάστατα ροϊκά φαινόμενα. σχήμα 2.11: Τελική μορφή διαγραμμάτων C l και C d για μια περίοδο Τ σε σχέση με το περιοδικό προφίλ της ταχύτητας του τζετ V j Παράδειγμα 3: Ενεργοποιητής συνθετικού τζετ Τα πλεονεκτήματα των συνθετικών τζετ είναι πολλά, παρόλα αυτά όλες οι εφαρμογές που συναντούμε μέχρι τώρα είναι κατασκευασμένες σε 38

39 εργαστηριακό επίπεδο και απέχουν αρκετά από το να χαρακτηριστούν επαρκείς για τοποθέτηση σε οποιοδήποτε ιπτάμενο όχημα. Χρειάζονται βελτιώσεις ως προς τον όγκο, το βάρος, την αποδοτικότητα, τον δυναμικό έλεγχο και την πυκνότητα ισχύος. Στο παρών έγγραφο παρουσιάζεται η εξέλιξη ενός νέου ενεργοποιητή συνθετικού τζετ για ρεαλιστικές εφαρμογές. Η βασική αρχή λειτουργίας είναι κοινή με αυτή του στροφαλοφόρου άξονα στις ΜΕΚ. Πολλές μονάδες εμβόλων μπορούν να προστεθούν ή να αφαιρεθούν κατά περίπτωση ανάλογα με το επιθυμητό μέγεθος του ενεργοποιητή. Ακόμα, ενεργή μεταβολή της γεωμετρίας του ακροφυσίου μπορεί να αποσυνδέσει την συχνότητα του ενεργοποιητή από τον συντελεστή ορμής C μ, και τελικά να επιτρέψει την ανεξάρτητη ρύθμιση των παραμέτρων αυτών ανάλογα με τις ανάγκες. Στην παρούσα μελέτη πολλοί ενεργοποιητές κατασκευάσθηκαν και δοκιμάστηκαν ώστε να οδηγηθούμε τελικά στην κατασκευή ενός ενεργοποιητή με έξι έμβολα με μέγιστη απορρόφηση ισχύος 1200 W και ικανό να παράξει ταχύτητες εξόδου του τζετ ίσες με 124 m/s! Στις μέχρι τώρα έρευνες οι ενεργοποιητές οδηγούνται πιεζοηλεκτρικά ή από εξωτερική μονάδα. Για παράδειγμα πνευματικοί μηχανισμοί που οδηγούνται με επιπρόσθετο εξοπλισμό έξω από το test section. Αυτό επιφέρει περιορισμούς είτε λειτουργικούς, είτε τοποθέτησης και όγκου. Κάποια σημαντικά τεχνικά χαρακτηριστικά που πρέπει να ληφθούν υπόψιν κατά τη σχεδίαση του actuator είναι τα παρακάτω: F + = f X te / U (συντελεστής συχνότητας) C μ = h (ρu 2 max) jet / c (ρu 2 ) (συντελεστής ορμής) Μ = 0.5 ( ταχύτητα ελεύθερης ροής τάξη μεγέθους) Χ te = 0.6 m ( μήκος οπής τάξη μεγέθους) Δυο παράγοντες που επηρεάζουν σημαντικά την ταχύτητα εξόδου του τζετ είναι το μήκος οπής και η συχνότητα εκροής, η οποία εκφράζεται μέσω του συντελεστή C μ. Είναι σκόπιμο να δοθεί ιδιαίτερη βαρύτητα σε αυτούς τους παράγοντες κατά το σχεδιασμό του ενεργοποιητή. Ακόμα είναι σημαντικό να 39

40 αποφευχθούν φαινόμενα συμπιεστότητας όπως απεικονίζονται στα παρακάτω σχήματα: σχήμα 2.12: Επίδραση της συμπιεστότητας στην παράμετρο Κ (έξοδος τζετ) 40

41 σχήμα 2.13: Επίδραση της συχνότητας και του μήκους οπής στην ταχύτητα εξόδου του τζετ α) Εξάρτηση ταχύτητας εξόδου και συχνότητας εκροής του τζετ για σταθερό μήκος οπής 1.2 mm, β) μέγιστη ταχύτητα εξόδου του τζετ ως συνάρτηση του μήκους οπής σχήμα 2.14: Εξάρτηση του συντελεστή C μ από τη συχνότητα και το μήκος οπής για σταθερό U = 50 m/s, ασυμπίεστη ροή. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Ο βασικός μηχανισμός του συγκεκριμένου ενεργοποιητή έχει εξελιχθεί τα μέγιστα στο παρελθόν και χρησιμοποιείται ευρέως από πολλές μηχανές μετατροπής ενέργειας. Αποτελείται από έναν ηλεκτροκινητήρα DC που οδηγεί έναν στροφαλοφόρο άξονα ο οποίος με τη σειρά του δίδει κίνηση σε μια σειρά από έμβολα. Η συγκεκριμένη διάταξη προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με πιεζοηλεκτρικούς μηχανισμούς: Εύρος ταλάντωσης κατά μια τάξη μεγέθους υψηλότερο Απεξάρτηση του εύρους ταλάντωσης από τη συχνότητα ταλάντωσης Ελαχιστοποίηση του όγκου και υψηλή διαθέσιμη ισχύς, Σημαντικά μικρότερες απαιτήσεις σε ηλεκτρική ισχύ. 41

42 Ο μηχανισμός αυτός είναι σημαντικά μικρός ώστε να χωρέσει στο εσωτερικό μιας πτέρτυγας NACA 0015 με χορδή m, να έχει μέγιστη ισχύ 1200 W και να μπορεί να παράγει έως και 124 m/s ταχύτητα εξόδου στο τζετ. Για την έκδοση του ενεργοποιητή με τη σταθερή οπή εξόδου του τζετ τα μεγέθη F + και C μ είναι αλληλένδετα και κατά συνέπεια δεν μπορούν να ρυθμιστούν ξεχωριστά, αφού για συγκεκριμένη οπή εξόδου και εύρη ταλάντωσης η ταχύτητα εξόδου του τζετ εξαρτάται μόνο από τη συχνότητα ενεργοποίησης. Αυτό έπαψε να ισχύει στην έκδοση του ενεργοποιητή με τη ενεργή μεταβολή του μήκους της οπής που ουσιαστικά αποσύνδεσε τα δυο αυτά μεγέθη (F + και C μ ) και έδωσε στο σύστημα μεγαλύτερη ευελιξία και μεγαλύτερες δυνατότητες. Παράδειγμα 4 (συνέχεια από Παρ. 3) Σε αυτήν την έρευνα παρουσιάζεται η εφαρμογή του ενεργοποιητή συνθετικού τζετ ως μέθοδος καταστολής του φαινομένου της αποκόλλησης σε μια πτέρυγα NACA Ο ενεργοποιητής είναι αρκετα μικρός σε διαστάσεις ώστε να χωρέσει στο εσωτερικό της πτέρυγας που έχει χορδή m. Η πτέρυγα δοκιμάστηκε σε αεροσήραγγα 3 ft x 4 ft. Έμφαση δίδεται στον πειραματικό προσδιορισμό της επίδρασης του ενεργοποιητή στα φαινόμενα αποκόλλησης στις μεγάλες γωνίες προσβολής. Όλες οι μετρήσεις διεξήχθησαν με U = 35 m/s και Re = 8.96 X Η γωνία προσβολής μεταβαλλόταν από -2 ο έως +29 ο. Παρόλα αυτά για γωνίες προσβολής (aoa) μικρότερες από 10 ο η μέθοδος έχει μηδαμινά αποτελέσματα. Σε μεγαλύτερες γωνίες προσβολής η μέθοδος καθυστερεί την αποκόλληση. Επιτυγχάνεται έως και 80 % αύξηση του C l max και η απώλεια στήριξης λαμβάνει χώρα από τις 12 ο στις 18 ο. Ακόμα η δύναμη αντίστασης μειώνεται ως αποτέλεσμα χρήσης της μεθόδου. Για aoa μεγαλύτερες από 18 ο υπάρχει πτώση στη δύναμη άνωσης, αλλά όχι τόσο απότομη όσο πρίν (χωρίς την εφαρμογή του 42

43 ενεργοποιητή). Για γωνίες προσβολής μεγαλύτερες από 25 ο αρκετά μεγαλύτερη συχνότητα απαιτείται για να επιτύχουμε σημαντικά αποτελέσματα. Η αρχή λειτουργίας που διέπει τη μέθοδο είναι η εξής: αυτά τα παλλόμενα τζετ έχουν την ικανότητα να παράξουν σχηματισμούς δινών και να αυξήσουν την ορμή στο οριακό στρώμα και έτσι να επιτύχουν αρκετά καλή καταστολή των φαινομένων αποκόλλησης. Κάποια σημαντικά στοιχεία του πειράματος αποτελούν τα παρακάτω: NACA 0015 με χορδή m και εκπέτασμα m 3 ft x 4 ft αεροσήραγγα ανοικτού τύπου U = 35 m/s και Re = 8.96 X 10 5 Η οπή εξόδου τοποθετήθηκε στο 12 % της χορδής (από την ακμή προσβολής) στην πλευρά αναρρόφησης της πτέρυγας. Η συγκεκριμένη τοποθεσία επιλέχθηκε λόγο της ύπαρξης αρκετού χώρου έτσι ώστε να είναι εφικτή η τοποθέτηση του μηχανισμού. Η οπή εξόδου τοποθετήθηκε με τέτοιον τρόπο ώστε το τζετ να βγαίνει εφαπτομενικά στην επιφάνεια αναρρόφησης. Η οπή έχει πλάτος 2 mm και μήκος 44.7 mm (spanwise) Παρακάτω φαίνονται σε φωτογραφίες οι διατάξεις του πειράματος: 43

44 Εικόνα 2.1: Η πτέρυγα του πειράματος (πάνω) και τοποθετημένη μέσα στην αεροσήραγγα. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 44

45 Για a<10 o φαίνεται από τα διαγράμματα της άνωσης μια μικρή εξάρτηση (αύξηση) από την επιβαλλόμενη συχνότητα. Για αυτή την περίπτωση το τζετ επηρέασε την ροή μόνο στο πρώτο 25 % της χορδής, όπως προκύπτει από τις μετρήσεις πίεσης που έγιναν, σχήματα

46 σχήμα 2.15: Επίδραση του τζετ στην αεροδυναμική απόδοση της πτέρυγας. Εκατοστιαία μεταβολή του συντελεστή C l σε σχέση με τη γωνία προσβολής (aoa). σχήμα 2.16: Επίδραση του τζετ στην αεροδυναμική απόδοση της πτέρυγας. Συντελεστής C l σε σχέση με τη γωνία προσβολής (aoa). σχήμα 2.17: Επίδραση του τζετ στην αεροδυναμική απόδοση της πτέρυγας. Συντελεστής C l σε σχέση με τον συντελεστή C d 46

47 σχήμα 2.18: Οπτικοποίηση της ροής για a = 25 o και U = 35 m/s. α) χωρίς τζετ και β) με τζετ στα 120 Hz. Για μεγαλύτερες γωνίες η επίδραση του τζετ είναι η αύξηση του πεδίου ομαλής λειτουργίας της πτέρυγας πρίν συμβεί απώλεια στήριξης. Η χρήση της μεθόδου επιτυγχάνει αύξηση στο Cl max κατά 80 % και αύξηση της γωνίας απώλειας στήριξης από 12 ο σε 18 ο. Στην περίπτωση a > 10 o η επίδραση του τζετ στην πτέρυγα είναι καθολική. Η επιβαλλόμενη συχνότητα έχει μικρή επίδραση στην κατανομή των πιέσεων σε αυτό το εύρος aoa. Για a> 18 o (μαζική απώλεια στήριξης) η λειτουργία του τζετ παρέχει καθυστέρηση της απότομης πτώσης της καμπύλης του C l και άρα αποδεκτά επίπεδα άνωσης. Για a > 25 ο αρκετά μεγάλη συχνότητα ενεργοποίησης απαιτείται για την παραγωγή αξιοπρόσεκτων αποτελεσμάτων. Και σε αυτην την περίπτωση η επίδραση του ενεργοποιητή έγινε τοπική επηρεάζοντας μόνο το 25 % της 47

48 πτέρυγας. Η δύναμη αντίστασης μειώνεται σημαντικά χάρη στη δράση του ενεργοποιητή. Παρόλα αυτά η απώλεια στήριξης ενώ στην πτέρυγα χωρίς τζετ συμβαίνει ομαλά, στην περίπτωση της χρήσης συνθετικού τζετ συμβαίνει απότομα και βίαια Αναλυτική περιγραφή συγκεκριμένου ενεργοποιητή Λειτουργία του ενεργοποιητή Διάγραμμα 2.1: Σχηματική διάταξη ενεργοποιητή (εγχυτήρας και βαλβίδα εναλλαγής) Η νέα αυτή συσκευή συνδυάζει σταθερή προσρόφηση ρευστού και περιοδική εκτόνωση, δυο τεχνικές που έχουν αποδειχθεί πολύ αποτελεσματικές ως προς τον AFC. Ο ενεργοποιητής είναι συνδυασμός ενός εγχυτήρα και ενός ροϊκού ενισχυτή. Ο εγχυτήρας είναι μια απλή ροϊκή συσκευή που βασίζεται στο νόμο του Bernoulli. Όταν το τζετ εγχύεται στον αγωγό της συσκευής δημιουργείται περιμετρικά του μια περιοχή χαμηλής πίεσης λόγω διάχυσης. Η κοιλότητα πίσω από το τζετ είναι ανοικτή στην ελεύθερη ροή ( πλευρά αναρρόφησης της πτέρυγας). Το αποτέλεσμα της διαδικασίας αυτής είναι ο αέρας της επιφάνειας αναρρόφησης να προσροφάται προς το εσωτερικό της συσκευής. Από την άλλη, ο ροϊκός ενισχυτής βασίζει τη λειτουργία του στην αρχή της προσκόλλησης σε τοίχωμα (wall attachment). Λόγω του πεδίου χαμηλής πίεσης η ροή έλκεται από το τοίχωμα έως ότου προσκολληθεί σε 48

49 αυτό. Στην περίπτωση που υπάρχει διακλάδωση στον αγωγό η ροή θα επιλέξει τυχαία μια δίοδο και ανάλογα με την πίεση που εφαρμόζεται στα σημεία ελέγχου (όπως θα δούμε παρακάτω) μπορεί να αλλάζει συνεχώς διακλάδωση (με προϋπόθεση οι διακλαδώσεις να είναι συμμετρικές). Αν τα σημεία ελέγχου ενωθούν με έναν αγωγό, ο δισταθής αυτός ροϊκός ενισχυτής μπορεί να αυτό-ταλαντώνεται και ουσιαστικά να συμπεριφέρεται ως βαλβίδα. Σε αυτήν την περίπτωση η συχνότητα ταλάντωσης σχετίζεται με την διάμετρο και το μήκος του αγωγού, την ταχύτητα του ήχου στον αγωγό, την αντίσταση που επιβάλλεται από τα τοιχώματα καθώς και το ρυθμό ροής στον αγωγό. Διάγραμμα 2.2: Προβλεπόμενα χαρακτηριστικά της βαλβίδας εναλλαγής a) σήματα εισόδου και εξόδου σε σχέση με το χρόνο, b) σήμα εισόδου σε σχέση με το σήμα εξόδου Όπως προαναφέρθηκε η βαλβίδα μπορεί να αυτό-ταλαντώνεται όταν συνδεθούν με έναν αγωγό τα δυο σημεία ελέγχου. Το διάγραμμα που παρουσιάζεται παραπάνω δίνει μια εικόνα του μηχανισμού εναλλαγής της βαλβίδας. Σημειώνεται εδώ ότι το σήμα εισόδου αναφέρεται στην ΔΡ μεταξύ των σημείων ελέγχου (στατικές πιέσεις), ενώ το σήμα εξόδου στο ΔΡ των πιέσεων εξόδου (ολικές πιέσεις). Προκειμένου να γίνει κατανοητή η λειτουργία της βαλβίδας δίδεται βάση στα σημεία που φαίνονται στο παραπάνω διάγραμμα, διάγραμμα 2.2 (Α, Β κτλ). 49

50 Σημεία Α Β Η πίεση ελέγχου ( το σήμα εισόδου) αυξάνει από τη ελάχιστη τιμή του σε ένα επίπεδο όπου βρίσκεται η πίεση αναφοράς (threshold pressure). Το τζετ παραμένει προσκολλημένο στο κάτω τοίχωμα, όπως φαίνεται στην σχηματική διάταξη παραπάνω. Όσο η πίεση εισόδου είναι αρνητική το τζετ ελκύεται προς τα κάτω από το φαινόμενο της προσκόλλησης στο τοίχωμα και από την επίδραση της πίεσης ελέγχου. Όταν η πίεση εισόδου γίνει θετική, το τζετ συνεχίζει να έλκεται προς τα κάτω από το φαινόμενο της προσκόλλησης στο τοίχωμα, αλλά έλκεται και προς τα πάνω λόγω της επίδρασης της πίεσης ελέγχου. Το τζετ παραμένει προσκολλημένο στο κάτω τοίχωμα, ώσπου η πίεση ελέγχου να ξεπεράσει την πίεση αναφοράς και τότε το τζετ θα αρχίσει να κινείται προς το πάνω τοίχωμα, όπου και θα παραμείνει έως ότου επαναληφθεί η ίδια διαδικασία ( σημεία C, D, E κτλ) και μεταφερθεί ξανά στο κάτω τοίχωμα. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ: Η αποδοτικότητα του ενεργοποιητή κρίθηκε με την παράμετρο του Seifert ( OFM ) η οποία ορίζεται ως εξής: OFM = F a 2 U p / W a E (2.11) όπου W a είναι το βάρος του συστήματος του ενεργοποιητή, Ε η συνολική κατανάλωση ενέργειας του συστήματος, U p η τυπική ή η μέγιστη ταχύτητα του actuator και F a η ώση που δημιουργείται από τον ενεργοποιητή όταν λειτουργήσει σε ακίνητο ρευστό. Αξίζει να σημειωθεί ότι το OFM δεν αντιπροσωπεύει βαθμό απόδοσης και άρα μπορεί να λάβει τιμές μεγαλύτερες 50

51 της μονάδας. Γενικά ο OFM δείχνει μια ενεργού ελέγχου. σχετικά πιο αποδοτική συσκευή Εικόνα: Η αποδοτικότητα του ενεργοποιητή με βάση το κριτήριο OFM του Seifert. Γενικά ο ενεργοποιητής μπορεί να επιτύχει ταχύτητες σχεδόν ηχητικές και πολύ υψηλές συχνότητες λειτουργίας που καθιστούν την εφαρμογή του αποτελεσματική ακόμα και σε περιπτώσεις και φαινόμενα συμπιεστότητας. Μπορεί να λειτουργήσει σε αυτό-ταλαντευόμενη λειτουργία και κατά συνέπεια δεν απαιτεί κανέναν έλεγχο παρά μόνο έναν συγκεκριμένο ρυθμό ροής σε μια προκαθορισμένη πίεση. Οι διαστάσεις του ακροφυσίου του εγχυτή βρέθηκε επίσης ότι παίζουν σημαντικό ρόλο στη λειτουργία του ενεργοποιητή. Το προσροφούμενο ρευστό προέρχεται από το οριακό στρώμα που πρόκειται να χειραγωγηθεί. Αναλυτικά στατικά και δυναμικά πειράματα έδειξαν ότι ο ενεργοποιητής είναι ικανός να παράγει τα απαραίτητα εύρη και συχνότητες έτσι ώστε να ελέγξει το μέγεθος της αποκόλλησης ακόμα και σε ροές με φαινόμενα συμπιεστότητας. Ο νέος ενεργοποιητής είναι ελαφρύς, συμπαγής και δεν έχει κινούμενα μέρη, παρέχει άρα καλύτερη αποδοτικότητα και αξιοπιστία σε σχέση με τους υπάρχοντες ενεργοποιητές.. 51

52 Επιπλέον μηχανισμοί ελέγχου Για την αποφυγή της αποκόλλησης της ροής μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα παλλόμενο φλαπ κοντά στην περιοχή της ακμής προσβολής. Έχει διαπιστωθεί ότι αυτή η μέθοδος προκαλεί καθυστέρηση της πλήρους αποκόλλησης κατά μια γωνία προσβολής Δα = 4 ο. Εφαπτομενική έγχυση αέρα από οπές κοντά στην περιοχή πρόσδεσης ενός φλαπ, υπό κλίση, με την κυρίως αεροτομή. Ερευνήθηκαν δύο μέθοδοι. Σταθερή έγχυση αέρα και περιοδική. Διαπιστώθηκε ότι ο περιοδικός έλεγχος είναι περισσότερο αποδοτικός επειδή δημιουργεί μια καθαρή ροή ορμής χωρίς να υπάρχει ροή μάζας. Τα αποτελέσματα αυτής της μεθόδου ήταν ευεργετικά σε εύρος ταχυτήτων από χαμηλούς μέχρι υψηλούς υποηχητικούς αριθμούς Ma. Όταν, όμως, η ροή γίνεται υπερηχητική τότε η απόδοση μειώνεται κατακόρυφα. Μια άλλη μέθοδος που όμως είναι πολύ δύσκολο να εφαρμοστεί στην πράξη περιλαμβάνει κινούμενες επιφάνειες για την αύξηση της άντωσης. Για παράδειγμα, περιστρεφόμενοι κύλινδροι αποτελούν της ακμή προσβολής και φυγής μιας αεροτομής. Ο περιστρεφόμενος κύλινδρος στην ακμή προσβολής τροφοδοτεί με ορμή το οριακό στρώμα και έτσι επηρεάζει την ανάπτυξη της αποκόλλησης και αυξάνει την μέγιστη άντωση. Στο συγκεκριμένο πείραμα η αύξηση ήταν της τάξης του 130%. Ο περιστρεφόμενος κύλινδρος στην ακμή φυγής δρα ως φλαπ (έλεγχος κυκλοφορίας) και το κέρδος στην αύξηση της άντωσης διαπιστώθηκε ότι ήταν της τάξης του 56%. Τα παραπάνω αποτελέσματα ισχύουν όταν μόνο ο ένας κύλινδρος περιστρέφεται. Όταν και οι δύο κύλινδροι είναι ενεργοί τότε βρέθηκε ότι η μέγιστη δυναμική άνωση αυξήθηκε κατά 195%! 52

53 Συγκεκριμένα βιβλιογραφικά παραδείγματα Παράδειγμα 1: Έλεγχος μέσω ταλάντωσης φλαπ Πειραματική μελέτη ενεργού ελέγχου πλήρως αποκολλημένης ροής διεξήχθη σε μια συμμετρική αεροτομή με αιχμηρή ακμή για μεγάλες γωνίες προσβολής (10 ο 40 ο ). Τα πειράματα έγιναν σε μια ανοικτού τύπου αεροσήραγγα υπό χαμηλές ταχύτητες. Ο ενεργός έλεγχος επιτυγχάνεται μέσω περιοδικής ταλάντωσης ενός φλαπ μήκους 4 % της χορδής τοποθετημένο στην πλευρά αναρρόφησης έτσι ώστε να "βλέπει" την αιχμηρή ακμή προσβολής, σχήμα Μετρήσεις απέδειξαν ότι με εφαρμογή αυτού του τύπου ενεργού ελέγχου η δύναμη άνωσης αυξήθηκε έως και 70 %. Τέτοιες μέθοδοι οδηγούν σε πολύ βελτιωμένες ικανότητες ελιγμών του αεροσκάφους και μείωση βάρους. σχήμα 2.19: Ο μηχανισμός ταλάντωσης του φλαπ και ο μηχανισμός ανάδρασης θέσης με laser. Ο σκοπός του πειράματος είναι ο έλεγχος της πλήρως αποκολλημένης ροής και όχι η επανακόλλησή της ή η μετατόπιση του σημείου αποκόλλησης. Για πτέρυγες με αιχμηρή ακμή προσβολής το μέγεθος της αποκόλλησης εξαρτάται από τη γωνία προσβολής. Για μικρές γωνίες η αποκόλληση είναι μικρή και είτε εξοντώνεται είτε καθυστερείτε η εμφάνισή της με διάφορους 53

54 μηχανισμούς ενεργού ελέγχου. Για μεγάλες γωνίες η αποκόλληση είναι μεγάλη και το σημείο αποκόλλησης είναι συγκεκριμένο. Σε τέτοιες περιπτώσεις η πιο αποτελεσματική συχνότητα είναι η συχνότητα εκροής των δινών! Στη συγκεκριμένη περίπτωση οι εφαρμοζόμενες συχνότητες ήταν στην περιοχή των 100 Hz για εύρος περιστροφής του φλαπ 17 ο. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η πλήρως αποκολλημένη ροή γύρω από αεροτομές με αιχμηρή ακμή προσβολής μπορεί να χαλιναγωγηθεί με την εισαγωγή μικρών περιοδικών διαταραχών στην ακμή προσβολής. Αυτό συμβαίνει με την δημιουργία μιας μεγάλης δίνης στην πλευρά αναρρόφησης η οποία ενισχύει την δύναμη αναρρόφησης και άρα την συνολική απόδοση της πτέρυγας. Η άποψη ότι η επανακόλλησή ενισχύει την δύναμη άνωσης δεν ισχύει πάντα. Βέβαια, κατά μία έννοια με τη μέθοδο αυτή η ροή οδηγείται σε επανακόλλησή, αλλά πολύ πίσω μακριά από την πτέρυγα. Τελικά ο μηχανισμός αυτός είναι πιο αποτελεσματικός για γωνίες προσβολής έως 20 ο. Μικρή αύξηση στη δύναμη άνωσης παρατηρήθηκε για aoa 25, 30, και 40 μοίρες. Για aoa 10 μοίρες η μέθοδος αυτή μειώνει την έκταση της αποκόλλησης και η κατανομή της πίεσης πάνω στην πτέρυγα τείνει να ταυτιστεί με αυτή προσκολλημένης ροής. Σε μεγαλύτερες όμως γωνίες προσβολής όπου εφαρμόζονται υψηλότερες συχνότητες ταλάντωσης του φλαπ μια δίνη παγιδεύεται πάνω από την πλευρά αναρρόφησης με αποτέλεσμα να μειώνει πολύ την πίεση αναρρόφησης και τελικά να ενισχύει την συνολική απόδοση της πτέρυγας. 54

55 σχήμα 2.20: Δυο περιπτώσεις συγκεκριμένης γωνίας προσβολής (a=10 o και a=15 o ). Είναι εμφανής η διαφορά με τη χρήση ενεργού ελέγχου της μεθόδου και χωρίς στην εξέλιξη του C L. (Σύγκριση στοιχείων με προηγούμενη μελέτη) Έλεγχος σε πτέρυγες μικρού λόγου διατάματος Στο αεροσκάφος του σχήματος 2.21 (μοντέλο), 55

56 σχήμα 2.21: Μοντέλο αεροσκάφους έχουν τοποθετηθεί διάφορες διατάξεις ενεργοποιητών δινών οι οποίες κατηγοριοποιούνται ανάλογα με το είδος των δινών που παράγουν, δηλαδή αν περιστρέφονται όλες οι δίνες προς την ίδια φορά ή αν ανά ζεύγος περιστρέφονται αντίρροπα, όπως φαίνεται στο σχήμα σχήμα 2.22: Διατάξεις ενεργοποιητών 56

57 Μια άλλη κατηγορία ενεργοποιητών που χρησιμοποιήθηκαν είναι οι ενεργοποιητές τύπου WHEELER-WISHBONE, σχήμα 2.23, οι οποίοι με το μισός μέγεθος παρουσιάζουν την ίδια απόδοση. Επίσης, έχουν το πλεονέκτημα ότι η απόδοσή τους δεν επηρεάζεται από την κατεύθυνση της ροής. Το ύψος των ενεργοποιητών ήταν της τάξης του πάχους του οριακού στρώματος και παρατηρήθηκε ότι οι ενεργοποιητές ομόρροπων δινών παρουσίασαν καλύτερα αποτελέσματα, αύξηση της τάξης του 6% ενώ οι ενεργοποιητές αντίρροπων δινών έδωσαν μια αύξηση της τάξης του 3.5%. Διαπιστώθηκε, επίσης, ότι όταν το ύψος των ενεργοποιητών είναι της τάξης του πάχους μετάθεσης τότε υπάρχει περαιτέρω βελτίωση στην απόδοση επειδή εξαλείφεται η αντίσταση που προκαλούν οι ενεργοποιητές στη ροή. σχήμα 2.23: Ενεργοποιητές τύπου Wheeler Wishbone Έλεγχος Κρουστικών Κυμάτων και Αλληλεπίδραση των Κυμάτων με το Ο.Σ. Η απόδοση ενός αεροσκάφους σε ηχητικές καταστάσεις επηρεάζεται από την ανάπτυξη του οριακού στρώματος και την αλληλεπίδρασή του με το κρουστικό κύμα της επάνω επιφάνειας της πτέρυγας. Έτσι αυξάνει η αντίσταση κύματος και το πάχος του οριακού στρώματος ( από το κύμα και τις αντίθετες κλίσεις πίεσης). Το τελευταίο έχει ως αποτέλεσμα την επιπλέον αύξηση της αντίστασης, τώρα ως αύξηση της ιξώδους αντίστασης. Επομένως είναι 57

58 απαραίτητος ο έλεγχος των κρουστικών κυμάτων για την αύξηση της απόδοσης. Δύο είναι οι γενικοί τρόποι ελέγχου. Ο επηρεασμός της ένταση του κρουστικού κύματος και η ενεργοποίηση του οριακού στρώματος κάνοντάς το πιο ανθεκτικό στις αντίθετες κλίσεις πίεσης. Παρακάτω θα γίνει ανάλυση κάποιων μεθοδολογιών Έλεγχος με Αναρρόφηση Πειράματα σε μια αεροτομή τύπου DRA-2303 για τη διερεύνηση της επίδρασης της αναρρόφησης μπροστά από ένα κρουστικό κύμα για τη μείωση της αντίστασης πραγματοποιήθηκαν και τα αποτελέσματα φαίνονται στα παρακάτω σχήματα. 58

59 σχήμα 2.24: Επίδραση αναρρόφησης μπροστά από κρουστικό κύμα Στο σχήμα 2.24 b) απεικονίζεται η θέση της οπής σε σχέση με το κρουστικό κύμα, στο σχήμα d) παρατηρείται μια μείωση της αντίστασης της τάξης του 7.5%. Η μείωση αυτή οφείλεται κυρίως σε μείωση της ιξώδους αντίστασης και όχι σε μείωση της αντίστασης κύματος. Επίσης διαπιστώθηκε ότι ενώ αυξήθηκε και ο συντελεστής δυναμικής άνωσης δεν αυξήθηκε η γωνία προσβολής κατά την οποία ξεκινά το φαινόμενο buffet. Από επιπλέον πειράματα που πραγματοποιήθηκαν για την ανάπτυξη του πάχους μετάθεσης και πάχους απώλειας ορμής προέκυψαν τα παρακάτω διαγράμματα στο σχήμα

60 σχήμα 2.25: a)πάχος μετάθεσης συναρτήσει απόστασης x και b)πάχος απώλειας ορμής Οι καμπύλες των διαγραμμάτων αντιπροσωπεύουν διάφορες περιπτώσεις ρυθμών αναρρόφησης καθώς και την περίπτωση χωρίς αναρρόφηση. Φαίνεται ξεκάθαρα ότι στις περιπτώσεις με αναρρόφηση υπάρχει μια σαφής μείωσης του πάχους μετάθεσης και απώλειας ορμής το οποίο μεταφράζεται ως αύξηση της έντασης του κρουστικού κύματος (κάτι που εξηγεί την αύξηση της αντίστασης κύματος) αλλά και μείωση των διαφόρων παραμέτρων του οριακού στρώματος κατάντι του κρουστικού κύματος. Το καθαρό αποτέλεσμα αυτών των δύο αντίθετων επιδράσεων είναι μια μείωση στην ιξώδη αντίσταση μεγαλύτερη από την αύξηση της αντίστασης κύματος, επομένως μείωση της συνολικής αντίστασης Έλεγχος Ροών με Δίνες Τέτοιες ροές παρατηρούνται σε πτέρυγες Δέλτα, σε δίνες απόρρου και αλλού. Τυπικά μέσα ελέγχου είναι τμήματα που μετακινούνται στην ακμή προσβολής, MEMS, ενεργοποιητές δινών και αναρρόφηση ροής. Στην παραπάνω μέθοδο υπάγονται και ενεργοποιητές που τοποθετούνται μέσα στο οριακό στρώμα (Sub Boundary Layer Vortex Generators 60

61 (SBVGs)). Τέτοιες μελέτες μπορούν να χωριστούν σε δύο υποπεριπτώσεις: Στην πρώτη περιγράφονται βασικές μελέτες με ροές σε αεροσήραγγες χαμηλών ταχυτήτων έτσι ώστε να μελετηθούν τα χαρακτηριστικά του οριακού στρώματος και στην άλλη μελετάται η επίδραση των SBVGs σε αεροτομές σε διηχητικές ροές. Γενικά τα VGs βασίζουν τη λειτουργία τους στη δημιουργία συστοιχιών δινών οι οποίες αλληλεπιδρούν με την ελεύθερη ροή έτσι ώστε να μειώσουν την αποκόλληση ή και ενίοτε να την εξαλείψουν, με αποτέλεσμα την ενίσχυση της δύναμης άνωσης σε ένα ευρύ φάσμα aoa και την καθυστέρηση εμφάνισης απώλειας στήριξης. Παρόλα αυτά, ενώ η λειτουργία τους είναι ευεργετική κυρίως ως προς τα όρια του "φακέλου πτήσης", δεν συμβαίνει το ίδιο και με τις συνηθισμένες συνθήκες λειτουργίας, όπως για παράδειγμα την ευθεία και οριζόντια πτήση, η οποία συμβαίνει και για πολύ μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Ο λόγος είναι ότι οι συστοιχίες δινών δημιουργούν μεγάλη δύναμη αντίστασης (drag). Έτσι, κατέστη επιτακτική η έρευνα για VGs τόσο μικρά σε μέγεθος, ώστε να "κρύβονται" μέσα στο οριακό στρώμα και να παράγουν πολύ μικρές ποσότητες αντίστασης κατά την πτήση. Οι διατάξεις που χρησιμοποιούνται συνήθως σε πειράματα φαίνονται στην παρακάτω εικόνα, σχήμα 2.26: 61

62 σχήμα 2.26: Διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν κατά την διεξαγωγή των πειραμάτων. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ: Από τους τύπους SBVGs που μελετήθηκαν (όπως φαίνονται στην εικόνα παραπάνω, σχήμα 2.26,), ο τελευταίος ήταν ο πιο αποτελεσματικός ως προς τον περιορισμό της έκτασης αποκόλλησης αλλά και όσον αφορά τον περιορισμό της έκτασης των δινών στον απόρου της πτέρυγας, περιορίζοντας έτσι σημαντικά τη δύναμη αντίστασης. 62

63 Αξίζει να σημειωθεί ότι χρησιμοποιώντας την τελευταία διάταξη, η αποκόλληση καθυστέρησε σημαντικά, με αποτέλεσμα την αύξηση της δύναμης άνωσης κατά 20 % σε σχέση με την πτέρυγα χωρίς VGs. Το πιο σημαντικό εύρημα της έρευνας όμως είναι η αύξηση της μέγιστης αναλογίας L/D κατά 5 %. Αυτό αποδεικνύει πως η τοποθέτηση των VGs μέσα στο οριακό στρώμα είχε ως αποτέλεσμα την σημαντική μείωση της δύναμης αντίστασης, που καθιστούν εφικτή την εφαρμογή τους στα αεροσκάφη χωρίς να παρουσιάζουν σημαντική υστέρηση σε όλο το φάκελο πτήσης Διαχείριση Δινών σε Δέλτα πτέρυγες Ο όρος διαχείριση αναφέρεται στον έλεγχο των δινών με κάποιο συγκεκριμένο σκοπό και στην αναδιάταξη των δομών των διαφόρων δινών εξαιτίας αποκολλήσεων. Στόχος είναι η ενίσχυση της αεροδυναμικής απόδοσης, της ελεγξιμότητας του αεροσκάφους και της επίτευξης διατάξεων υψηλής ευελιξίας Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) Εκ πρώτης φαίνεται παράξενο το γεγονός ότι ροές μακρο-κλίμακας μπορούν να ελεγχθούν από συσκευές μικρο-κλίμακας. Ο σύνδεσμος μεταξύ της μικροκλίμακας και της μακρο-κλίμακας είναι ότι η δίνη στην ακμή προσβολής είναι πολύ ευαίσθητη σε διαταραχές. Για να δουλέψουν σωστά οι συσκευές MEMS πρέπει να υπάρχουν κάποιοι αισθητήρες ώστε να βρίσκουν την τοποθεσία της γραμμής αποκόλλησης εκεί όπου ξεκινούν οι δίνες. Σε αντίστοιχο πείραμα που έγινε, χρησιμοποιήθηκε ένα εύκαμπτο σύστημα MEMS με πάχος 80 μm το οποίο περιείχε 64 αισθητήρες και τοποθετήθηκε στην ακμή προσβολής αγκαλιάζοντάς την. Αυτή η διάταξη απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα. 63

64 σχήμα 2.27: Εύκαμπτο σύστημα MEMS Μια συστοιχία ενεργοποιητών χρησιμοποιήθηκε για να μεταβάλλει τη γραμμή αποκόλλησης και να τροποποιήσει, επίσης, τη συμμετρία των δινών. Για τον έλεγχο της ροής αυτή η συστοιχία χρησιμοποιεί κάποιες μικρές διατάξεις σα φυσαλίδες με μέγιστη απόκλιση 1 mm, όπως φαίνονται στο παρακάτω σχήμα. σχήμα 2.28: Φυσαλίδες σε συστοιχία MEMS για έλεγχο της ροής Η λειτουργία αυτών των φυσαλίδων είναι να αλλάζουν την ενεργή γεωμετρία της Δέλτα-πτέρυγας, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. 64

65 σχήμα 2.29: Αλλαγή της ενεργής γεωμετρίας σε Δέλτα-πτέρυγες Στο παραπάνω σχήμα είναι εμφανής η μετακίνηση της κύριας δίνης. Επομένως η αλλαγή αυτή στο πεδίο πιέσεων δημιουργεί την επιθυμητή ροπή. 2.7 Υπολογιστική Ρευστομηχανική Υπόβαθρο 65

66 Επειδή σπάνια λύνονται άμεσα οι εξισώσεις Navier-Stokes, μοντελοποιούνται. Υπάρχουν διάφορες κατηγορίες επίλυσης των εξισώσεων αυτών. RANS, LES και DNS. Τα πρόσφατα χρόνια όμως άρχισε να γίνεται μια συγχώνευση αυτών των μεθοδολογιών σε εργαλεία που εκμεταλλεύονται τα πλεονεκτήματα κάθε κατηγορίας. Αυτά τα εργαλεία ονομάστηκαν υβριδικά. Αναφορικά με το DNS αυτό περιορίζεται σε ροές με χαμηλούς αριθμούς Re και σε απλές γεωμετρίες. Αυτό οφείλεται σε δύο λόγους που σχετίζονται μεταξύ τους. Η μέθοδος DNS υπονοεί επίλυση όλων των χρονικών και χωρικών κλιμάκων μιας ροής. Αυτές οι κλίμακες με τη σειρά τους εξαρτώνται από τον αριθμό Re της ροής. Επιπρόσθετα, αν με U, L, T (κλίμακα ταχύτητας, μήκους και χρόνου αντίστοιχα) συμβολιστούν οι μεγαλύτερες κλίμακες μιας ροής και με u, l, t αντίστοιχα οι μικρότερες κλίμακες τότε η σχέσεις μεταξύ των μικρότερων και μεγαλύτερων κλιμάκων δίνεται από τους τύπους: l LR 3/4 t TR 1/2 (2.12) u UR 1/4 Επίσης, ο αριθμός των κόμβων ενός πλέγματος υπαγορεύει την απαιτούμενη υπολογιστική μνήμη. Κάποιος μπορεί να θεωρήσει ότι οι πιο μικρές κλίμακες μπορούν να αναπαρασταθούν από δύο κόμβους. Επομένως για υψηλούς αριθμούς Re και για τρισδιάστατες εφαρμογές η μέθοδος αυτή θα απαιτούσε κόμβους, δηλαδή τερατώδεις απαιτήσεις σε μνήμη ενώ η απαιτούμενη υπολογιστική ισχύς για μια ροή γύρω από αεροτομή είναι της τάξης του τέραφλοπ (10 12 flops) και γύρω από ένα συνολικό αεροσκάφος της τάξης του έξαφλοπ (10 18 flops). Τα παραπάνω καθιστούν απαγορευτική την εφαρμογή του DNS για την επίλυση ροϊκών πεδίων. Επομένως καθίσταται φανερό ότι είναι εντελώς πιο δύσκολο να 66

67 εφαρμοστεί σε ροϊκά πεδία που θέλουμε να εφαρμόσουμε ενεργητικό έλεγχο ροής με συστήματα κλειστού βρόγχου, όπου αυτά τα συστήματα μέσω αισθητήρων συνεχώς λαμβάνουν δεδομένα,επιλύουν τη ροή και στέλνουν αντίστοιχα δεδομένα στους ενεργοποιητές Αρχικές Συνθήκες Αναφορικά με τον ενεργητικό έλεγχο ροής οι αρχικές συνθήκες είναι δύο ειδών. Η τοποθέτηση αρχικών για τη βασική ροή και αρχικές τιμές για τον ενεργοποιητή Αρχικές συνθήκες σε RANS/LES Η επίλυση ξεκινά με κλασσικές αρχικές συνθήκες (ελεύθερης ροής). Ο κώδικας τρέχει μέχρι την επίτευξη ισορροπίας. Στη συνέχεια, αυτή η κατάσταση ισορροπίας της ροής χρησιμοποιείται ως αρχική συνθήκη για την προσομοίωση με έλεγχο της ροής Αρχικές συνθήκες σε DNS/LES Τη χρονική στιγμή t = 0 ξεκινά η προσομοίωση χωρίς αρχικές συνθήκες ή με μια αναλυτική προσέγγιση της λύσης μόνιμης κατάστασης. Στο χρόνο t = t + Δt εισάγονται στην είσοδο της ροής διαταραχές. Εδώ χρειάζεται προσοχή ώστε οι ενεργοποιητές να μην είναι τοποθετημένοι κοντά στο σύνορο της ροής επειδή δημιουργούνται επαγόμενες διαταραχές από την αλληλεπίδραση του ενεργοποιητή με το σύνορο και στη συνέχεια αυτές οι διαταραχές εισάγονται στη ροή ως φυσικές διαταραχές. 67

68 2.7.3 Συνοριακές Συνθήκες Συνθήκες μη ολίσθησης: u,v,w = 0 στο y = Μοντελοποίηση Ενεργοποιητών Η μοντελοποίηση της ροής με τους ενεργοποιητές γίνεται μέσω της διαδικασίας μοντελοποίησης μιας επαγόμενης ροής από τους ενεργοποιητές και εισάγονται ως οριακές συνθήκες. Μια εναλλακτική διαδικασία είναι η κατάστρωση ενός μοντέλου ενεργοποιητή με πεπερασμένα στοιχεία και η εισαγωγή του σε κάποιον κώδικα CFD. Αναφορικά με τον έλεγχο της ροής με αναρρόφηση αέρα, η μοντελοποίησή του γίνεται μέσω μιας απλής συνάρτησης, μιας γεννήτριας αρμονικής πηγής. Η μάζα αέρα που εισάγεται πρέπει να είναι ακριβώς ίση με τη μάζα που αναρροφάται ώστε να είναι μηδενικός ο καθαρός αριθμός εισροής μάζας στο σύστημα. Αυτή η γεννήτρια διαταραχών είναι ουσιαστικά μια τροποποιημένη οριακή συνθήκη μη ολίσθησης. Ένα παράδειγμα συνάρτησης μιας τέτοιας οριακής συνθήκης είναι το εξής: u Asin t f x sin iˆ cos ˆj (2.13) w όπου u w είναι το διάνυσμα της ταχύτητας στο τοίχωμα, ω είναι η συχνότητα της διαταραχής, φ η γωνία του τζετ αέρα και f(x) το προφίλ ταχύτητας. Εύλογα ερωτήματα σχετικά με αυτό το είδος ελέγχου της ροής: Ποια προφίλ ταχυτήτων οδηγούν στα βέλτιστα αποτελέσματα (χωρικά και χρονικά προφίλ) Μπορούν να σχεδιαστούν αναλυτικές ή εμπειρικές οριακές συνθήκες ώστε να ενσωματωθούν σε κώδικες CFD; Αυτό θα μπορούσε να περιλαμβάνει τις εξής 68

69 παραμέτρους: συντελεστές ροής μάζας, γωνία έγχυσης, λόγος ταχυτήτων έγχυσης προς ελεύθερης ροής. Μορφή του χείλους έγχυσης και αν το είδος του μηχανισμού έγχυσης επηρεάζει το φαινόμενο και αν ναι πως θα μπορούσε να μοντελοποιηθεί. Είναι οι βέλτιστοι παράμετροι ίδιοι για όλους τους ενεργοποιητές που χρησιμοποιούν ταλαντωτικές κινήσεις; Είναι εφικτό και αν ναι θα φέρνει καλύτερα αποτελέσματα αν το χείλος μπορεί να αλλάξει κατά βούληση σχήμα, μέγεθος ή γωνία έγχυσης; Θέματα Διάταξης Για να υπάρχει συμφωνία μεταξύ των αποτελεσμάτων των πειραμάτων και των υπολογιστικών προσομοιώσεων ο Joslin και Vicken απέδειξαν στη μελέτη τους ότι ο υπολογισμένος συντελεστής δυναμικής άνωσης θα συμφωνεί με τον πειραματικό μόνον όταν υπολογιστεί όχι από την ολοκλήρωση των πιέσεων σε όλη την επιφάνεια της πτέρυγας αλλά μόνο από τα σημεία εκείνα που υπάρχουν οι τρύπες για τη μέτρηση των πιέσεων στην πειραματική διάταξη. Επίσης, ο Seifert, ο Pack και ο Joslin απέδειξαν ότι είναι απαραίτητη η εντελώς ακριβής προσομοίωση της γεωμετρίας των ενεργοποιητών για τον σωστό υπολογισμό των φαινομένων. Αυτό το έκαναν με την προσομοίωση του πεδίου μιας αεροτομής που είχε φλαπ στο πίσω μέρος της. Συγκεκριμένα το έκαναν μέσω της προσομοίωσης ή όχι μιας πολύ μικρής ασυνέχειας στην ένωση του φλαπ με την υπόλοιπη αεροτομή, όπως φαίνεται στα παρακάτω σχήματα. 69

70 σχήμα 2.30:Προσομοίωση χωρίς ασυνέχεια ασυνέχεια σχήμα 2.31: Προσομοίωση με ασυνέχεια Όπως φαίνεται, ένα τέτοιο πλέγμα με ασυνέχειες απαιτεί μη δομημένο πλέγμα για τη σωστή μοντελοποίηση της ασυνέχειας. Η μελέτη τους έδειξε, ακόμη, ότι ενώ στην επίλυση χωρίς την ασυνέχεια η αποκόλληση εμφανιζόταν στο 86% της χορδής, με μια πιο ακριβή επίλυση συμπεριλαμβανομένης της ασυνέχειας η αποκόλληση εμφανίστηκε στο 73% της χορδής και αυτή η τιμή ήταν πολύ κοντά στα πειραματικά αποτελέσματα. Με αναγωγή των αποτελεσμάτων κατέληξαν ότι απαιτείται μια όσο το 70

71 δυνατόν ακριβέστερη μοντελοποίηση της γεωμετρίας των ενεργοποιητών και γενικότερα της διάταξης για τη σωστή εξαγωγή αποτελεσμάτων. 2.8 Θέματα εξαγωγής δεδομένων Σε αυτό το τμήμα θα περιγραφεί η ανάλυση των δεδομένων που προέρχονται από ανεμόμετρο θερμού σύρματος τοποθετημένο στη κεντρική γραμμή του τζετ της ροής. Η μέση ταχύτητα της ροής στο κέντρο του τζετ μπορεί να γίνει και υπολογιστικά μέσω των εξισώσεων Navier-Stokes. Αυτοί οι υπολογισμοί όμως δε λαμβάνουν υπόψη τους την κοιλότητα και την περιοχή κοντά στην οπή. Χρησιμοποιούν για οριακές συνθήκες την κάθετη ταχύτητα στο τοίχωμα και ένα μοντέλο τύρβης k ε. Επομένως οι υπολογισμένες ταχύτητες με τις μετρούμενες ταχύτητες κοντά στην περιοχή της οπής διαφέρουν και όσο απομακρυνόμαστε από το χείλος τείνουν να συμπέσουν. Διάφορες διαμορφώσεις της κοιλότητας, της οπής και του τρόπου με τον οποίο εξάγεται το τζετ από την οπή, καθώς επίσης και ένα διάγραμμα με την υπολογισμένη ταχύτητα εξόδου του τζετ και την μετρούμενη, φαίνονται στα παρακάτω σχήματα. 71

72 σχήμα 2.32: Διάγραμμα ταχύτητας εξόδου τζετ σχήμα 2.33: Διαμορφώσεις κοιλοτήτων Ο πιθανός λόγος για τον οποίο υπάρχει ασυμφωνία κοντά στην περιοχή της οπής είναι ότι το μήκος του καθετήρα για τις μετρήσεις είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με τη διάμετρο του τζετ. Για την σχετική απαλοιφή του φαινομένου χρειάζεται να γίνει η μέτρηση σε απόσταση που είναι μετρήσιμη με το μήκος του καθετήρα. Επίσης οι διακυμάνσεις της ταχύτητας επηρεάζουν πολύ τα σήματα του θερμού νήματος (hot-wire). Έχει δειχτεί από σχετικές έρευνες ότι η θερμική διαστολή του 72

73 σύρματος προκαλεί μία σχοινώδη δομή στο πεδίο της ροής και επομένως το σφάλμα είναι της τάξης του 25% ή και περισσότερο για μη μόνιμες ροές. Ασυμφωνίες, επίσης, υπάρχουν μεταξύ υπολογισμένων και πειραματικών δεδομένων εξαιτίας διαφόρων αδυναμιών στις υπολογιστικές μεθόδους. Μια απλή οριακή συνθήκη κάθετης ταχύτητας στο τοίχωμα σε συνδυασμό με ένα μοντέλο k ε δε μπορεί να αναπαράγει όλες τις λεπτομέρειες των φαινομένων των δινών και διάχυσης που προκαλεί ο ενεργοποιητής. Για έναν πιο ακριβή υπολογισμό το χρησιμοποιούμενο πλέγμα υποτίθεται ότι πρέπει να μπορεί να πιάνει κλίμακες της τάξης της κλίμακας Kolmogorov, η, η οποία είναι αντιπροσωπευτική των μικρότερων δινών που υπάρχουν σε μια ροή. Μια εκτίμηση του η δίνεται από τη σχέση: 3 1/4 (2.14) όπου ν είναι το κινηματικό ιξώδες και ο μέσος ρυθμός διάχυσης. Για ροές με περιοδικές διακυμάνσεις συχνότητας ω, η κλίμακα μήκος Kolmogorov δίνεται από τη σχέση: 3 / 1/ /2 1/2 1/2 1/2 1 1 (2.15) Αν οι κλίμακες τύρβης είναι μικρότερες από το μήκος του καθετήρα του θερμού νήματος τότε είναι απαραίτητες κάποιες διορθώσεις. Έχουν προταθεί διάφορες διορθώσεις που θεωρούν ισότροπη ροή καθώς και άλλες που υποθέτουν ανισότροπη ροή. Για παράδειγμα, σε κάποια μέθοδο γίνονται πολλές μετρήσεις για 73

74 διάφορους λόγους μήκους σύρματος με διάμετρο και στη συνέχεια γίνεται αναγωγή των αποτελεσμάτων για μηδενικό μήκος. Έχει, επίσης, δειχτεί από μελέτες ότι οι μικρότερες κλίμακες τύρβης εμφανίζονται όλο και λιγότερο καθώς απομακρύνεται κανείς από την οπή. Επομένως, οι κλίμακες διάχυσης αυξάνονται με την απομάκρυνση από το χείλος της κοιλότητας Ανάλυση μετασχηματισμού κύματος Ο μετασχηματισμός κύματος διαχωρίζει ένα σήμα σε μια σειρά από αυτό-όμοιες συναρτήσεις στην κλίμακα και στο χρόνο και επιτρέπει ταυτόχρονη φασματική και χωρική ανάλυση. Τα παραπάνω είναι σε αντίθεση με το μετασχηματισμό Fourier ο οποίος έχει μη τοπικό χαρακτήρα. Ο μετασχηματισμός κύματος προσφέρει μια πολύ πλεονεκτική δυνατότητα. Παρέχει μια ορθογωνική βάση για υπολογισμούς η οποία εμπεριέχει πολύ λιγότερους βαθμούς ελευθερίας από ότι ο μετασχηματισμός Fourier. Επομένως, μειώνεται η υπολογιστική ισχύς που απαιτείται για ένα δεδομένο πρόβλημα Συμπεράσματα Οι πολύ μικρές κλίμακες, της τάξης της κλίμακας Kolmogorov, είναι δύσκολο να εκτιμηθούν και πειραματικά και υπολογιστικά. Επιπρόσθετα, μελέτες ανάλυσης μετασχηματισμού κύματος έδειξαν ότι οι περισσότερες διακυμάνσεις λαμβάνουν χώρα σε κλίμακα που είναι 70 φορές η κλίμακα Kolmogorov, και ότι μικρότερες κλίμακες είναι ασήμαντες σε περιοχές μακριά από την οπή. Επομένως, δεν είναι απαραίτητη η επίλυση κλιμάκων της τάξης Kolmogorov στο μεγαλύτερο τμήμα της ροής. 74

75 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3ο 3. Υπολογιστική Ανάλυση Ενεργητικού Ελέγχου 75

76 3.1 Εισαγωγή Στο παρόν κεφάλαιο της εργασίας αυτής γίνεται η υπολογιστική διερεύνηση σε μια αεροτομή NACA 4415 των αποτελεσμάτων του ενεργητικού ελέγχου στο αναπτυσσόμενο Οριακό Στρώμα. Συγκεκριμένα, εξετάζεται η μέθοδος ελέγχου με αναρρόφηση και έγχυση ενός μη μόνιμου τζετ αέρα σε διάφορα σημεία της αεροτομής τα οποία είναι στο 5%, 15%, 25% και 35% της θέσης x επί της χορδής. Επιπρόσθετα, έγινε διερεύνηση και της ταχύτητας του τζετ στον έλεγχο του οριακού στρώματος αλλά και της συχνότητάς του. Αναφορικά με το προφίλ του τζετ, χρησιμοποιήθηκε μια ημιτονοειδή συνάρτηση. Το πρόγραμμα που χρησιμοποιήθηκε για την υπολογιστική διερεύνηση είναι το NUMECA FINE TURBO έκδοση και το μοντέλο τύρβης που χρησιμοποιήθηκε σε όλες τις περιπτώσεις είναι μοντέλο δύο εξισώσεων και συγκεκριμένα το μοντέλο k-ε Low Re Launder-Sharma. Χρησιμοποιήθηκαν συνολικά 6 πλέγματα, τέσσεσα για κάθε περίπτωση τοποθέτησης του τζετ εκροής αέρα, ένα πλέγμα για την εξαγωγή δεδομένων χωρίς έλεγχο ροής και ένα πλέγμα με πολύ περισσότερα υπολογιστικά κελιά για την εξαγωγή συμπερασμάτων αναφορικά με την καταλληλότητα των προηγούμενων πλεγμάτων (grid dependency). Τα τέσσερα πρώτα πλέγματα αποτελούνται από περίπου κελιά και φαίνονται στα παρακάτω σχήματα, σχήμα Για τις υπόλοιπες δύο περιπτώσεις χρησιμοποιήθηκε ένα πλέγμα, σχήμα 3.5, με κελιά και η πύκνωση του πλέγματος στην περιοχή του τοιχώματος αντιστοιχεί σε απόσταση (μονάδα τοιχώματος) y + = 0.1 (η απόσταση του ενός κόμβου από τον επόμενο στην κάθετη διεύθυνση από το τοίχωμα). 76

77 σχήμα 3.1: Περίπτωση πλέγματος με θέση οπής στη θέση x/c=5% σχήμα 3.2: Περίπτωση πλέγματος με θέση οπής στη θέση x/c=15% 77

78 σχήμα 3.3: Περίπτωση πλέγματος με θέση οπής στη θέση x/c=25% σχήμα 3.4: Περίπτωση πλέγματος με θέση οπής στη θέση x/c=35% σχήμα 3.5: Διαφορετικό πλέγμα με υψηλότερο αριθό κελιών ( ) για ανάλυση επηρεασμού λύσης από το πλέγμα Στις περιπτώσεις εφαρμογής του προγράμματος για την επίλυση του πλέγματος με ενεργητικό έλεγχο δημιουργήθηκε στο πλέγμα μια οπή στην εκάστοτε θέση πλάτους 2 mm, και θεωρήθηκε από τις οριακές συνθήκες ως είσοδος. Επειδή ο άξονας της οπής σε σχέση με τη χορδή της πτέρυγας παρουσιάζει κάποια κλίση που εξαρτάται 78

79 από τη θέση της οπής (εκτός από την περίπτωση τοποθέτησης της οπής στη θέση x/c = 0.35) αναλύθηκε η ταχύτητα του τζετ σε δύο συνιστώσες Ux και Uy οι οποίες μάλιστα είναι και περιοδικές συναρτήσεις του χρόνου, δηλαδή Ux = Ux(t) και Uy = Uy(t). Αυτά, όμως, τα δεδομένα δεν είναι αρκετά για να περιγράψουν τις οριακές συνθήκες της εισόδου του τζετ. Χρειάστηκε να εισαχθούν ως συναρτήσεις του χρόνου δύο μεταβλητές, η κινητική ενέργεια και διάχυση της τύρβης, k και ε. Οι τύπου που χρησιμοποιήθηκαν για αυτά τα δεδομένα είναι: 2 k 1.5*( Tu * V jet ) (3.1) 1.5 k h (3.2) Όπου T u είναι η ένταση της τύρβης, V jet είναι το μέτρο της ταχύτητας του τζετ και h είναι το πλάτος της οπής, εδώ h = m. 3.2 Αποτελέσματα Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται τα αποτελέσματα όπως εξήχθησαν από την υπολογιστική προσομοίωση Περίπτωση 1: Χωρίς Έλεγχο Ροής Η περίπτωση αυτή, είναι περίπτωση αναφοράς και όλα τα επόμενα αποτελέσματα συγκρίνονται με βάση τα αποτελέσματα της περίπτωσης 1. Τα αποτελέσματα που εξήχθησαν από την υπολογιστική προσομοίωση για την περίπτωση αυτή είναι: 79

80 Μοίρες Vx Vy N A L D CL Cd Cl/Cd πίνακας 3.1 Οι μεταβλητές Ν και Α που φαίνονται στον πίνακα 3.1 εξάγονται από το πρόγραμμα και οι κατευθύνσεις τους φαίνονται στο παρακάτω σχήμα. σχήμα 3.6: Δυνάμεις σε αεροτομές Οι μεταβλητές L και D, αντίθετα, υπολογίζονται με εφαρμογή τριγωνομετρίας στο παραπάνω σχήμα και οι αντίστοιχοι τύποι είναι: L N cos a Asin a (3.3) 80

81 D N sin a Acos a (3.4) Σε κάθε περίπτωση αυτής της μελέτης το α επιλέχτηκε σταθερό και ίσο με 15 ο. Το ροϊκό πεδίο της περίπτωσης αυτής απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα. σχήμα 3.7: Απεικόνιση ροϊκού πεδίου Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το σημείο έναρξης της αποκόλλησης, η οποία φτάνει μέχρι την ακμή φυγής της αεροτομής. Η θέση έναρξης της αποκόλλησης είναι x c

82 σχήμα 3.8: Απεικόνιση της περιοχής αποκόλλησης της ροής Το διάγραμμα C p απεικονίζεται παρακάτω στο σχήμα. σχήμα 3.9: Διάγραμμα συντελεστή πίεσης 82

83 3.2.2 Περίπτωση 2: Με Έλεγχο Ροής (5%-130 Ηz-V jet =19.5) Στην περίπτωση αυτή έγινε διερεύνηση της ροής με το τζετ αέρα να βρίσκεται στη θέση 5% επί της χορδής. Τα χαρακτηριστικά του τζετ είναι μια ταχύτητα ροής ίση με 0.65*U, δηλαδή 19.5 m/s και η ταχύτητα αυτή αυξομειώνεται ημιτονοειδώς με μια συχνότητα 130 Hz. Συνοπτικά τα αποτελέσματα φαίνονται στον πίνακα 3.2 παρακάτω. Μοίρες Vx Vy N A L D CL Cd Cl/Cd πίνακας 3.2 Αυτό που φαίνεται εξαρχής είναι η μεγάλη αύξηση στον συντελεστή δυναμικής άνωσης C L, η οποία είναι περίπου 75%. Παράλληλα, όμως, με την αύξηση στον συντελεστή δυναμικής άνωσης σημειώθηκε αύξηση και στην αντίσταση και αυτό φαίνεται διαμέσου του συντελεστή αντίστασης και η αύξηση είναι της τάξης του C 44.7%. Επομένως η αύξηση του λόγου των δύο συντελεστών L C 16.53) είναι της τάξης του 21%. d (από σε Στην παρακάτω εικόνα, σχήμα 3.10, φαίνονται οι ροϊκές γραμμές γύρω από την αεροτομή. Αυτό που φαίνεται παραστατικά είναι η μεγαλύτερη έκταση της φυσσαλίδας αποκόλλησης η οποία είναι και περισσότερο μαζική από ότι στην περίπτωση 1. Έτσι εξηγείται η αύξηση του συντελεστή αντίστασης. 83

84 σχήμα 3.10: Απεικόνιση ροϊκού πεδίου Το διανυσματικό πεδίο της ροής που απεικονίζεται παρακάτω δείχνει τα διανύσματα ταχύτητας κατάντι του τζετ. Η ταχύτητα του τζετ είναι μέγιστη θετική. 84

85 σχήμα 3.11: Διανύσματα ταχύτητας στην περιοχή του τζετ Συγκεκριμένα η αποκόλληση φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. σχήμα 3.12: Απεικόνιση της περιοχής αποκόλλησης της ροής 85

86 Η αποκόλληση ξεκινά από τη θέση x Ακόμη, το αντίστοιχο διάγραμμα c συντελεστή πίεσης απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα. σχήμα 3.13: Διάγραμμα συντελεστή πίεσης Περίπτωση 3: Με Έλεγχο Ροής(5%-130 Ηz-V jet =120) Στην περίπτωση αυτή πάλι το τζετ βρίσκεται στην ίδια θέση με την προηγούμενη περίπτωση, δηλαδή στη θέση x Η συχνότητα παραμένει επίσης η ίδια. Αυτό c που αλλάζει σε σχέση με πριν είναι η ταχύτητα του τζετ. Γίνεται, λοιπόν, διερεύνηση 86

87 του πώς επηρεάζεται το πεδίο ροής από την ταχύτητα του τζετ. Σε αυτήν την περίπτωση η ταχύτητα είναι ίση με V jet =120 m/s. Τα αποτελέσματα φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Μοίρες Vx Vy N A L D CL Cd Cl/Cd πίνακας 3.3 Σε αυτήν την περίπτωση η αύξηση του συντελεστή δυναμικής άνωσης είναι της τάξης του 56% ενώ η αύξηση του συντελεστή αντίστασης είναι 41%. Η αύξηση του λόγου C L C d είναι 10%. Αυτό που μπορεί να σχολιάσει κανείς είναι ότι με την αλλαγή της ταχύτητας του τζετ η αντίσταση παρέμεινε σταθερή. Μειώθηκε όμως (σύγκριση περίπτωσης 3 με την περίπτωση 2) η δυναμική άνωση. Ένας λόγος ίσως είναι η αυξημένη ώση του τζετ που μειώνει τη δύναμη άνωσης επειδή έχει αντίθετη κατεύθυνση. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το ροϊκό πεδίο γύρω από την αεροτομή. 87

88 σχήμα 3.14: Απεικόνιση ροϊκού πεδίου Το ροϊκό πεδίο κοντά στην περιοχή του τζετ απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα. 88

89 σχήμα 3.15: Ροϊκό πεδίο γύρω από την περιοχή του τζετ Η παραπάνω εικόνα ξανααπεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα με διανυσματικά βέλη ώστε να γίνει κατανοητή η φορά περιστροφής των δινών. 89

90 σχήμα 3.16: Διανύσματα ταχύτητας στην περιοχή του τζετ όταν αυτό έχει μέγιστη θετική ταχύτητα Και σε αυτήν την περίπτωση η αποκόλληση ξεκινά ακριβώς από το ίδιο σημείο x c 0.48, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. σχήμα 3.17: Απεικόνιση της περιοχής αποκόλλησης της ροής Το διάγραμμα του συντελεστή πίεσης απεικονίζεται παρακάτω. 90

91 σχήμα 3.18: Διάγραμμα συντελεστή πίεσης Περίπτωση 4: Με Έλεγχο Ροής(15%-130 Ηz-V jet =19.5) Το τζετ βρίσκεται στη θέση x 0.15 c και η περιοδικότητά του είναι 130 Hz. Η ταχύτητά του τζετ είναι V jet =19.5 m/s. Τα αποτελέσματα της περίπτωσης αυτής φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Μοίρες Vx Vy N A L D CL Cd Cl/Cd πίνακας

92 Αυτό που ξεχωρίζει κανείς είναι η αύξηση του λόγου C L C d η οποία είναι της τάξης του 38%. Παρατηρείται επίσης αύξηση στον συντελεστή άνωσης ίση με 75% αλλά και αύξηση στην αντίσταση ίση με 27%. Το ροϊκό πεδίο φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. σχήμα 3.19: Απεικόνιση ροϊκού πεδίου Παρόλα αυτά, όμως, όπως δείχνεται στο παρακάτω σχήμα, η αποκόλληση δεν περιορίζεται περισσότερο προς την ακμή φυγής. 92

93 σχήμα 3.20: Απεικόνιση της περιοχής αποκόλλησης της ροής Επίσης, απεικονίζεται και το διάγραμμα του συντελεστή πίεσης στο παρακάτω σχήμα. σχήμα 3.21: Διάγραμμα συντελεστή πίεσης 93

94 3.2.5 Περίπτωση 5: Με Έλεγχο Ροής(15%-40 Ηz-V jet =19.5) Στην περίπτωση αυτή το τζετ παραμένει στην ίδια θέση, δηλαδή στο 15% επί της χορδής και επίσης η ταχύτητα του παραμένει ίδια. Αυτό που αλλάζει είναι η συχνότητα εναλλαγής της περιοδικότητας του τζετ. Η εναλλαγή γίνεται τώρα στα 40 Hz. Τα δεδομένα της περίπτωσης αυτής απεικονίζονται στον παρακάτω πίνακα. Μοίρες Vx Vy N A L D CL Cd Cl/Cd πίνακας 3.5 Παρατηρείται αύξηση του συντελεστή δυναμικής άνωσης της τάξης του 45% αλλά και αύξηση της αντίστασης της τάξης του 27%. Επομένως υπάρχει μια αύξηση του λόγου C L C d σε σχέση με την περίπτωση 1 η οποία είναι περίπου 14%. Το ροϊκό πεδίο απεικονίζεται στο σχήμα

95 σχήμα 3.22: Απεικόνιση ροϊκού πεδίου Από το σχήμα που ακολουθεί, σχήμα 3.23, μπορεί να διακρίνει κανείς το σημείο έναρξης της αποκόλλησης επί της χορδής. σχήμα 3.23: Απεικόνιση της περιοχής αποκόλλησης της ροής 95

96 Το σημείο αυτό βρίσκεται στη θέση x c Παρακάτω απεικονίζεται, επίσης, το διάγραμμα του συντελεστή πίεσης. σχήμα 3.24: Διάγραμμα συντελεστή πίεσης Περίπτωση 6: Με Έλεγχο Ροής(15%-130 Ηz-V jet =60) Το τζετ βρίσκεται στη θέση 15% επί της χορδής και επίσης η ταχύτητα του είναι V jet =19.5 m/s. Η περιοδικότητα του τζετ γίνεται τώρα 130 Hz. Τα δεδομένα της περίπτωσης αυτής απεικονίζονται στον παρακάτω πίνακα. 96

97 Μοίρες Vx Vy N A L D CL Cd Cl/Cd πίνακας 3.6 Παρατηρείται αύξηση του συντελεστή δυναμικής άνωσης της τάξης του 75% αλλά και αύξηση της αντίστασης της τάξης του 24%. Επομένως υπάρχει μια αύξηση του λόγου C L C d σε σχέση με την περίπτωση 1 η οποία είναι περίπου 41%. Το ροϊκό πεδίο απεικονίζεται στο σχήμα σχήμα 3.25: Απεικόνιση ροϊκού πεδίου 97

98 Το πεδίο ροής γύρω από το τζετ απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα. σχήμα 3.26: Διανύσματα ταχύτητας στην περιοχή του τζετ Η υψηλή ταχύτητα του τζετ όταν είναι μέγιστη θετική προκαλεί μεγάλη αποκόλληση της ροής. Παρόλα αυτά, ενεργοποιεί με τον κατάλληλο τρόπο το οριακό στρώμα και για αυτό επιτυγχάνεται υψηλός αριθμός του λόγου C L C. d Από το σχήμα που ακολουθεί, σχήμα 3.27, μπορεί να διακρίνει κανείς το σημείο έναρξης της αποκόλλησης επί της χορδής. σχήμα 3.27: Απεικόνιση της περιοχής αποκόλλησης της ροής 98

99 Το σημείο αυτό βρίσκεται στη θέση x c Παρακάτω απεικονίζεται, επίσης, το διάγραμμα του συντελεστή πίεσης. σχήμα 3.28: Διάγραμμα συντελεστή πίεσης Περίπτωση 7: Με Έλεγχο Ροής(25%-130 Ηz-V jet =19.5) Το τζετ βρίσκεται στη θέση x 0.25, με το τζετ να εμφανίζει περιοδικότητα 130 Hz. c Η ταχύτητα του τζετ είναι V jet =19.5 m/s. Τα αποτελέσματα για αυτήν την περίπτωση φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Μοίρες Vx Vy N A

100 L D CL Cd Cl/Cd πίνακας 3.7 Υπάρχει μεγάλη αύξηση (80%) του συντελεστή δυναμικής άνωσης αλλά υπάρχει ακόμη μεγαλύτερη αύξηση (216%) της αντίστασης. Επομένως ο λόγος μικρότερος από την περίπτωση 1 κατά 43%. C L C είναι d Παρακάτω υπάρχει η απεικόνιση του ροϊκού πεδίου στο σχήμα

101 σχήμα 3.29: Απεικόνιση ροϊκού πεδίου Ενώ το σημείο έναρξης της αποκόλλησης επί της χορδής παρουσιάζεται στο επόμενο σχήμα. σχήμα 3.30: Απεικόνιση της περιοχής αποκόλλησης της ροής 101

102 Το σημείο έναρξης της αποκόλλησης είναι x 0.65 c και το διάγραμμα του συντελεστή πίεσης απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα. σχήμα 3.31: Διάγραμμα συντελεστή πίεσης Περίπτωση 8: Με Έλεγχο Ροής(25%-30 Ηz-V jet =19.5) Το τζετ βρίσκεται στη θέση x 0.25, με το τζετ να εμφανίζει περιοδικότητα 30 Hz. Η c ταχύτητα του τζετ είναι V jet =19.5 m/s. Τα αποτελέσματα για αυτήν την περίπτωση φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Μοίρες Vx Vy N A

103 L D CL Cd Cl/Cd πίνακας 3.8 Υπάρχει πολύ μεγάλη αύξηση (111%) του συντελεστή δυναμικής άνωσης αλλά υπάρχει ακόμη μεγαλύτερη αύξηση (128%) της αντίστασης. Επομένως ο λόγος C L C d είναι μικρότερος από την περίπτωση 1 κατά 7%. Το ροϊκό πεδίο απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα. σχήμα 3.32: Απεικόνιση ροϊκού πεδίου Το σημείο έναρξης της αποκόλλησης φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. 103

104 σχήμα 3.33: Απεικόνιση της περιοχής αποκόλλησης της ροής Σε αυτήν την περίπτωση, όπως μπορεί να διακρίνει κανείς από το σχήμα 3.33 η έναρξη της αποκόλλησης γίνεται πιο κοντά προς την ακμή φυγής και συγκεκριμένα στη θέση x 0.7. c Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται το διάγραμμα του συντελεστή πίεσης C p. 104

105 σχήμα 3.34: Διάγραμμα συντελεστή πίεσης Περίπτωση 9: Με Έλεγχο Ροής(25%-80 Ηz-V jet =19.5) Το τζετ αέρα βρίσκεται στη θέση x 0.25, η ταχύτητά του είναι V c jet =19.5 m/s και η περιοδικότητά του 80 Hz. Τα αποτελέσματα για αυτήν την περίπτωση φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Μοίρες Vx Vy N A

106 L D CL Cd Cl/Cd πίνακας 3.9 Υπάρχει αύξηση (55%) του συντελεστή δυναμικής άνωσης αλλά υπάρχει πολύ μεγάλη αύξηση (218%) της αντίστασης. Επομένως ο λόγος από την περίπτωση 1 κατά 51%. C L C d είναι μικρότερος Το ροϊκό πεδίο απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα. σχήμα 3.35: Απεικόνιση ροϊκού πεδίου 106

107 Παρακάτω, το σχήμα απεικόνισης των διανυσμάτων της ταχύτητας εξηγεί τη μεγάλη αύξηση της αντίστασης. εξαιτίας της μεγάλης φυσαλίδας αποκόλλησης που δημιουργείται. σχήμα 3.36: Διανύσματα ταχύτητας πάνω στην αεροτομή Το σημείο έναρξης της αποκόλλησης φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. 107

108 σχήμα 3.37: Απεικόνιση της περιοχής αποκόλλησης της ροής Σε αυτήν την περίπτωση, όπως μπορεί να διακρίνει κανείς από το σχήμα 3.37 η έναρξη της αποκόλλησης γίνεται πιο κοντά προς την ακμή προσβολής και συγκεκριμένα στη θέση x c Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται το διάγραμμα του συντελεστή πίεσης C p. σχήμα 3.38: Διάγραμμα συντελεστή πίεσης 108

109 Περίπτωση 10: Με Έλεγχο Ροής(35%-130 Ηz-V jet =60) Το τζετ αέρα βρίσκεται στη θέση x 0.35, η ταχύτητά του είναι V c jet =60 m/s και η περιοδικότητά του 130 Hz. Τα αποτελέσματα για αυτήν την περίπτωση φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Μοίρες Vx Vy N A L D CL Cd Cl/Cd πίνακας 3.10 Υπάρχει μεγάλη αύξηση (84%) του συντελεστή δυναμικής άνωσης αλλά υπάρχει C τεράστια αύξηση (378%) της αντίστασης. Επομένως ο λόγος από την περίπτωση 1 κατά 62%. L C d είναι μικρότερος Το ροϊκό πεδίο απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα. 109

110 σχήμα 3.39: Απεικόνιση ροϊκού πεδίου Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζεται το πεδίο ροής κοντά στην περιοχή του τζετ με διανύσματα ταχυτήτων τη στιγμή που η ταχύτητα του τζετ έχει μέγιστη θετική ταχύτητα. Παρατηρείται η δίνη ανακυκλοφορίας ακριβώς κατάντι του τζετ. 110

111 σχήμα 3.40: Διανύσματα ταχύτητας στην περιοχή του τζετ όταν αυτό έχει μέγιστη θετικη ταχύτητα Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζεται το πεδίο ροής κοντά στην περιοχή του τζετ με διανύσματα ταχυτήτων τη στιγμή που η ταχύτητα του τζετ έχει μέγιστη αρνητική ταχύτητα. Παρατηρείται εκμηδένιση της δίνης κατάντι του τζετ. Το περιοδικό αυτό φαινόμενο ενεργοποιεί κατάντι το οριακό στρώμα. Αν η περιοδικότητα αυτή είναι βέλτιστη, τότε έχουμε ευεργετικά αποτελέσματα στο ροϊκό πεδίο και αύξηση του λόγου C L C. d 111

112 σχήμα 3.41: Διανύσματα ταχύτητας στην περιοχή του τζετ όταν αυτό έχει μέγιστη αρνητική ταχύτητα Το σημείο έναρξης της αποκόλλησης φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. σχήμα 3.42: Απεικόνιση της περιοχής αποκόλλησης της ροής Σε αυτήν την περίπτωση, όπως μπορεί να διακρίνει κανείς από το σχήμα 3.42 η αποκόλληση γίνεται στη θέση x c Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται το διάγραμμα του συντελεστή πίεσης C p. 112

113 σχήμα 3.43: Διάγραμμα συντελεστή πίεσης Περίπτωση 11: Με Έλεγχο Ροής(35%-30 Ηz-V jet =60) Το τζετ αέρα βρίσκεται στη θέση x 0.35, η ταχύτητά του είναι V c jet =60 m/s και η περιοδικότητά του 30 Hz. Τα αποτελέσματα για αυτήν την περίπτωση φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Μοίρες Vx Vy N A

114 L D CL Cd Cl/Cd πίνακας 3.11 Υπάρχει αύξηση (61%) του συντελεστή δυναμικής άνωσης αλλά υπάρχει τεράστια C αύξηση (349%) της αντίστασης. Επομένως ο λόγος περίπτωση 1 κατά 64%. L C d είναι μικρότερος από την Το ροϊκό πεδίο απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα. σχήμα 3.44: Απεικόνιση ροϊκού πεδίου 114

115 Το τοπικό φαινόμενο που προκαλεί η δέσμη του τζετ απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα. σχήμα 3.45: Διανύσματα ταχύτητας στην περιοχή του τζετ στη μέγιστη θετική ταχύτητα Το σημείο έναρξης της αποκόλλησης φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. σχήμα 3.46: Απεικόνιση της περιοχής αποκόλλησης της ροής 115

116 Σε αυτήν την περίπτωση, όπως μπορεί να διακρίνει κανείς από το σχήμα 3.46 η αποκόλληση γίνεται στη θέση x c Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται το διάγραμμα του συντελεστή πίεσης C p. σχήμα 3.47: Διάγραμμα συντελεστή πίεσης Περίπτωση 12: Ανάλυση εξάρτησης του ροϊκού πεδίου από το πλέγμα Τα αποτελέσματα αυτής της ανάλυσης απεικονίζονται στον παρακάτω πίνακα. Μοίρες Vx Vy N A

117 L D CL Cd Cl/Cd πίνακας 3.12 Όπως μπορεί να παρατηρήσει κανείς από μια σύγκριση επί των αποτελεσμάτων αυτής της περίπτωσης σε σχέση με την περίπτωση 1 ο συντελεστής δυναμικής άνωσης αυξήθηκε κατά 0.15%, ο συντελεστής αντίστασης μειώθηκε κατά 0.47% ενώ ο λόγος C L C d αυξήθηκε κατά 0.61%. Τα παραπάνω πιστοποιούν την καλή ποιότητα του ελαφριού πλέγματος που χρησιμοποιήθηκε και ότι ένα πλέγμα με μεγαλύτερο αριθμό κόμβων ή κελιών θα είχε μόνο αρνητικές επιπτώσεις στους χρόνους σύγκλισης του κώδικα χωρίς κανένα ουσιαστικό όφελος στην ακρίβεια των αποτελεσμάτων Περίπτωση 13: Συνδυασμός 2 τζετ αέρα (ενεργητικό-παθητικό) Το πρώτο τζετ αέρα, το οποίο έχει μια περιοδική ταχύτητα ίση με V jet =60 m/s και συχνότητα εκροής ίση με 130 Hz, βρίσκεται στη θέση x 0.15 c και το δεύτερο τζετ, το οποίο αναρροφά αέρα με ταχύτητα V jet =60 m/s, βρίσκεται στη θέση x c Τα αποτελέσματα για αυτήν την περίπτωση φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Μοίρες Vx Vy N A

118 L D CL Cd Cl/Cd πίνακας 3.13 Υπάρχει αύξηση (196%) του συντελεστή δυναμικής άνωσης αλλά υπάρχει τεράστια αύξηση (513%) της αντίστασης. Επομένως ο λόγος C L C d είναι μικρότερος από την περίπτωση 1 κατά 52%. Βέβαια, ο συντελεστής δυναμικής άνωσης αυξήθηκε πάρα πολύ και αυτό φαίνεται και από το διάγραμμα του συντελεστή πίεσης C p, στο σχήμα Το ροϊκό πεδίο απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα. σχήμα 3.48: Απεικόνιση ροϊκού πεδίου Αυτό που παρατηρεί κανείς είναι η πολύ μικρή φυσσαλίδα αποκόλλησης στην περιοχή της ακμής φυγής. Το σημείο έναρξης της αποκόλλησης φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. 118

119 σχήμα 3.49: Μεγέθυνση σχήματος 3.50 σχήμα 3.50: Απεικόνιση της περιοχής αποκόλλησης της ροής Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται το διάγραμμα του συντελεστή πίεσης C p. 119

120 σχήμα 3.51: Διάγραμμα συντελεστή πίεσης Σχολιασμός επί των Αποτελεσμάτων Στον παρακάτω πίνακα φαίνεται συνοπτικά ο πίνακας των αποτελεσμάτων της υπολογιστικής προσομοίωσης. 120

121 Μοίρες Χαρακτηριστικά τζετ x/c jet Vx Vy N A without jet Hz-V= % Hz-V= Hz-V= Hz-V=60 15% Hz-V= Hz-V= Hz-V= % Hz-V= Hz-V= % Hz-V= Μοίρες L D CL Cd Cl/Cd πίνακας 3.14: Συνοπτικός πίνακας αποτελεσμάτων Θέση τζετ x 0.05 c Αναφορικά με την περίπτωσης όπου το τζετ βρίσκεται στη θέση x 0.05 c διακρίνουμε δύο υποπεριπτώσεις. Το τζετ να αποτελείται από ένα ημιτονοειδές προφίλ με συχνότητα 130 Hz και η ταχύτητα της δέσμης αέρα να είναι είτε 19.5 m/s είτε 120 m/s. Και οι δύο υποπεριπτώσεις είναι ευεργετικές για το ροϊκό πεδίο γύρω 121

122 από την αεροτομή. Στη μεν περίπτωση που το V jet =19.5 m/s ο λόγος C L C d γίνεται περίπου 16.5 και ο συντελεστής C L περίπου 2.43 ενώ στην περίπτωση που V jet =120 m/s, ο λόγος C L C d γίνεται περίπου 15.1 και ο συντελεστής C L περίπου Για να καταλάβουμε γιατί συμβαίνει αυτό χρειάζεται να εξετάσουμε τα δύο παρακάτω σχήματα, σχήμα 3.52 και σχήμα σχήμα 3.52: Πεδίο ταχυτήτων τη στιγμή που το προφίλ του τζετ ( V jet =19.5 m/s) βρίσκεται στην κορυφή βουνού. 122

123 σχήμα 3.53: Πεδίο ταχυτήτων τη στιγμή που το προφίλ του τζετ ( V jet =120 m/s) βρίσκεται στην κορυφή βουνού. Στην περίπτωση που η δέσμη τζετ έχει μεγάλη ταχύτητα, σχήμα 3.53 δημιουργεί μια μεγάλη δίνη ακριβώς κατάντι της οπής η οποία προκαλεί τοπική απώλεια στήριξης και μείωση του γενικού συντελεστή δυναμικής άνωσης. Ενώ στο σχήμα 3.52 η δίνη που δημιουργεί το τζετ είναι πολύ μικρότερη. Στη θέση αυτή το τζετ είχε ως αποτέλεσμα μια μικρή αύξηση αύξηση του λόγου C L C d (από 13.7 σε περίπου 16.5) με αύξηση βέβαια του συντελεστή αντίστασης. Ένα συμπέρασμα που μπορεί να εξαχθεί από τα αποτελέσματα αυτά είναι ότι όταν το τζετ βρίσκεται πολύ μπροστά προς την ακμή προσβολής, οι πολύ υψηλές ταχύτητες του τζετ προκαλούν πρόωρη αποκόλληση της ροής (η οποία βέβαια μετά επανακολλάται). 123

124 Θέση τζετ x 0.15 c Αναφορικά με την περίπτωσης όπου το τζετ βρίσκεται στη θέση x 0.15 c διακρίνουμε τρεις υποπεριπτώσεις. Το τζετ να αποτελείται από ένα ημιτονοειδές προφίλ με συχνότητα 130 Hz και 40 Hz και η ταχύτητα της δέσμης αέρα να είναι είτε 19.5 m/s είτε 60 m/s. Και οι τρεις υποπεριπτώσεις είναι ευεργετικές για το ροϊκό πεδίο γύρω από την αεροτομή. Ο συνδυασμός 130 Hz- V jet =19.5 m/s είχε ως αποτέλεσμα μια αύξηση του λόγου C L C d από 13.6 σε 18.8 ενώ αν συγκρίνουμε την περίπτωση αυτή με την περίπτωση που το τζετ βρίσκεται στη θέση x 0.05 c υπάρχει μείωση της αντίστασης από σε Ο συνδυασμός 130 Hz- V jet =60 m/s είχε ως αποτέλεσμα ακόμη μεγαλύτερη αύξηση του λόγου 19.3 και τον μικρότερο συντελεστή αντίστασης για τις περιπτώσεις με ενεργητικό έλεγχο ροής. Η τιμή του συντελεστή αντίστασης είναι C d = Μάλιστα η περίπτωση αυτή παρουσίασε τη μεγαλύτερη τιμή του λόγου C L C d C L C d σε σε όλη αυτήν την μελέτη. Ο συνδυασμός 40 Hz- V jet =19.5 m/s είχε ως αποτέλεσμα αύξηση μεν του λόγου C L C d σε σχέση με την περίπτωση χωρίς έλεγχο ροής αλλά παρουσίασε τη μικρότερη αύξηση για την περίπτωση τοποθέτησης του τζετ στη θέση 15%. Η μείωση του λόγου αυτού προήλθε μόνο από τη μείωση του συντελεστή δυναμικής άνωσης και όχι από αύξηση της αντίστασης. Για τη συγκεκριμένη θέση τοποθέτησης του τζετ αυτό που διαφαίνεται είναι ότι για την ίδια συχνότητα, αύξηση της ταχύτητας του τζετ προκαλεί ευεργετικά αποτελέσματα στο ροϊκό πεδίο ενώ μείωση της συχνότητας του τζετ δεν ενεργοποιεί το οριακό στρώμα με βέλτιστο τρόπο και έτσι ο λόγος C L C d δεν είναι μέγιστος. 124

125 Θέση τζετ x 0.25 c Και εδώ προσομοιώθηκαν τρεις συνδυασμοί υποπεριπτώσεων. Όλοι τους είχαν την ίδια ταχύτητα δέσμης του τζετ αλλά διαφορετική συχνότητα. Συγκεκριμένα, μελετήθηκαν οι συχνότητες 130, 80 και 30 Hz. Και οι τρεις περιπτώσεις παρουσίασαν μείωση του λόγου C L C d λόγω πολύ μεγάλης αύξησης της αντίστασης. Βέβαια υπήρχε αύξηση του συντελεστή δυναμικής άνωσης αλλά η αύξηση αυτή ήταν πολύ μικρότερη από την αύξηση της αντίστασης. Οι πρώτοι δύο συνδυασμοί είχαν ως αποτέλεσμα υποδιπλασιασμό του λόγου C L C d ενώ ο τρίτος συνδυασμός με τη χαμηλή συχνότητα του τζετ είχε μια πολύ μικρή μείωση του λόγου αυτού από σε 12.7 περίπου. Η περίπτωση αυτή μάλιστα παρουσίασε το μεγαλύτερο συντελεστή δυναμικής άνωσης σε όλη τη μελέτη. Γενικά η τάση μεταβολής του λόγου τη συγκεκριμένη θέση του τζετ φάνηκε πως επηρεάζεται πολύ από τη συχνότητα του και με τρόπο που όταν αυτή είναι χαμηλή να προκαλεί πιο ευεργετικά αποτελέσματα στη ροή σε σχέση με υψηλές συχνότητες. C L C d για Θέση τζετ x 0.35 c Αυτή είναι η τελευταία θέση τοποθέτησης του τζετ που μελετήθηκε. Εξετάζονται δύο υποπεριπτώσεις. Ταχύτητα τζετ ίση με V jet =60 m/s και συχνότητα 130 Hz και ταχύτητα τζετ ίση με V jet =60 m/s και συχνότητα 30 Hz. Και οι δύο αυτές περιπτώσεις είχαν ως αποτέλεσμα τιμές του λόγου C L C d πολύ χαμηλές, γύρω στο πέντε. Ο λόγος είναι η μεγάλη αύξηση της αντίστασης που είναι αποτέλεσμα της θέσης του τζετ. Μάλιστα όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητά του, τόσο αυξάνεται η αντίσταση, με αύξηση μεν της δυναμικής άνωσης αλλά όχι ικανή ώστε να αυξήσει τον λόγο άντωσης-αντίστασης. 125

126 Ανάλυση επηρεασμού λύσης από το πλέγμα Το πλέγμα που χρησιμοποιήθηκε για την περίπτωση αυτή έχει περίπου τριπλάσιο αριθμό κελιών από ότι τα υπόλοιπα πλέγματα. Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται τα αποτελέσματα. Μοίρες Κελιά x/c jet Vx Vy N A without jet Μοίρες L D CL Cd Cl/Cd πίνακας 3.15 Οι διαφορές σε όλους τους συντελεστές είναι πάρα πολύ μικρές και αυτό με τη σειρά του εξηγείται στο ότι το ελαφρύ πλέγμα με τις πυκνώσεις των κελιών κοντά στο τοίχωμα, στην ακμή προσβολής και φυγής κατάφερε να απεικονίσει με σωστό τρόπο το ροϊκό πεδίο. Επομένως οι περαιτέρω περιπτώσεις που εξετάστηκαν με τις οπές του τζετ σε διάφορες θέσεις είναι αντικειμενικές και δεν έχουν επηρεαστεί από πιθανώς λανθασμένο στήσιμο του πλέγματος. 126

127 Συμπεράσματα Εξερχόμενες δέσμες τζετ αέρα σύμφωνα με συγκεκριμένο προφίλ ταχύτητας εξετάστηκαν στην παρούσα μελέτη. Μπορούν να εξαχθούν διάφορα χρήσιμα συμπεράσματα βασιζόμενα σε παρατηρήσεις επί των υπαρχόντων αποτελεσμάτων. Η περίπτωση τοποθέτησης του τζετ στην θέση x 0.15 c είχε ως αποτέλεσμα τα πιο ευεργετικά αποτελέσματα στο ροϊκό πεδίο. Σε αυτήν τη θέση, η υψηλή συχνότητα του τζετ επιφέρει καλύτερα αποτελέσματα από ότι μια χαμηλή συχνότητα. Καθώς μεταβαίνει κανείς από τη συγκεκριμένη θέση σε άλλη πιο κοντά στην ακμή προσβολής, θέση x 0.05, συμπεραίνει ότι οι υψηλές ταχύτητες της δέσμης του c τζετ έχουν ως αποτέλεσμα ευεργετικές μεν αλλά όχι βέλτιστες επιδράσεις στο ροϊκό πεδίο. Αντίθετα, απομάκρυνση του τζετ από τητ βέλτιστη θέση που είναι 15% σημαίνει μείωση όλων των συντελεστών ακόμη και από την περίπτωση αναφοράς. Παρόλα αυτά μπορεί να εξαχθεί το συμπέρασμα ότι όσο πλησιάζει το τζετ προς την περιοχή αποκόλλησης το προφίλ ταχύτητας της δέσμης του τζετ χρειάζεται να έχει μικρή περιοδικότητα και χαμηλή ταχύτητα. 127

128 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4ο 4. Προετοιμασία πειράματος 128

129 4.1 Εισαγωγή Όπως αναφέρεται και σε προηγούμενα κεφάλαια, ένα αεροσκάφος σε κατάσταση ελιγμών ή / και σε κατάσταση απο προσγείωσης χρειάζεται να παράγει μεγάλους συντελεστές άνωσης (δυνάμεις άνωσης) έτσι ώστε να επιτύχει την απαραίτητη απόδοση. Και αυτό διότι είτε μία μόνο συνιστώσα της δύναμης άνωσης είναι διαθέσιμη για να αντισταθμίσει τη δύναμη του βάρους, είτε η ταχύτητα πτήσης είναι πολύ χαμηλή. Η περισσότερη από αυτή την δύναμη άνωσης παράγεται στο πάνω μέρος της πτέρυγας, όπου οι πιέσεις είναι γενικά χαμηλότερες από ότι στην ακμή φυγής της πτέρυγας. Έτσι, είναι δυνατόν να εμφανιστούν θετικές κλίσεις πίεσης dp/dx>0, με αποτέλεσμα να υπάρξει αποκόλληση του οριακού στρώματος και τελικά απώλεια της δύναμης άνωσης, ενίσχυση της δύναμης αντίστασης και ίσως και ολική απώλεια στήριξης. Υπάρχουν αρκετές συσκευές που μπορούν να ελέγξουν την αποκόλληση της ροής, όπως είναι τα flaps ή slats που τοποθετούνται είτε στην ακμή προσβολής, είτε στην ακμή φυγής αλλά και τα Vortex Generators (VGs). Ο τρόπος που λειτουργούν είναι συγκεκριμένος: οι δίνες οι οποίες εισάγουν στη ροή αυξάνουν την ανάμειξη των ανώτερων και των κατώτερων οριακών στρωμάτων του οριακού στρώματος ανάντη της αποκόλλησης και με τον τρόπο αυτόν ελέγχουν την αποκόλληση (την εξαφανίζουν ή την καθυστερούν κατά περίπτωση). Η χρησιμότητα των VGs εξαρτάται από την επίδραση που έχουν στην απόδοση του αεροσκάφους μέσα σε ολόκληρο το εύρος του φακέλου πτήσης. Έτσι, εκφράζεται συχνά η αντίρρηση στη χρήση τους γιατί εισάγουν σημαντικά μεγάλες δυνάμεις αντίστασης όταν λειτουργούν σε μέρη του φακέλου πτήσης για τα οποία δεν έχουν σχεδιαστεί, όπως είναι το κομμάτι της ευθείας και οριζόντιας πτήσης. Έτσι κατέστη η ανάγκη για VGs τα οποία θα εκτείνονταν όχι πάνω από το οριακό στρώμα, αλλά μέσα σε αυτό!! Με αυτόν τον τρόπο διατηρούνται τα πλεονεκτήματα της μεθόδου αυτής και ταυτόχρονα εξαλείφονται τα μειονεκτήματα της. Έτσι δημιουργήθηκαν τα Sub Boundary layer Vortex Generators ( SBVGs). 129

130 Κομμάτι της κατηγορίας αυτής των ενεργητικών συστημάτων ελέγχου ροής αποτελεί η παρακάτω πειραματική διάταξη που εξελίχθηκε στο εργαστήριο της Μηχανικής Ρευστών και στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής μελέτης. 4.2 Πειραματική διάταξη Σκοπός της πειραματικής διάταξης ήταν η δημιουργία ενός συστήματος το οποίο με τη συνεχή παλινδρομική κίνηση των στελεχών του (τα οποία εξέχουν στην ελεύθερη ροή) θα ήταν εφικτό να επιτύχει καταστολή ή ακόμη και εξαφάνιση της αποκόλλησης στην επιφάνεια της πτέρυγας, με απώτερο στόχο την βελτίωση των πτητικών της χαρακτηριστικών και την σημαντική διεύρυνση του ορίου απώλειας στήριξής της. Παρακάτω εξετάζονται ένα-ένα τα μέρη του πειράματος και τα χαρακτηριστικά τους: Πτέρυγα Αεροτομή Επιλέχθηκε η NACA 4415 (διαστάσεις: 300 mm x 300 mm ) η οποία είναι αρκετά συμβατική αεροτομή με ευρεία χρήση και πληθώρα εφαρμογών, ενώ παρέχει και την απαιτούμενη επάρκεια χώρου προκείμενου να καταστεί εφικτή η τοποθέτηση στο εσωτερικό της όλων εκείνων των κινουμένων μερών για την αποτελεσματική διεξαγωγή του πειράματος. Ως υλικό κατασκευής επιλέχθηκε το balsa γιατί προσέφερε την απαιτούμενη ελάχιστη τραχύτητα, οικονομική κατασκευή και κατάλληλη δυνατότητα επεξεργασίας. 130

131 Εικόνα 4.1: Κάτοψη πτέρυγας NACA 4415 Εικόνα 4.2: Πλάγια όψη πτέρυγας NACA

132 4.2.2 Χαρακτηριστικά ροής Με δεδομένο τον αριθμό Reynolds ο οποίος επιλέχθηκε Re = με βάση κάποιες παραπλήσιες προηγούμενες μελέτες και τα αποτελέσματά τους στη συνέχεια υπολογίστηκε η επιθυμητή ταχύτητα ροής U η οποία βρέθηκε U = 30m/s. Re VL VL (4.1) όπου ν το κινηματικό ιξώδες ίσο με: ν = 1.57 x 10-5 m 2 /s. Η ροή θεωρήθηκε συνεχής, ασυμπίεστη, τυρβώδης και πραγματική Αεροσήραγγα Η υπάρχουσα αεροσήραγγα του εργαστηρίου πρέπει να τροποποιηθεί με τέτοιον τρόπο, ώστε να πληρούνται οι προδιαγραφές που έχουν τεθεί για την ροή. Στο παρακάτω σχέδιο φαίνονται τα χαρακτηριστικά και οι διαστάσεις της αεροσήραγγας τροποποιημένης για την υποστήριξη του συγκεκριμένου πειράματος. Λόγω της επαναδιαμόρφωσης του test section για να υποδεχτεί την συγκεκριμένη αεροτομή οι νέες διαστάσεις του τμήματος αυτού είναι: 1.88 m x 0.3 m (μήκος x πλάτος). Προκειμένου να παραμείνει η γωνία απόκλισης του διαχύτη ίδια με πριν και ίση με 4.51 ο απαιτείται το μήκος του διαχύτη να φθάσει τα 3.8 m από 1.9 m που ήταν πριν. 132

133 4.2.4 Vortex Generators (στελέχη που παλινδρομούν) Τα στελέχη που επιλέχθηκαν για να εισάγουν στροβιλότητα στη ροή φαίνονται στην παρακάτω εικόνα: Εικόνα 4.3: Stage για τα VGs στη θέση 35% του x/c της αεροτομής. Υπάρχουν κάποιοι σημαντικοί παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπ όψιν κατά την κατασκευή του stage: Η κλίση του επάνω επιπέδου που στηρίζει τα fins, (τα στελέχη που προεξέχουν) τα οποία είναι σχεδιασμένα έτσι ώστε να εισέλθουν στην ροή στην πλευρά αναρρόφησης της αεροτομής, πρέπει να είναι τόση, όση και η καμπυλότητα της αεροτομής στο σημείο εκείνο που θα τοποθετηθεί το stage. Έτσι, εύκολα γίνεται 133

134 κατανοητό ότι με την επιλογή του σημείου της αεροτομής στο 15% του x/c για την τοποθέτηση του stage το επάνω επίπεδο στήριξης των στελεχών θα πρέπει να έχει τόση κλήση όση και επιφάνεια αναρρόφησης της αεροτομής σε εκείνο το σημείο, έτσι ώστε να είναι πάντα κάθετα τοποθετημένο στην πτέρυγα. Αυτό το σχέδιο για την περίπτωση του 15% φαίνεται σε παρακάτω εικόνα. 134

135 Εικόνα 4.4: Κατόψεις σχηματικής διάταξης αεροσήραγγας 135

136 Εικόνα 4.5: Stage για τα VGs στη θέση 15% του x/c της αεροτομής. Το ύψος της έκτασης των στελεχών στη ροή. Το ύψος αυτό επιλέχθηκε ίσο με 8mm και αν αφαιρέσουμε το πάχος της αεροτομής το οποίο διαπερνά και ισούται με 1.5 mm. Άρα το τελικό ύψος που εκτείνονται τα fins στη ροή είναι: 8mm 1.5mm = 6.5 mm. Το ύψος αυτό είναι σημαντικά μικρότερο από το πάχος του οριακού στρώματος στο 35% του x/c και άρα εμπίπτει στην κατηγορία που αναφέρεται παραπάνω, αυτήν των SBVGs. Όσον αφορά την άλλη περίπτωση στο 15% του x/c επειδή η ροή βρίσκεται σε φάση επιτάχυνσης στην πλευρά αναρρόφησης το πάχος του οριακού στρώματος είναι ακόμη περιορισμένο και τα fins προεξέχουν πάνω από αυτό. Έτσι, αυτή η περίπτωση ανήκει στη γενική κατηγορία των VGs που στόχο έχουν την ανάμειξη των ανώτερων και κατώτερων στρωμάτων του οριακού στρώματος με σκοπό την ενεργοποίησή του και ενδεχομένως την παραγωγή μεγαλύτερης δύναμης άνωσης. Παρόλα αυτά, με σωστό 136

137 εξοπλισμό είναι δυνατόν να επιτευχθεί όχι πλήρης έκταση των fins στην περίπτωση αυτή και να διερευνηθούν και οι δύο αυτές περιπτώσεις. Οι θέσεις τοποθέτησης των VGs κατά μήκος της αεροτομής. Όπως αναφέρθηκε επιλέχθηκαν δύο τοποθεσίες στο 15% και στο 35% του x/c. Αυτό έγινε για λόγους οι οποίοι αφορούν στον κατά περίπτωση διαθέσιμο χώρο αφενός και αφετέρου σε αποτελέσματα που εξήχθησαν από προηγούμενες μελέτες πάνω στο συγκεκριμένο αντικείμενο. Ακόμα, ενδιαφέρουσα θα ήταν η σύγκριση των αποτελεσμάτων αυτών με τα αποτελέσματα του υπολογιστικού ρευστομηχανικού μοντέλου που παρουσιάζεται στην παρούσα μελέτη (στα κοινά σημεία τα οποία επελέγησαν). Η συχνότητα και το εύρος ταλάντωσης και η δυνατότητα μεταβολής τους. Η συχνότητα ταλάντωσης είναι καλό να κυμαίνεται σε ένα αρκετά ευρύ φάσμα με σκοπό την καλύτερη και πληρέστερη διερεύνηση της επίδρασης της στην ενεργοποίηση του οριακού στρώματος. Έτσι, επιτυγχάνεται η βέλτιστη αξιολόγηση και κατά συνέπεια κατανόηση των αποτελεσμάτων. Με βάση προηγούμενες μελέτες συχνότητες της τάξης των Hz δίνουν τα καλύτερα αποτελέσματα. Όσον αφορά τη μεταβολή του εύρους ταλάντωσης, είναι χρήσιμο εργαλείο έτσι ώστε να καλυφθούν κατά το δυνατόν περισσότερες περιπτώσεις. Τα υπόλοιπα γεωμετρικά στοιχεία επιλέχθηκαν με βάση προηγούμενες μελέτες και φαίνονται αναλυτικά στα παρακάτω κατασκευαστικά σχέδια και φωτογραφίες που παρατίθενται. 137

138 Εικόνα 4.6: Ζεύγος " fins " Εικόνα 4.7: Σχηματική διάταξη αεροτομής, μαζί με τα "stage" στις θέσεις 15% και 35% 138

139 Εικόνα 4.8: Η πτέρυγα μαζί με τα stages στο 15% και στο 35% του x/c 139

140 Εικόνα 4.9: Κατασκευαστικά σχέδια Stage για τα VGs στη θέση 5% του x/c της αεροτομής. Εικόνα 4.10: Κατασκευαστικά σχέδια Stage για τα VGs στη θέση 35% του x/c της αεροτομής. 140

141 4.2.5 Actuator Για την κατάλληλη επιλογή του actuator είναι απαραίτητο να ληφθούν υπ όψιν οι παρακάτω παράμετροι: Συχνότητα και εύρος ταλάντωσης Το βάρος αναρτώμενης μάζας της κατασκευής Η στιβαρότητα της κατασκευής Η δυνατότητα συνεχούς ανάδρασης της πληροφορίας (θέση του actuator), για τον αποτελεσματικότερο έλεγχό του. Εικόνα 4.11: Προοπτικό σχέδιο actuator VMS LB-12LS 141

142 Εικόνα 4.12: Κατασκευαστικό σχέδιο actuator VMS LB-12LS Τα κυριότερα χαρακτηριστικά του actuator VMS LB-12LS είναι τα παρακάτω: Διαδρομή = 0.50 in = 12.7 mm Δύναμη (συνεχής) = 18 lbs = 81.6 N Δύναμη (peak) = 54 lbs = N 142

143 Αξίζει να σημειωθεί ότι η δύναμη (συνεχής) επιλέχθηκε αρκετά μεγάλη, έτσι ώστε να υπερβαίνει κατά πολύ το βάρος του "stage" το οποίο υπολογίστηκε 1.07 kg. Στις παρακάτω εικόνες φαίνονται το actuator καθώς και ο εξισορροπητής μάζας ο οπ οίος κρίθηκε απαραίτητος προκειμένου να επιτευχθούν συχνότητες της τάξης των 130 Hz, οι οποίες αντιστοιχούν σε επιτάχυνση της τάξης των 66 g s. Εικόνα 4.13: Φωτογραφία actuator 143

144 Εικόνα 4.14: Φωτογραφία εξισορροπητή μάζας (balance spring mass) 144