شبیه سازی اثر محرک پلاسمایی و نوسان بر کنترل آیرودینامیکی ایرفویل

هنگامی که یک بال هواپیما در مسیر جریان هوا قرار می‌گیرد به دلیل اثرات سطحی، لایه مرزی‌ای در نزدیکی سطوح آن ایجاد می‌شود که در زوایای حمله بالا نقش بسزایی دارد. پدیده لایه مرزی بر عملکرد ایرفویل نیز تأثیر گذاشته و اثرات بسیار مهمی بر ضریب لیفت و درگ آن می‌گذارد، به طوری که این پدیده سبب اعمال محدودیت‌هایی می‌شود که از افزایش بیشتر عملکرد بال جلوگیری می‌کند. لذا برای دستیابی به شرایط بهینه لازم است که لایه مرزی تشکیل شده را با تکنیک‌هایی کنترل کرد. با معرفی مفهوم لایه مرزی توسط پرانتل، فناوری‌های کنترل جریان بر اساس این تئوری پایه‌گذاری شدند. کنترل لایه مرزی یک تکنیک مؤثری است که می‌تواند سبب بهبود عملکرد آیرودینامیکی ایرفویل‌ها ‌شود و به ازای زوایای حمله بیشتر، در واماندگی تأخیر ایجاد ‌کند. علوم و صنایع هوایی و فضایی امروزه به عنوان یکی از شاخص‌های ارزیابی سطح علمی و فنی کشورها مطرح می‌باشد و از نظر ایمنی نیز در سرنوشت کشورها نقش مهمی را ایفا می‌کند. بنابراین تلاش برای ارتقاء توانایی صنعتی در این زمینه از سوی کشورهای مختلف کاملا توصیه می‌شود. یکی از موارد مهمی که می‌بایست در طراحی سازه‌های هوایی به خصوص بال هواپیما مد نظر قرار گیرد، تعامل بین هوا و بال الاستیک هواپیماست که بعنوان پدیده آیروالاستیک شناخته می‌شود. در این پایان‌نامه، ابتدا مطالعه عددی جریان تراکم ناپذیر آرام دو بعدی حول ایرفویل نوسانی NACA0012 با استفاده از OpenFOAM انجام شده است. انواع حرکت نوسانی شامل پیچش، فراز و فرود و بالزنی در نظر گرفته شد. عدد رینولدز برای حرکت فراز و فرود 1850 و برای پیچشی و بالزنی 12000 در نظر گرفته شد. اثر این حرکات و همچنین پارامترهای ناپایای مختلف مانند دامنه و فرکانس کاهشی بر ضرایب آیرودینامیکی بررسی شد. برای کنترل جریان روی ایرفویل محرک پلاسمای تخلیه مانع دی‌الکتریک در سه موقعیت روی سطح بالایی ایرفویل استفاده شد و نتایج به دست آمده از اعمال آن برای هر سه نوع حرکت نوسانی با یکدیگر مقایسه شد. مشاهده شد که اعمال پلاسما منجر به بهبود ضرایب آیرودینامیکی در دو حرکت پیچشی و فراز و فرود می‌شود، اما اثر مثبتی بر حرکت بالزنی ندارد. همچنین، برای دامنه و فرکانس‌هایی که در این مقاله بررسی شد، پلاسمای لبه فرار، بر اساس نمودارهای به دست آمده، اثر مطلوب‌تری نسبت به پلاسمای نواحی دیگر دارد. سپس، مطالعه عددی جریان تراکم ناپذیر آرام دو بعدی حول ایرفویل نوسانی انعطاف‌پذیر NACA0012 انجام شد. انواع حرکات نوسانی و اعداد رینولدز مربوط به هر یک همانند حالت صلب در نظر گرفته شد. حلگر تعامل جامد-سیال توسط یک معیار شناخته‌شده در مسائل تعامل سیال-جامد در جریان خارجی اعتبارسنجی شد و مشاهده شد که نتایج بدست آمده از حلگر مورد استفاده توافق بسیار خوبی با نتایج عددی معیار موجود دارد. به منظور در نظر گرفتن شرایط واقعی، اثر انعطاف‌پذیری ایرفویل و ارتعاشات ناشی از جریان بر این حرکات و همچنین پارامترهای ناپایای مختلف مانند دامنه نوسان و فرکانس کاهشی بر ضرایب آیرودینامیکی مورد بررسی قرار گرفت و با ایرفویل صلب مقایسه شد. مشاهده شد که انعطاف‌پذیری در هر سه نوع حرکت باعث بهبود تراست می‌شود و با افزایش فرکانس، این بهبود نیز افزایش خواهد یافت. بر خلاف تراست، بهبود قابل‌توجه لیفت فقط در فرکانس‌های بالا به دست آمد. همچنین دیده شد که اثر انعطاف‌پذیری در حرکت بالزنی بیشتر از دیگر حرکات است. محرک پلاسمای تخلیه مانع دی‌الکتریک نیز همانند قبل البته فقط در لبه فرار ایرفویل انعطاف‌پذیر، به دلیل مفید واقع شدن پلاسمای این ناحیه بر اساس نمودارهای حالت صلب، مورد استفاده قرار گرفت و نتایج به دست آمده از اعمال آن برای هر سه نوع حرکت نوسانی با یکدیگر مقایسه شد.