Międzyuczelniane Inżynierskie Warsztaty Lotnicze 2011 Bezmiechowa 23-27 września 2011 FLOW CONTROL Andrzej Krzysiak[1] [1] doktor inżynier, Instytut Lotnictwa, andkrzy@ilot.edu.pl
Sterowanie przepływem: to aktywne lub pasywne oddziaływanie na pole przepływu w celu jego zmiany w pożądanym kierunku Historia: 1904 Prandtl - prezentacja teorii warstwy przyściennej Sterowanie oderwaniem na opływanym walcu.
Cel sterowania przepływem: redukcja oporu, wzrost lub zmniejszenie siły nośnej, podwyższenie wartości krytycznego kata natarcia, ograniczenie hałasu związanego z przepływem, redukcja drgań obiektu, sterowanie obiektem. Powyższe cele osiągane są z reguły poprzez: opóźnienie lub przyspieszenie przejścia laminarno-turbulentnego opóźnienie lub wymuszenie oderwania przepływu zmniejszenie lub zwiększenie poziomu turbulencji przepływu
Sterowanie przepływem Aktywne (wymaga dostarczenia energii z zewnątrz) Pasywne (nie wymaga dostarczenia energii z zewnątrz) Zdefiniowane aktywne sterowanie przepływem (stałe lub zmienne oddziaływanie na przepływ niezależnie od stanu tego przepływu) Reakcyjne aktywne sterowanie przepływem (bieżąca modyfikacja sterowana w oparciu o pomiary stanu przepływu) Sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym Sterowanie ze sprzężeniem do przodu
Sterowanie przepływem Sterowanie przepływem laminarnym Sterowanie przepływem turbulentnym Naturalne (pasywne) sterowanie przepływem laminarnym (odpowiednie zaprojektowanie profili) Aktywne sterowanie przepływem laminarnym (np. odsysanie warstwy przyściennej) Hybrydowe sterowanie przepływem laminarnym (połączenie naturalnego i aktywnego sterowania)
Sterowanie warstwą laminarną Aktywne sterowanie laminarną warstwą przyścienną w locie na samolocie F-94 Kompresor Szczeliny zasysające 1.17 m 2.28 m
Wielofunkcyjny system zasysająco-czyszczący zamontowany w pobliżu krawędzi natarcia samolotu Jet Star Zasysanie Dźwigar skrzydła s-tu Jet Star Zasysanie oraz ochrona przeciwoblodzeniowa i przeciw zanieczyszczeniom przez owady Zasysanie
minimalna krytyczna liczba Reynolds`a Sterowanie poprzez zmianę temperatury przepływu współczynnik temperatury = Tw T
Dla małych lub średnich wartościami liczb Reynolds a (Re = 0.2 2*10 6 ). Bezpośrednie oddziaływaniu na przejście laminarno-turbulentne poprzez wibracje powierzchni z częstotliwością rezonansową w stosunku do częstotliwości przepływu w pęcherzu. W rezultacie pęcherz ulega zmniejszeniu a opór spada. Granica warstwy przyściennej Przejście Przepływ niezaburzony Warstwa laminarna Warstwa turbulentna Oderwanie Wir Dołączenie przepływu
Sterowanie przepływem przy użyciu plazmowych wzbudników. Po przyłożeniu wysokiego napięcia (rzędu 10 20 kv) na powierzchni profilu za przednią elektrodą tworzy się obszar zjonizowanego gazu (plazma). W efekcie asymetrycznej konfiguracji elektrod jony przyspieszają w kierunku przepływu, zmieniając rozkład prędkości w laminarnej warstwie przyściennej. przepływ wymuszony przepływ dielektryk elektroda zewnętrzna napięcie zmienne elektroda pod powierzchnią
Sterowanie warstwą turbulentną Generatory wirów Profil prędkości bez generatorów wirów Generator wirów Wir wytworzony przez generator Profil prędkości z generatorami wirów
Współ-rotacyjne skrzydełkowe generatory wirów umieszczone na skrzydle samolotu Harrier.
Kontr-rotacyjne skrzydełkowe generatory wirów umieszczone na skrzydle samolotu Cessna
Wiry tworzące się na pasmach samolotu FA-18 na dużych katach natarcia
Zastosowanie generatorów wirów na dachu samochodu osobowego generatory wirów
Symulacja mikro generatorów wirów na kombinezonie panczenisty
Kask z wgłębieniami i generatorami wirów
Wizualizacja dymowa narciarza z generatorami wirów umieszczonymi na kasku
SYNTHETIC JET wytworzenie pulsującego strumienia powietrza zasysanego i wydmuchiwanego z otworów lub szczelin wykonanych w opływanej powierzchni W rezultacie wytwarza się seria cyklicznych wirów, które interferując z przepływem wytwarzają pasmo wirów przyklejonych do opływanej powierzchni pierścień wirowy otwór Oscylująca membrana
MIKRO ROWKI wprowadzają zaburzenia małej skali (z reguły w postaci mikro struktur wirowych), które porządkują często bardzo chaotyczny przepływ w tej warstwie czyniąc go bardziej odpornym na oderwanie 200 rowków
Oderwanie Gładka piłka Gruby ślad Laminarna warstwa przyścienna Przejście laminarno-turbulentne Turbulentna warstwa przyścienna Piłka z wgłębieniami Oderwanie Cienki ślad Laminarna warstwa przyścienna
Numeryczny model opływu piłki golfowej z wklęśnięciami przy V = 40 m/s (bez uwzględnienia ruchu wirowego)
Opływ profilu z płytką Gurney a Krawędź spływu profilu Pęcherz oderwania Przepływ odchylony w kierunku klapki Klapka Gurney`a Dwa wiry kontrrotacyjne
Sterowanie opływem przy użyciu drgającej klapki Poprawa własności aerodynamicznych śmigłowca poprzez : - zmniejszenia poziomu drgań tej łopaty - poprawy osiągów śmigłowca - obniżenia poziomu hałasu wirnika poprzez osłabienie skutków oddziaływania wirów spływających z łopaty na opływ innych łopat.
cz Okresowej zmianie kąta natarcia towarzyszą zmiany w opływie podwyższające wartość krytycznego kąta natarcia. Zjawisko to nosi nazwę przeciągnięcia dynamicznego. 1.4 badania statyczne badania dynamiczne 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Mach = 0.4 alfa m = 15.0 f = 5Hz dalfa = ±5-0.2 8 10 12 14 16 18 20 22 alfa
cmy 0.05 badania statyczne badania dynamiczne 0.025 0-0.025-0.05-0.075-0.1-0.125 Mach = 0.4 alfa m = 15.0 f = 5Hz dalfa = ±5 8 10 12 14 16 18 20 22 alfa
Dynamiczne przeciągnięcie na profilu
1.6 Cz 1.4 1.2 3 1 1 0.8 2 0.6 0.4 0.2 0-0.2-0.4 20 a d (deg) 10 4 M = 0.4, f = 349 0, a 0 = 4 0, d 0 = 0 0 oscylacje profilu i klapki, Dd=5 0 oscylacje profilu i klapki, Dd=10 0 oscylacje profilu i klapki, Dd=15 0 badania statyczne 2 6 10 14 18 4 8 12 16 2 3 a 4 0-10 -20 1 a d(dd=5 0 ) d(dd=10 0 ) d(dd=15 0 ) 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2 Czas (s)
Strumieniowe generatory wirów Zastosowanie strumieniowych generatorów wirów (VGJ) do sterowania warstwą przyścienną po raz pierwszy zostało zaproponowane przez R.A.Wallis-a w roku 1952 jako alternatywa dla tradycyjnych skrzydełkowych generatorów. Zasada działania tego typu generatory wirów, polega na wypuszczaniu małych strumieni powietrza z górnej powierzchni profilu odpowiednio ustawionych względem przepływu na profilu. Wzajemne oddziaływanie pomiędzy tymi strumieniami powietrza a przepływem na profilu generuje dobrze zorganizowane struktury wirowe, które są w stanie przeciwstawić się niekorzystnemu gradientowi ciśnienia pojawiającemu się na górnej powierzchni przy wyższych kątach natarcia. W rezultacie, mamy do czynienia z opóźnieniem zjawiska oderwania przepływu.
Rys. 1 Generowanie wirów na profilu
Skuteczność działania strumieniowych generatorów wirów uzależniona jest od prawidłowego ich zaprojektowania, czyli właściwego doboru najważniejszych jego parametrów, takich jak: kształt i wielkość dysz oraz ich usytuowanie na profilu kąty przekoszenia i pochylenia strumieni powietrza wychodzących z dysz względem przepływu niezakłóconego wydatek powietrza wypływającego z dysz generatorów liczba Reynolds a strumieni powietrza wychodzących z dysz stosunek wymiaru dysz do grubości warstwy przyściennej stosunek prędkości strumienia do prędkości przepływu niezakłóconego
1.6 Cz 1.2 M = 0.05 Oznaczenia bez nadmuchu Q m =4.5x10-4 kg/s (~40m/s) Q m =6.2x10-4 kg/s (~51m/s) Q m =8.4x10-4 kg/s (~63m/s) Q m =11.7x10-4 kg/s (~79m/s) =60 o 0.8 0.4 0-5 0 5 10 15 20 25 deg
0.3 Cx 0.2 Oznaczenia bez nadmuchu =30deg =60deg =75deg M = 0.075 0.1 0-5 0 5 10 15 20 25 Alfa deg
Samo-zasilające się strumieniowe generatory wirów Vj
Cx 0.2 0.16 M = 0.3 profil gladki z samozsilajacymi sie generatorami wirów 0.12 0.08 0.04 0-4 0 4 8 12 16 deg
1.2 Cz M = 0.05 =60 o =30 o 0.8 0.4 0 Oznaczenia bez nadmuchu generatory samo-zasilajace sie Q m =2.1x10-4 kg/s (~27m/s) nadmuch ze sprezarki Q m = 4.5x10-4 kg/s (~40m/s) -5 0 5 10 15 20 25 deg
Wnioski koncepcja sterowania przepływem przy wykorzystaniu szeregu różnych metod jest obecnie przedmiotem intensywnych badań w wielu laboratoriach na świecie. zaproponowane samo-zasilające strumieniowe generatory wirów w porównaniu do konwencjonalnych strumieniowych generatorów wirów odznaczają się prostotą rozwiązania, gdyż nie wymagają żadnych dodatkowych urządzeń zasilających je powietrzem. ponadto są one niewiele mniej skuteczne w działaniu w porównaniu do obecnie stosowanych rozwiązań i umożliwiają opóźnienie oderwania przepływu (wzrost wartości Cz max, wzrost krytycznego kąta natarcia kr, ). w zakresie podkrytycznych kątów natarcia zastosowanie samo-zasilających strumieniowych generatorów wirów nie powoduje istotnych zmian w wartościach współczynnika oporu oraz współczynnika momentu.
Dziękuję za uwagę