بهبود ضرایب آیرودینامیکی ایرفویل نوسانی در واماندگی دینامیکی با استفاده از عملگر پلاسمایی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد / دانشگاه صنعتی مالک اشتر

2 عضو هیات علمی / دانشگاه صنعتی مالک اشتر

چکیده

یکی از روش‌های نوین در زمینه کنترل جریان فعال استفاده از عملگر پلاسمایی است که به وسیله تزریق مومنتوم به لایه مرزی سبب جلوگیری از جدایش جریان می‌شود. هدف از این تحقیق، بررسی عددی استال دینامیکی روی ایرفویل 0012NACA در حالت نوسان پیچشی و برخی عوامل مؤثر بر آن در حضور عملگر پلاسمایی و بدون آن است. این عوامل فرکانس نوسان، دامنه نوسان و عدد رینولدز می‌باشند. همچنین ساختار میدان جریان و گردابه‌های ایجاد شده نیز برای درک بهتر چگونگی رخداد این پدیده مورد بررسی قرار گرفته است. مدلسازی به صورت دو بعدی و مدل آشفتگی مورد استفاده k-ω SST می‌باشد. از نتایج حاصله مشاهده می‌شود، زمانی که عملگر پلاسما حضور ندارد، با افزایش دامنه نوسان و فرکانس نوسان، واماندگی دینامیکی در زوایای حمله بالاتری اتفاق می‌افتد. همچنین با افزایش عدد رینولدز، ضریب لیفت ایرفویل کاهش یافته و حلقه هیسترزیس نمودار ضریب لیفت بر حسب زاویه حمله کوچکتر می‌شود. اما در حضور عملگر پلاسمایی، استال دینامیکی اتفاق نمی‌افتد و ضرایب آیرودینامیکی بهبود می‌یابد. با بررسی ساختار جریان مشاهده می‌شود که عامل اصلی پدیده واماندگی دینامیکی تشکیل یک سری گردابه‌های کم فشار در لبه حمله و فروریزش این گردابه‌ها به سمت انتهای ایرفویل و در نتیجه جدایش آنها از سطح ایرفویل می‌باشد. پس از گردابه اولیه، گردابه ثانویه‌ای تشکیل می‌شود که موجب افزایش ناگهانی ضریب لیفت می‌گردد. اما زمانی که عملگر پلاسما روشن می‌شود، جدایش جریان به تاخیر افتاده و قدرت و اندازه گردابه کاهش بسیاری یافته است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Improve aerodynamic coefficients on dynamic stall oscillating airfoil by using Plasma Actuator

نویسندگان [English]

  • gholamreza abdizadeh 1
  • sajad ghasemloo 2
1 Malek-Ashtar University of Technology
2 Malek-Ashtar University of Technology
چکیده [English]

Plasma actuator is one of the newest devices in flow control techniques which can delay sepration by inducing external momentum to the boundary layer of the flow. The purpose of this paper, Dynamic stal behavour of a NACA0012 airfoil undergoing pitching motion has been studied by a numerical approach in the present and without plasma actuator. The oscillation frequency and amplitude and the Reynolds number were found to be the major contributors in dynamic stall. The flowfield structure and the associated vortices for this airfoil as well as the impact of the oscillation frequency on aerodynamic efficiency were also studied. The simulations were two dimensinal and the k-ω SST turbulence model were utilized for the present analysis. The results show that in without plasma actuator increasing the oscillation frequency and amplitude, postpones the dynamic stall to higher angles of attack. Furthermore, as increasing the Reynolds number, both the lift coefficient and the width of the associated hysteresis loop decrease. But when plasma actuator is on, dynamic stall not happen and aerodynamic coefficients improved. The flow field structure revealed that the main cause of the dynamic stall is a series of low pressure vortices formed at the leading edge which shed into downstream and separate from the surface. A secondary vortex will then appear and increases the lift coefficient dramatically. But when plasma actuator is on, sepration is delay and power and size vortex much reduced.

کلیدواژه‌ها [English]

  • oscillating airfoil
  • dynamic stall
  • Plasma Actuator
  • Flow structure
  • vortex
[1]  E. Berton, D. Favier, M. Maresca, Embedded l.v. methodology for boundary-layer measurements on oscillating models, 28th Fluid Dynamics Conference AIAA, Snowmass Village: Colorado, pp. 97-125, 1977.
[2]  G. Martinat, M. Braza, Y. Hoarau, G. Harran, Turbulence modelling of the flow past a pitching NACA0012 airfoil, Journal of Fluids and Structures, Vol. 24, No. 8,  2008.
[3]  S. Wang, D. B. Ingham, M. Pourkashanian, Z. Tao, Numerical investigations on dynamic stall of low Reynolds number flow, Computers & Fluids, Vol. 39, No. 9, pp. 1529-1541, 2010.
[4] K. K. Y. Tsang, R. M. C. So, R. C. K. Leung, X. Q. Wang, Dynamic stall behavior from unsteady force measurements, Journal of Fluids and Structures, Vol. 24, No. 1, pp. 129-150, 2008.
[5]  M. H. Akbari, S. J. Price, Simulation of dynamic stall for a NACA0012 airfoil using a vortex method, Journal of Fluids and Structures, Vol. 17, No. 6, pp. 855-874, 2003.
[6]  W. Haase, V. Selmin, B.Winzell, Progress in computational flow–structure interaction: results of the project UNSI, supported by the European Union 1998-2000, First Edittion, pp. 177-186, Berlin: Springer, 2003.
[7] M.H. Akbari, S.J. Price, Simulation of Dynamic Stall for A NACA 0012 Airfoil Using A Vortex Method, Journal of Fluid and Structures, Vol. 3., No.2, pp.75-85, 2003.
[8] M.R. Amiralaei, H. Alighanbari, S. M. Hashemi, An investigation into the effects of unsteady parameters on the aerodynamics of a low Reynolds number pitching airfoil, Journal of Fluids and Structures, Vol. 26, No. 6, pp. 979–993, 2010.
[9] D. H. Kim, J. W. Chang, Low-Reynolds-number effect on the aerodynamic characteristics  of a pitching NACA0012 airfoil, Aerospace  Science  and  Technology, Vol. 32, No. 1,  pp.162–168, 2014.
[10] W. Shyy, B. Jayaraman, Y. Lian, Low  Reynold’s  number  flow  control  using  Dielectric  Barrier  Discharge  actuators, AIAA 37th  Fluid Dynamics Conference and Exhibit, Miami, 25-28 June, 2007.
[11] S. Mukherjee, S. Roy, Enhancement of Lift and Drag Characteristics of an Oscillating Airfoil in Deep Dynamic Stall Using Plasma Actuation, 50th AIAA aerospace sciences meeting including the new horizons forum and aerospace exposition, 2012.
[12] S. Walker, T. Segawa, Mitigation of flow separation using DBD plasma actuators on airfoils: A tool for more efficient wind turbine operation. Renewable Energy, Vol. 42, pp. 105-110, 2012.
[13] M. K. Phan, J. Shin, Numerical investigation of aerodynamic flow actuation produced by surface plasma actuator on 2D oscillating airfoil, Chinese Journal of Aeronautics, Vol. 29, No. 4, pp. 882-892, 2016.
[14] A. Salmasi, A. ShadAram, M. Mirzaei, A. Shams Taleghani, Numerical and Experimental Investigation on the effect of a plasma actuator on NLF0414 Airfoils’ Efficiency after the Stall, Modares Mechanical Engineering Journal, Vol. 12, No. 6, pp. 104- 116, 2013. (in Persian)
[15] J. Lei, F. Guo, C. Huang,  Numerical study of separation on the trailing edge of a symmetrical airfoil at a low Reynolds number, Chinese Journal of Aeronautics, Vol. 26, No. 4, pp. 918–925, 2013.
[16] F. Rezaei, E. Roohi, M. Pasandideh- Fard, Stall simulation of flow around an airfoil using LES model and comparison of RANS models at low angle of attack, Proceedings of The 15th Conference  On Fluid Dynamics, Bandar Abbas, Iran, December 18-20, 2013.
[17] F.  R. Menter,  Zonal  Two  Equation  k-ω  Turbulence  Models  for  Aerodynamic Flows, 24th Fluid Dynamics Conference AIAA, 0rlando: Florida, pp. 93-114, 1993.
[18] W. Shyy, B. Jayaraman, A. Anderson, Modeling of Glow-Discharge Induced Flow Dynamics, J. Appl. Phys., Vol. 92, No. 11, pp 6434-6443, 2002.