شبیه‌سازی عددی اثرات تداخل ملخ/بال در آیرودینامیک هواپیمای دو موتوره

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی / مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

2 عضو هیات علمی / گروه هوافضا، دانشکده انرژی های تجدید پذیر، دانشگاه صنعتی ارومیه

چکیده

در این تحقیق اثرات تقابلی جریانات چرخشی پشت ملخ روی آیرودینامیک هواپیمای دو موتوره مورد بررسی قرار گرفته است. در هواپیماهایی که از ملخ‌های گام متغیر استفاده می‌کنند، تغییر در گام ملخ در شرایط پروازی مختلف، که شامل فازهای برخاست، اوجگیری، کروز و کاهش ارتفاع و نشستن است، باعث تغییر در الگوی توزیع فشار روی بال و دم هواپیما شده و نیروها و گشتاورهای مختلفی بوجود می‌آورد. لذا هماهنگ‌سازی و یکپارچه‌سازی نیروی جلوبرندگی موتور/ملخ با عملکرد هواپیما اهمیت زیادی در طراحی هواپیماهای ملخی دارد. ضرایب آیرودینامیکی و دینامیک پروازی هواپیما که از شرایط موتور-خاموش استخراج می‌شوند با حالت موتور-روشن و با چرخش ملخ، تفاوت داشته و این اختلاف، موجب تغییر در حالات تریم و کنترل‌پذیری هواپیما می‌شود. جهت بررسی میزان تغییرات ضرایب آیرودینامیکی، از دینامیک سیالات عددی استفاده شده و در سرعت‌ها و شرایط پروازی مختلف، نیروها و گشتاورهای هواپیما در حالت موتور روشن و در زوایای مختلف گام ملخ، محاسبه شده‌ و با هم مقایسه شده‌اند. برای اعتبارسنجی نتایج، مقادیر نیروهای برآ محاسبه شده از شبیه‌سازی عددی با نتایج حاصل از روابط نیمه‌تجربی بر پایه تست تونل باد، مقایسه شده است. بعد از اطمینان از صحت مقادیر نیروها و گشتاورها، با داشتن میدان جریان مدلسازی شده، اثرات تغییر گام ملخ روی ضرایب و مشتقات آیرودینامیکی و دینامیک پروازی مورد تحلیل قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که ضریب برآی هواپیما در حالت موتور روشن، تقریبا 10 درصد بیشتر از مقدار آن در حالت موتور خاموش است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

numerical simulation of wing /propeller interaction effects in aerodynamics coefficient of twin engine aircraft.

نویسندگان [English]

  • Hamid Reza Ebrahimi Kebria 1
  • Morteza Bayati 2
1 Department of Aerospace, maleke ashtar university of technology
2 department of aerospace, urmia university of technology
چکیده [English]

In this paper, the interaction effects of the rotational flows on aerodynamic efficiency of propeller for a twin engine aircraft are investigated. Variable pitch propellers allow us to change the propeller pitch angle at different flight phase (i.e. take off, climb, cruise, and landing) and thus it change the pressure distribution and aerodynamic loads on a wing and horizontal stabilizer. Therefore, in the design process the integration of engine-propeller thrust with aircraft performance is an important subject. The aerodynamic coefficient is in the case of power-off engine and different than the case where the engine is powered-on. This difference, changes the trim conditions and aircraft controllability. In this work, to evaluate the change of aerodynamic coefficient, the computational fluid dynamic (CFD) in steady form is implemented accordingly, the comparisons are made for different speeds and flight conditions at different propeller pitch settings. The validation is therefore performed based on the comparison of simulated lift against the semi empirical data from wind tunnel test. Furthermore, the effects on aerodynamic coefficient, stability and control derivatives are analyzed.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Interaction
  • aerodynamic coefficient
  • power off
  • power on
  • propeller rotation
[1] L. Prandtl, Mutual influence of wings and propeller, NACA Technical Report, no. 74, Extract of the first report of the goettingen aerodynamic facility,Chap. IV, section 6, 1921.
[2]  L.R. Miranda and J.E. Brennan, Aerodynamic effects of wing tip mounted propellers and turbines, AIAA Journal, 86-1802, pp. 221-228 , 1986,.
[3] R.E. Kuhn and J.W. Draper, Investigation of the aerodynamic characteristics of a model wing-propeller combination and of the wing and propeller separately at angles of attack up to 90, NACA Technical Report 1263, 1956.
[4] L.L.M. Veldhuis and P.M. Heyma, Aerodynamic optimisation of wings in multi-engined tractor propeller arrangements, ICAS-2000-2.6.4, 2000.
[5] D. Favier, C. Maresca, C. Barbi and G. Fratello, Experimental and Numerical study of the propeller/fixed wing interaction, AIAA Journal- 88-2571, 1988.
[6] I. KROO, Propeller-wing integration for minimum induced loss, Journal of Aircraft, vol. 23, no. 7, pp. 561-565, 1986.
[7] R. Jeracki and G. Mitchell, Low and high speed propellers for general aviation- performance potential and recent wind tunnel test results, SAE Technical Paper 811090, 1981.
[8]  G. Luursema, Comparison of an actuator disk and blade modeling approach in Navier-Stokes calculations on the SR-3 propfan, MSc. Thesis, Fac. of Aerospace Engineering, Delft University of Technology, 1999.
[9] W.M. Eric Roosenboom, A. Stürmer, and A. Schröder, Advanced experimental and numerical validation and analysis of propeller slipstream flows, Journal of Aircraft, vol. 47, no. 1, pp. 284-291, 2010.
[10] D. Ragni, B. W. van Oudheusden, F. Scarano, Non-intrusive aerodynamic loads analysis of an aircraft propeller blade, Journal of Experimental Fluids, vol. 51, pp. 361–371, 2011.
[11] P. Ruchała, Aerodynamic interference between pusher propeller slipstream and an airframe – literature review, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 24, No. 3, 2017.
[12] H. Aminaei, M. Dehghan Manshadi, A. Mostofizadeh, Numerical estimation of the wing boundary layer transition in propeller flowfield, Modares Mechanical Engineering 2017, Vol. 17, No. 2, pp. 157-165, 2017.
[13] H. Aminaei  A.R. Mostofizadeh,  M. Dehghan Manshadi, Experimental and numerical study of wing boundary layer behavior in propeller flowfield, Journal of Visualization, Vol. 22, No. 2, 2019.
[14] K. Wang, Z. Zhou, X. Zhu, X. Xu, Aerodynamic design of multi-propeller/wing integration at low Reynolds numbers, Aerospace Science and Technology, Vol. 84, pp. 1-17, 2019.
[15] X. Chena, Z. Zhou, Propeller-wing coupled aerodynamic design based on desired propeller slipstream, Aerospace Science and Technology, Vol. 97, pp. 1-16, 2020. 
[16] geboren te Denekamp, Propeller wing aerodynamic interference, Ph.D. dissertation, Technische Universiteit Delft, 2005.
[17] B.J. Holmes, R.H. Howard and S.J. Miley, An investigation of the effects of the propeller   layer, SAE paper 850859, 1985.
[18] L.L.M. Veldhuis, Experimental analysis of tractor propeller effects on a low aspect ratio semi-span wing, International Conference on Aerospace Science and Technology and the Sixth Australian Aeronautical Conference, vol. 2, pp. 491-498, Melbourne, 20-23 March 1995.
[19] R. Smelt and H. Davies, Estimation of increase in lift due to a slipstream, ARC R&M 1788, 1937.
[20] A. Jameson, The analysis of propeller wing flow interaction, analytic methods in aircraft aerodynamics, NASA SP-228, pp. 721-749, 1969.
[21] H.D. Fowler, Determination of the infuence of propeller thrust on CL and CD of an airplane using a triple-slotted flap at various defections, SAE Paper 690724, 1969.
[22] R.L. Marr, A method for analyzing power-on Static Longitudinal Stability, SAE Paper 700238, 1970.
[23] Chester H. Wolowicz, Roxanab B. Yancey, Longitudinal aerodynamic characteristics of light, twin-engine, propeller-driven airplans, Flight Research center Edwards, calif. 93523, NASA TR June 1972.
[24] M. Rostami, S. A. Bagherzadeh, Development and validation of an enhanced semi-empirical method for estimation of aerodynamic characteristics of light, propeller-driven airplanes, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part G Journal of Aerospace Engineering, Vol. 232, No. 4, pp. 638-648, 2016.