تحلیل جریانهای گردابی روی بالهای دلتای پهن

تحلیل جریانهای گردابی روی بالهای دلتای پهن

    چکیده

    آنچه در این مقاله گرد آوری شده است نتایج تحقیقات متعددی روی بالهای دلتا و بخصوص بالهای دلتای پهن است. هدف این مقاله تشریح جریان های گردابی ناپایدار بالهای دلتای پهن بر اساس نتایج آزمایشات ارائه شده در این تحقیقات است. در این آزمایشات از مجسم سازی جریان سطح استفاده شده است. نتایج این آزمایشها حاکی از آن است که عدد رینولدز تاثیر زیادی بر ساختار جریان های گردابی دارد. در اعداد رینولدز پایین تجزیه ورتکس های لبه حمله به طور قابل ملاحظه ای به تاخیر می افتد و ورتکس ها بیشتر به سمت مرکز صفحه بال شکل می گیرند. در زوایای حمله کوچک،  ورتکس دوم بطور موثری ورتکس اولیه را به دو تمرکز حالت گردابی می شکافد و باعث ایجاد یک سازه گردابی دوگانه می شود. در اعداد رینولدز بالاتر (در حدود ۳^۱۰´۴) جریان به یک حالت مماسی می رسد. فزایش بیشتر عدد رینولدز فقط موجب تغییرات کوچکی در موقعیت هسته ورتکس و تجزیه آن می شود. تجزیه ورتکس ضعیف در زوایای حمله کم، با افزایش زاویه حمله با یک تجزیه مخروطی جایگزین می شود.

 

    مقدمه

    جریان گردابی حول بالهای دلتای پهن ( L£۵۵° ) اخیرا" به موضوع جالب توجهی در آیرودینامیک تبدیل شده است. چنین بالهایی در طراحی وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین و وسایل نقلیه هوایی در ابعاد میکرو مورد استفاده قرار می گیرد. اگرچه مکان شناسی جریان روی بالهای باریکتر ( L³۶۵° )  بسیار مورد مطالعه قرار گرفته و به خوبی شناخته شده است جریان روی بالهای با زاویه عقب رفتگی کم، به ندرت مورد بررسی قرار گرفته است.

    تحقیقات اولیه در این زمینه گزارش می کند که برای زوایای عقب رفتگی °۵۵ و °۴۵ هسته ورتکس بسیار ناپایدار بوده و تشخیص تجزیه ورتکس مشکل است. برای با ل با زاویه عقب رفتگی°۵۰ تجزیه ورتکس تنها در منطقه ای نزدیک به نوک بال دیده می شود و برای بال با زاویه عقب رفتگی°۴۵ محل تجزیه ورتکس اگرچه بسیار نزدیک به نوک با ل است، قابل تشخیص نیست. 

    بر اساس آنچه در مرجع شماره ۱ ارائه شده است، برای بالی با زاویه عقب رفتگی ۵۰ درجه با وجود اینکه در اعداد رینولدز بالا ورتکس های لبه حمله به سرعت تجزیه می شوند، در اعداد رینولدز پایین (در حدود  ۳^۱۰´۸ ) ورتکس های مشخصی به خوبی قابل مشاهده هستند. در اعداد رینولدز پایین ورتکس ها بسیار نزدیک به سطح بال شکل می گیرند و اثر متقابل لایه مرزی و ورتکس مهم می شود.

    شواهد نشان می دهد که در اعداد رینولدز بالا، حتی در زوایای حمله کوچک تجزیه ورتکس در نزدیکی نوک بال اتفاق می افتد. با وجود اینکه انتظار می رود تفاوت های اساسی با تجزیه ورتکس های بالهای باریک وجود داشته باشد، نتایج نشان دهنده جریانی بسیار ناپایدار روی بال است. با افزایش زاویه حمله، تجزیه ورتکس به لبه بال می رسد و لایه های برشی جدا شده شکل غالب جریان را تشکیل می دهند. اطلاعات بسیار اندکی از ساختار و خصوصیات پدیده جریان ناپایدار حول بال های دلتای پهن در دست است. بیشتر دانش موجود درباره جریانهای گردابی به ورتکس بالهای باریک مربوط می شود.

     

بررسی جریانهای گردابی روی بال دلتا

    برای بررسی جریان حول بالهای دلتای پهن و پاسخ ضربه آنها آزمایشات بسیاری انجام شده است که در ادامه به تشریح یکی از آنها و نتایج حاصل از آن می پردازیم.]۲ [

    این آزمایش در یک تونل باد مدار بسته سرعت بالا با مقطع آزمایشی به ابعادm   ۱۳/۲ × ۵۷/۱ انجام گرفته است و از یک مدل بال صلب با زاویه عقب رفتگی لبه حمله ۵۰ درجه با وتری به طول mm ۴۵۷ و نسبت ضخامت به وتر۶/٣ % استفاده شده است. واضح سازی جریان با استفاده از نوعی رنگ پودری فلورسنت نرم که به نسبت ۱ به ۲ با پارافین مخلوط شده است انجام گرفته است. 

تصاویر شکل ۱ ورتکس های تولید شده روی بال را در زاویه حمله حدود ۵ درجه برای سه عدد رینولدز متفاوت، نشان می دهد.  تجزیه ورتکس های لبه حمله در  لبه فرار  با ل  برای        (۳^۱۰´ ۷/۸Re =) قابل مشاهده است. افزایش بیشتر عدد رینولدز باعث پیشروی تجزیه ورتکس ها به توجه به غیر حساس بودن ورتکسها و تجزیه ورتکسها به تغییرات عدد رینولدز در بالهای باریک، نتیجه غیر منتظره ای است. با افزایش عدد رینولدز تا حدود سه برابر مقدار قبلی (۴^۱۰´۶/۲Re = ) موقعیت تجزیه ورتکس به نزدیکی ۴۰% طول وتر می رسد. همچنین تحت این شرایط ورتکس دیگری خارج از ورتکس اولیه شکل می گیرد و یک ساختار ورتکس دوتایی را تشکیل می دهد. وجود این ورتکس دوتایی با روشهای محاسباتی نیز ثابت می شود.

 

 

 

       

 

 

 

 

 

 

شکل ۱ : مجسم سازی جریانهای گردابی در زاویه حمله ۵ درجه

 

    تصاویر ارائه شده در شکل ۳ نشان می دهد که در همه موارد, جفت ورتکسهای بیرونی زودتر از ورتکسهای اولیه تجزیه می شوند. در زوایای حمله نسبتاً کوچک و اعداد وینولدز پایین، این ساختار ورتکس دوتایی کاملا مشخص است . به عنوان یک مثال، شکل ٢ محیط مرئی حالت گردابی محوری ثابت را در صفحه عرضی جریان در٤/٠  برای٥/٧=α نشان می دهد. ورتکس اولیه به وضوح به صورت تمرکز بزرگی از گردابه که مرکزش در حدود٥/٠  قرار داد نشان داده می شود دیده می شود.

جدایش دوم به صورت یک منطقه گردابی، با علامت منفی، درست خارج ورتکس اولیه مشخص می شود. همچنین این تصویر به وضوح ساختار ورتکس دوتایی را ، با یک تمرکز حالت گردابی سوم، با اثری نامتناقض با ورتکس اولیه ولی به طور قابل ملاحظه ای ضعیف تر، درست خارج ورتکس دوم نشان می دهد. خارج این یک منطقه حالت گردابی پخش آمیخته با لایه برشی جدا شده قرار دارد.

 

 

 

 

 

 

 

شکل ۲ : نمایش ساختار ورتکس دوتایی میدان گردابی در عرض جریان

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل ۳: مجسم سازی جریانهای گردابی در٤ˆ۱۰×۳/۱ Re = برای زوایای حمله متفاوت

 

ورتکس های همگرد دوتایی روی بال با زاویه عقب رفتگی ^o۶۰ هواپیمای F-106B مشاهده می شوند. ساختار جریان گردابی به شدت تحت تاثیر عدد رینولدز قرار دارد.

یک لایه منفرد تمرکز گردابه در اعداد رینولدز خیلی پایین (در حدود چند هزار) مشاهده می شود، و ساختار ورتکس دوگانه وجود ندارد. با افزایش عدد رینولدز تقابل قابل توجه بین لایه مرزی و ورتکس اولیه باعث ایجاد این ساختار ورتکس دوگانه می شود. همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است, با افزایش بیشتر عدد رینولدز, ورتکس ضعیف تر مشخصاً زودتر از ورتکس اولیه شروع به از بین رفتن می کند. پارامتر مهم دیگری که ساختار جریان گردابی را تحت تأثیر قرار می دهد زاویه حمله است همانطور که در شکل ۳ برای ٤ˆ۱۰×۳/۱  نشان داده شده است, مشاهده می شود که تجزیه ورتکس لبه حمله همچنانکه زاویه حمله بال افزایش می یابد, به جلو منتقل می شود. همانطور که قبلاً مشاهده شد, در تمام این موارد ورتکس ضعیف تر بالاتر از ورتکس اولیه تجزیه می شود. با افزایش زاویه حمله, لایه گردابی بیش از پیش دورتر از بال و لایه مرزی واقع می شود و بنابراین ساختار ورتکس دوتایی به نظر کمتر قابل توسعه می رسد, شاهد این مطلب شکل گیری ضعیف تر ورتکس های خارجی در زوایای حمله بیشتر است. خصوصیت جالب توجه دیگر وقوع تجزیه روی بال در٥/٢  بود. در چنین زاویه حمله کوچکی انتظار دیده شدن تجزیه, به خصوص اینقدر در جلوی بال نمی رود. در مقایسه با ورتکس های روی بالهای باریک, تجزیه زود هنگام ورتکس ها در زوایای حمله کم می تواند بخاطر گرادیان فشار معکوس قویتر به دلیل لبه فرار باشد. در تمام موارد, تغییرات بزرگی در موقعیت تجزیه ورتکس اولیه دیده می شود.

تأثیرات بیشتر عدد رینولدز نیز شناسایی شده اند. با افزایش عدد رینولدز موقعیت هسته ورتکس به خارج بال منتقل می شود. یک اثر مشابه نیز روی بالهای باریکتر دیده می شود. Gharib and Ol در مقاله خود ] ١ [اظهار می کنند که  خصوصیات کیفی جریان, مثل موقعیت ورتکس اولیه, بطور قابل توجهی با تغییر عدد رینولدز ثابت است, حتی در رینولدزی به کمی۳ˆ۱۰×٢/۶ . اما مطابق آنچه در منبع شماره ٢ آمده است, انتقال واضح موقعیت ورتکس با تغییر عدد رینولدز در آزمایشهای انجام شده مشاهده شده است. در اعداد رینولدز بالاتر (در اندازه٤ˆ١٠×٣) جریان به یک حالت مجانبی می رسد, افزایش بیشتر عدد رینولدز تنها موجب تغییرات کوچکی در موقعیت هسته ورتکس و تجزیه می شود. مسیر ورتکس در اعداد رینولدز پایین به زاویه حمله حساسیت نشان می دهد و با افزایش عدد رینولدز این حساسیت کاهش می یابد. شکل ٤ جریان گردابی روی بال دلتا را در زوایای حمله مختلف نشان می دهد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل ٤ : تغییرات جریان روی بال دلتا با تغییر زاویه حمله

    نتیجه گیری :

    در این مقاله به بررسی جریانهای گردابی ناپایدار روی یک بال دلتای پهن با زاویه عقب رفتگی ۵۰ درجه پرداختیم. آنچه مسلم است ساختار جریان های گردابی تحت تاثیر عدد رینولدز قرار دارد. در اعداد رینولدز پایین، تجزیه ورتکس های لبه حمله بطور قابل ملاحظه ای به تاخیر می افتد و ورتکس ها بیشتر داخل بال شکل می گیرند. در زوایای حمله کوچک، ورتکس دوم ورتکس اولیه را به دو تمرکز حالت گردابی جداگانه می شکافد و باعث ایجاد ساختار ورتکس دوگانه می شود. در زوایای حمله بزرگتر، این ساختار ورتکس دوگانه از بین می رود و تنها یک ورتکس اولیه دیده می شود. در اعداد رینولدز بالاتر (در حدود۴^۱۰×۳) جریان به یک حالت مماسی می رسد. افزایش بیشتر عدد رینولدز تنها موجب تغییرات اندکی در موقعیت هسته ورتکس و تجزیه می شود.

    حتی در زوایای حمله کوچک در حد چند درجه، جریانهای گردابی به همراه تجزیه ورتکس وجود دارند اما تجزیه ورتکس ضعیف و شناسایی آن دشوار است.