STEROWANIE OPŁYWEM KLAPKI PROFILU POPRZEZ NADMUCH FUNKCJONUJĄCY
W PĘTLI SPRZĘŻENIA ZWROTNEGO
Andrzej Krzysiak
Instytut Lotnictwa
e-mail: andkrzys@ilot.edu.pl
Streszczenie
Sterowanie przepływem poprzez nadmuch powietrza było przedmiotem wielu badań eksperymentalnych i obli- czeniowych. Dodatkowy nadmuch zwiększa prędkość przepływu w warstwie przyściennej opływanego obiektu, co skutkuje opóźnieniem oderwania przepływu, a tym samym podwyższeniem własności aerodynamicznych tego obiektu
.
W niniejszym pracy przedstawiono wyniki eksperymentalnych badań charakterystyk aerodynamicznych segmentu profilu z wychylaną klapą, której opływ był sterowany przy użyciu dodatkowego nadmuchu. Nadmuch powietrza zrealizowany został poprzez dysze umieszczone na krawędzi spływu części głównej profilu. Ciśnieniesta- tyczne mierzone w pobliżu krawędzi spływu klapy było sygnałem sterującym w układzie sprzężenia zwrotnego re- gulującym przepływem powietrza. Praca zrealizowana została w ramach projektu europejskiego „ESTERA”.Słowa kluczowe: aerodynamika stosowana
AN EXPERIMENTAL STUDY OF A SEPARATION CONTROL ON THE WING FLAP CONTROLLED BY CLOSE LOOP SYSTEM
Summary
Flow control by using an additional blowing has been a subject of the many experimental and computational re- search. The main task of an additional blowing is to increase the flow velocity in the airfoil boundary layer to de- lay the flow separation phenomenon and in result to improve the airfoil aerodynamic performance. This paper presents the results of wind tunnel tests of flow control using an additional blowing on the airfoil segment equipped with the movable flap. Blowing was realized through the set of nozzles located on the trailing edge of the main body of the air foil. Air flow through the nozzles was controlled by a set of the electromagnetic valves lo- cated inside the model. Pressures measured by sensors mounted on the flap surface created a control signal for a feedback system regulating flow through the nozzles. The work was performed under the European project
"ESTERA”.
Keywords: applied aerodynamics
1. WSTĘP
Aktywne sterowanie przepływem znalazło szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i techniki i w dalszym ciągu jest przedmiotem intensywnych eksperymentalnych i numerycznych badań w wielu ośrodkach naukowych na świecie [1-7]. Uzyskanie po- prawy efektywności działania lub zastąpienie konwen- cjonalnych metod sterowania obiektami poprzez stero-
wanie przepływem jest źródłem wymiernych korzyści.
Korzyści te można znacząco zwiększyć, stosując stero- wanie przepływem funkcjonujące w pętli sprzężenia zwrotnego.
Opracowano szereg różnych metod sterowania prze- pływem [1, 8], z których wiele znalazło już praktyczne zastosowanie. Jedna z metod aktywnego sterowania
przepływem polega na wykorzystaniu dodatkowego nadmuchu powietrza na opływaną powierzchnię. Odpo- wiednio ukierunkowany, dodatkowy, nadmuch powietrza zwiększa energię przepływu w warstwie przyściennej opływanej powierzchni, przyczyniając się do opóźnienia zjawiska oderwania przepływu. W rezultacie opóźnione- go oderwania przepływu i opóźnienia przeciągnięcia aerodynamicznego wzrasta maksymalna, możliwa do osiągnięcia, wartość siły nośnej. To przyczynia się do poprawy osiągów aerodynamicznych obiektu, na którym zastosowano sterowanie przepływem.
Z punktu widzenia efektywności sterowania przepły- wem poprzez dodatkowy nadmuch, istotnym zagadnie- niem staje się minimalizacja wydatku powietrza nie- zbędnego do takiego procesu sterowania. Używany do nadmuchu opływanej powierzchni wydatek powietrza powinien być utrzymywany na takim poziomie, aby niezależnie od aktualnych warunków opływu (zmieniają- cych się zarówno wraz ze zmianą konfiguracji obiektu, jak i ze zmianą warunków zewnętrznych opływu) uzy- skać przyklejony przepływ na tej powierzchni. Utrzyma- nie nieoderwanego przepływu przy zmieniających się warunkach opływu wymaga bieżącego śledzenia stanu warstwy przyściennej. Oznacza to konieczność zdefinio- wania parametru, którego zmiana wartości wskazywała- by na możliwość pojawienia się oderwania przepływu.
Minimalizacja wydatku powietrza niezbędnego do utrzymania pożądanego stanu warstwy przyściennej, na podstawie analizy jego bieżącego stanu, wymaga realiza- cji takiego procesu sterowania w pętli sprzężenia zwrot- nego.
Sterowanie przepływem funkcjonujące w pętli sprzę- żenia zwrotnego było przedmiotem szeregu badań za- równo numerycznych, jak i eksperymentalnych.
W badaniach numerycznych bieżąca analiza stanu warstwy przyściennej przy zmieniających się warunkach przepływu prowadzona była na podstawie rozwiązań analitycznych [9]. W badaniach eksperymentalnych sterowanie przepływem funkcjonujące w pętli sprzężenia zwrotnego realizowane było na podstawie mierzonej na bieżąco wartości fizycznej. Z reguły wykorzystywano do tego celu ciśnienie statyczne mierzone w określonych punktach na powierzchni badanego obiektu lub różnicę ciśnień występującą pomiędzy takimi punktami [10, 11].
W niniejszej pracy przedstawiono wyniki ekspery- mentalnych tunelowych badań sterowania przepływem na wychylanej klapie segmentu profilu NACA 0012 przy użyciu dodatkowego nadmuchu na tę klapę. Nadmuch realizowany był poprzez dysze umieszczone na krawędzi spływu części głównej segmentu profilu. Przepływ powietrza przez dysze regulowany był przez zespół dwupołożeniowych zaworów elektromagnetycznych umieszczonych wewnątrz modelu. Ciśnienie statyczne mierzone w pobliżu krawędzi spływu klapy było sygna- łem sterującym w układzie sprzężenia zwrotnego regulu- jącym przepływem powietrza.
2. TECHNIKA BADAŃ
2.1.TUNEL MAŁYCH PRĘDKOŚCI T-1
Tunel aerodynamiczny T-1, w którym prowadzone były badania, jest tunelem małych prędkości, ciągłego działania, o otwartej przestrzeni pomiarowej. Średnica przestrzeni pomiarowej tunelu wynosi 1.5 m, długość 2 m. Maksymalna prędkość powietrza w tunelu to 40 m/s, a minimalna - 15 m/s. Badania sterowania przepływem (funkcjonującym w pętli sprzężenia zwrot- nego) poprzez nadmuch powietrza na górną powierzch- nię wychylonej klapy przeprowadzono na segmentu profilu NACA 0012. Segment profilu umocowany był w przestrzeni pomiarowej tunelu w pozycji pionowej pomiędzy dwiema płytami brzegowymi o wymiarach 1495x1495 mm (rys.1). W każdej z płyt umieszczone były łożyska kulkowe dające możliwość zmiany kąta natarcia względem pionowej osi tunelu, w zakresie
∆α = ±45°.
Rys.1. Segment profilu NACA 0012 z ruchomą klapką w tunelu aerodynamicznym ∅1.5 m
Przed właściwymi badaniami wyznaczono kąt skosu strumienia w tunelu, wykorzystując symetrię profilu względem cięciwy. Następnie skorygowano pionowe ustawienie modelu o zmierzony kąt skosu strumienia w taki sposób, że cięciwa modelu profilu była równoległa do kierunku przepływu na zerowym kącie natarcia.
Za segmentem profilu umieszczono wzdłużną sondę umożliwiającą pomiary rozkładu ciśnienia spiętrzenia oraz ciśnienia statycznego w śladzie za tym modelem.
Uzyskany rozkład ciśnienia służył do pomiaru współ- czynnika oporu profilu. Liczby Reynoldsa, Macha oraz prędkości przepływu niezakłóconego, przy których prowadzone były badania, przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Uzyskane w badaniach liczby M i Re oraz V∞
M 0.05 0.075 0.1
V∞ 18.3 m/s 25.9 m/s 34.4 m/s Re 0.6*106 0.84*106 1.12*106
2.2. BADANY MODEL
Badany segment profilu NACA 0012 z 30% klapą szczelinową był modelem kompozytowym, dwudźwiga- rowym, z szeregiem odejmowanych górnych pokryw i wolną przestrzenią wewnątrz modelu. Kształt szczeliny nie podlegał procesowi optymalizacji. Cięciwa modelu wynosiła c = 0.5 m, a rozpiętość d = 1 m. Dokładność wykonania powierzchni zewnętrznej modelu segmentu- profilu wynosiła ±0.05 mm (rys.2).
Rys.2. Segmentu profilu NACA 0012 z 30% klapą Ruchoma 30%-owa klapa szczelinowa zamontowana została do części głównej segmentu profilu na czterech konsolach umożliwiających jej wychylanie w zakresie δ = 00÷450 (rys. 3).
Rys.3. Część główna segmentu profilu z 4 konsolami mocują- cymi klapę oraz odsłoniętymi pokrywami
Ruch klapy z zadawaną prędkością zapewniał układ czterech serwomechanizmów (typu HS-7955TG) sprzę- żonych i zsynchronizowanych elektronicznie (poprzez Power Box System). Aktualne położenie kątowe klapki rejestrowane było za pomocą encodera CEV 58M SSI
(
rys.4).Rys.4. Serwomechanizm (z prawej) wraz z encoderem Do pomiaru rozkładu ciśnienia na górnej i dolnej powierzchni części głównej segmentu profilu oraz klapy wykonano łącznie ponad 100 otworków pomiarowych o średnicy 0.5 mm (rys.5).
Rys.5. Rozmieszczenie otworków pomiarowych na segmencie profilu z ruchomą klapą
Na części głównej segmentu profilu otworki pomia- rowe rozmieszczone zostały w jednym przekroju, leżą- cym wzdłuż cięciwy profilu pomiędzy osiami dyszek.
Natomiast na klapie, dla uzyskania pełniejszego rozkła- du ciśnienia, otworki pomiarowe rozmieszczono w czte- rech przekrojach, usytuowanych zarówno wzdłuż osi dyszek, jak i pomiędzy nimi. Wszystkie otworki pomia- rowe (z części głównej segmentu profilu oraz z klapy) połączone były igielitowymi rurkami z trzema elektro- nicznymi skanerami ciśnienia ESP-32HD, wchodzącymi w skład systemu pomiarowego „INITIUM”. Pomierzone rozkłady ciśnienia na profilu i klapie służyły do oblicze- nia charakterystyk aerodynamicznych profilu, tj. współ- czynników siły nośnej, siły oporu oraz momentu.
Segment profilu NACA0012 wyposażony został w rząd 12 zespołów dysz, usytuowanych na krawędzi spływu części głównej segmentu profilu (rys. 6). Dysze ustawione były w taki sposób, że wypływający z nich strumień powietrza skierowany był wprost w warstwę przyścienną tworzącą się na noskowej części klapy.
Rys.6. Usytuowanie dysz na segmencie profilu NACA 0012 Każdy zespół składał się z trzech dysz (o wymiarach 5.6 x 1 mm) zasilanych powietrzem z jednej komory.
Komory posiadały odpowiednio zoptymalizowaną geo- metrię wewnętrzną, umożliwiającą przepływ jednakowe- go wydatku powietrza przez każdą z trzech dysz (roz- wiązanie strzeżone patentem) - rys.7.
Rys.7. Ustawienie i kształt komór dyszowych
Komory dyszowe zasilane były powietrzem poprzez dwupołożeniowe zawory elektromagnetyczneMHE4- MS1H o regulowanej częstotliwości pracy zamontowane wewnątrz segmentu profilu.
Sprężone powietrze dostarczano do układu pneuma- tycznego, znajdującego się wewnątrz segmentu profilu,
ze sprężarki o maksymalnym wydatku powietrza 1100 l/min. W układzie zasilania umieszczono ponadto:
zbiornik wyrównawczy (o pojemności 1000l), zawór regulacyjny (proporcjonalny) oraz przepływomierz.
Schemat zasilania zaworów elektromagnetycznych powietrzem przedstawiono na rys. 8.
Rys.8. Schemat układu zasilania dwupołożeniowych zaworów elektromagnetycznych powietrzem
2.3. KONCEPCJA UKŁADU
STEROWANIA OPŁYWEM PROFILU FUNKCJONUJĄCYM W PĘTLI
SPRZĘŻENIA ZWROTNEGO
Podstawowym zadaniem, jakie miał do wykonania, funkcjonujący w pętli sprzężenia zwrotnego układ stero- wania opływem profilu poprzez nadmuch, polegało na utrzymaniu nieoderwanego przepływu na klapie profilu w trakcie jej wychylania. Badania eksperymentalne poprzedzono obliczeniami numerycznymi, które pokaza- ły, że przy planowanym całkowitym wydatku powietrza wydmuchiwanym przez dysze (około 120 m3/h), w całym zakresie badanych kątów wychylenia klapy (tj.
od δ = 00 do δ = 400),przepływ na klapie pozostaje nieoderwany. Zastosowane do sterowania przepływem zawory elektromagnetyczne były zaworami dwupołoże- niowymi, tj. były całkowicie zamknięte lub zapewniały pełny przepływ powietrza o określonym wydatku, regu- lowanym poprzez zawór proporcjonalny.
Sterowanie przepływem wymagało śledzenia na bie- żąco stanu warstwy przyściennej w opływie klapy.
Wieloletnie doświadczenia eksperymentalne i numerycz- ne prowadzone w Instytucie Lotnictwa wykazały, że parametrem, który określa stan warstwy przyściennej na górnej powierzchni profilu, tj. czy jest tam przepływ oderwany czy przyklejony, może być wartość ciśnienia statycznego (lub współczynnik tego ciśnienia Cp),mierzona na górnej powierzchni profilu w pobliżu krawędzi spływu. W przypadku przepływu przyklejone- go do powierzchni ciśnienie statyczne na spływie klapki ma wartość dodatnią, natomiast w przypadku przepływu oderwanego wartość ujemną. Porównanie rozkładów
ciśnienia na profilu NACA 0012 (z klapą wychyloną pod kątemδ = 400 przyα = 120 ) z nadmuchem powietrza na klapę (przepływ przyklejony) i bez nadmuchu powietrza (przepływ oderwany) przedstawiono na rys. 9. Na ry- sunku tym widać wspomniane różnice w wartościach ciśnienia statycznego w pobliżu krawędzi spływu klapy.
Rys.9. Porównanie rozkładów ciśnienia na profilu NACA 0012 z przepływem przyklejonym i oderwanym
Proponowany układ sterowania opływem profilu funkcjonujący w pętli sprzężenia zwrotnego przedstawiał się następująco:
• na wybranym stałym kącie natarcia segmentu profilu wychylano klapę (ze stałą prędkością ką- tową), mierząc na bieżąco rozkłady ciśnienia sta- tycznego (na powierzchni części głównej segmen- tu profilu oraz klapy), a także wybrane parame- try przepływu niezakłóconego (tj. ciśnienie cał- kowite oraz ciśnienie statyczne);
• zmierzona na powierzchni górnej w pobliżu kra- wędzi spływu klapy wartość ciśnienia statyczne- go, jak i parametry przepływu niezakłóconego, przekazywane były do elektronicznego układu sterującego (firmy Tech-Design), pomiaru doko- nywano co 2 ms;
• z określonej liczby próbek (z reguły dziesięciu lub dwudziestu) układ sterujący wyliczał średnią kroczącą wartość współczynnika ciśnienia (mie- rzonego w pobliżu krawędzi spływu klapy) oraz dokonywał analizy zmierzonej wartości, porów- nując ją z wartością zadaną;
• jeżeli obliczona wartość była niższa od wartości zadanej, co świadczyło o pojawieniu się oderwa- nia przepływu na klapie, układ sterujący wysyłał sygnał otwierający zawory elektromagnetyczne;
• otwarcie zaworów powodowało wypływ strumie- nia powietrza z dysz umieszczonych na krawędzi spływu części głównej segmentu profilu, a skie- rowany na górną powierzchnię klapy strumień powietrza dostarczał dodatkowej energii do war- stwy przyściennej na klapie, powodując przykle- jenie się przepływu, a tym samym powodował wzrost współczynnika siły nośnej profilu;
• przyklejenie się przepływu na klapie skutkowało wzrostem wartości współczynnika ciśnienia mie- rzonego w pobliżu krawędzi spływu klapy;
• jeżeli z porównania dokonywanego na bieżąco przez układ sterujący wynikało, że obliczona
M=0.1 ALFA = 12 DELTA = 40 -6
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
x/c Cp
przeplyw przyklejony przepływ oderwany
wartość współczynnika ciśnienia była wyższa od wartości zadanej, układ wysyłał sygnał zamyka- jący zawory elektromagnetyczne, zamknięcie za- worów powodowało wstrzymanie nadmuchu po- wietrza na klapę i spadek prędkości przepływu w warstwie przyściennej klapy, co sprzyjało po- nownemu oderwaniu się przepływu i objawiało się zmniejszeniem wartości współczynnika ciśnie- nia mierzonego w pobliżu krawędzi spływu kla- py.
Na rys. 10 przedstawiono schemat układu sterowania opływem klapki segmentu profilu funkcjonujący w pętli sprzężenia zwrotnego.
Zawory
regulujące wydatkiem powietrza przepływającego przez dysze
Zawory
regulujące wydatkiem powietrza przepływającego przez dysze
Czujniki pomiar ciśnienia na powierzchni klapy
Czujniki pomiar ciśnienia na powierzchni klapy
Układ sterujący Układ sterujący
Dodatkowe czujniki np. pomiar parametrów
przepływu Dodatkowe czujniki np. pomiar parametrów
przepływu
Rys.10. Schemat układu sterowania opływem klapki segmentu profilu funkcjonujący w pętli sprzężenia zwrotnego
3. WYNIKI BADAŃ
Eksperymentalne badania sterowania przepływem poprzez nadmuch powietrza na klapę segmentu profilu NACA 0012 przeprowadzono dwuetapowo. W pierw- szym etapie badano wpływ ciągłego nadmuchu powie- trza na charakterystyki aerodynamiczne profilu z klapą wychyloną pod określonym kątem. Badania wykonano dla następujących kątów wychylenia klapy δ = 100, 200, 300 oraz 400, przy różnych wydatkach powietrza płyną- cych przez dysze, VFR = 60÷ 140 m3/h.
W drugim etapie badań użyto układu sterującego zaworami elektromagnetycznymi, funkcjonującego w pętli sprzężenia zwrotnego, dzięki któremu regulowano wypływem powietrza z dysz (tj. zamykano lub otwierano zawory),w zależności od stanu warstwy przyściennej na klapie segmentu profilu (przepływ oderwany lub przykle- jony). W trakcie tych badań klapa segmentu profilu zmieniała swoje położenie (ze stałą prędkością kątową), z kąta wychylenia δ = 00 na kąt δ = 400, a następnie z powrotem na kąt δ = 00. Badania te wykonano dla szeregu wybranych kątów natarcia segmentu profilu (α
= 00,100 i 200), oraz przy prędkościach przepływu nieza- kłóconego odpowiadającego liczbom Macha M = 0.05, 0.075 i 0,1.
3.1. BADANIA WPŁYWU CIĄGŁEGO NADMUCHU POWIETRZA NA CHARAKTERYSTYKI AERODYNAMICZNE PROFILU
Na rys.10, przedstawiono wpływ wydatku powietrza wypływającego przez dysze na rozkład ciśnienia na profilu NACA 0012. Badania wykonano dla kąta natar- cia profilu α = 100, kąta wychylenia steru δ = 400 oraz dla liczby Macha przepływu niezakłóconego M = 0.1.
Rys.10. Wpływ wydatku powietrza wypływającego przez dysze na rozkład ciśnienia na profilu NACA 0012
Przeprowadzone badania wykazały, że nadmuch po- wietrza na klapę powoduje wzrost podciśnienia zarówno na górnej powierzchni klapy (w szczególności w pobliżu jej krawędzi natarcia), jak również w pobliżu krawędzi spływu części głównej segmentu profilu (efekt zasysania powietrza). Wskutek nadmuchu powietrza o zwiększają- cej się prędkości wypływu strumienia z dysz, do energe- tyzowana warstwa przyścienna zaczynała przyklejać się do powierzchni profilu, likwidując obszar oderwania przepływu na klapie. W efekcie wzrastała wartość współczynnika ciśnienia statycznego mierzonego na krawędzi spływu klapy. Tak jak już wspomniano, war- tość tego współczynnika była parametrem sterującym w układzie sterowania przepływem. Stwierdzono ponad- to, że przy wzroście wydatku powietrza płynącego przez dysze powyżej VFR 75 ÷ 85 m3/h wypływ powietrza likwiduje całkowicie oderwanie przepływu na górnej powierzchni klapki, a współczynnik ciśnienia na krawę- dzi spływu przyjmuje wartości dodatnie.
W efekcie likwidacji oderwania przepływu na klapce segmentu profilu wychylonej na kąt δ = 400 znacząco rośnie wartość współczynnika siły nośnej profilu. Na rys.
11. zaprezentowano wpływ nadmuchu powietrza (VFR = 120 m3/h) na współczynnik siły nośnej w funkcji kąta natarcia profilu dla kątów wychylenia klapy δ = 200, 300 i 400.
-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1
2
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
x/c Cp
VFR = 140 m3/h VFR = 112 m3/h VFR = 85 m3/h VFR = 73 m3/h VFR = 60 m3/h bez nadmuchu
Rys.11. Wpływ nadmuchu powietrza na współczynnik siły nośnej profilu w funkcji kąta natarcia profilu dla δ = 200, 300
i 400
Przeprowadzone badania eksperymentalne wykazały wysoką skuteczność działania nadmuchu na badaną klapkę segmentu profilu. I tak, dla kątów wychylenia klapki δ = 200 i 300i kątów natarcia α<αkrytyczny, nadmuch powietrza z dysz (o sumarycznym wydatku VFR = 120 m3/h) spowodował wzrost wartości współczynnika siły
nośnej o ∆Cz ≈ 0.45, a dla kąta wychylenia klapki δ = 400ten wzrost wyniósł∆Cz ≈ 0.7.
3.2. BADANIA STEROWANIA PRZE- PŁYWEM FUNKCJONUJĄCYM
W PĘTLI SPRZĘŻENIA ZWROTNEGO
W trakcie eksperymentalnych testów sterowania przepływem funkcjonującym w pętli sprzężenia zwrotne- go badano, między innymi, wpływ wartości współczyn- nika ciśnienia Cp, przy którym następuje otwarcie lub zamknięcie zaworów uruchamiających nadmuch na charakterystyki aerodynamiczne modelu profilu NACA 0012 oraz na wielkość zużytego wydatku powietrza. Na rys.12. zaprezentowano wpływ sterowania nadmuchem powietrza na współczynnik siły nośnej w trakcie zmiany kata wychylenia klapy, w zakresie δ = 00→ 400→ 00. Prędkość kątową klapy wynosiła ω = 1.4 ÷ 1.5 deg/s.
Badania wykonano dla prędkości przepływu niezakłóco- nego odpowiadającego liczbie Macha M = 0,1 i kącie natarcia profilu α = 100. W trakcie tych badań układ sterujący włączał nadmuch powietrza na klapę przy spadku wartości współczynnika ciśnienia poniżej Cp = 0 oraz wyłączał nadmuch przy wzroście jego wartości powyżej Cp = 0.
Rys.12. Wpływ sterowania nadmuchem powietrza, funkcjonują- cym w pętli sprzężenia zwrotnegona współczynnik siły nośnej Na następnych dziesięciu obrazach (rys. 13) przed- stawiono rozkłady ciśnienia na klapie oraz głównej części profilu (obszar spływowy), w poszczególnych chwilach czasowych, w trakcie działania systemu sterowania przepływem. Obrazy te zamieszczono w takiej kolejności, że pierwszy z nich przedstawia moment, w którym na górnej powierzchni klapy występuje oderwanie przepły- wu i system sterujący włącza nadmuch na klapę. Ostatni z tych obrazów przedstawia w przybliżeniu ten sam moment, lecz już w następnym cyklu działania systemu sterowania.
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
α[°]
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2
Cz
M = 0.1 δ = 20°
Dmuch (14) ; m= 0 m3/ h Dmuch (46) ; m=120 m3/ h
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
α[°]
0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 Cz
M = 0.1 δ= 30°
Dmuch (15) ; m=0 m3/ h Dmuch (45) ; m=120 m3/ h
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
α[°]
0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4
Cz
M = 0.1 δ = 40°
Dmuch (16) ; m=0 m3/ h Dmuch (38) ; m=120 m3/ h
Rys.13. Rozkłady ciśnienia na klapie oraz głównej części profilu (obszar spływowy) w funkcji czasu
4. WNIOSKI
Przeprowadzone badania segmentu profilu NACA 0012 z wychylaną klapą, której opływ był sterowany przy użyciu dodatkowego nadmuchu funkcjonującego w pętli sprzężenia zwrotnego, pozwoliły na wyciągnięcie następujących wniosków.
• Nadmuch powietrza na klapę segmentu profilu może być efektywnym narzędziem sterowania przepływem, umożliwiającym opóźnienie ode- rwania przepływu na tym profilu, a tym sa- mym wzrost jego maksymalnej siły nośnej.
W opisanych w niniejszym artykule badaniach, przy stałym nadmuchu powietrza na klapę, osiągnięto maksymalnie prawie 30% wzrost współczynnika siły nośnej profilu, przy wydat- ku wydmuchiwanego powietrza VFR = 120 m3/h.
• Istnieje możliwość istotnego zmniejszenia wy- datku powietrza zużywanego do nadmuchu klapy poprzez zastosowanie układu sterowania
przepływem funkcjonującym w pętli sprzężenia zwrotnego. Przeprowadzone badania wykazały, że wydatek powietrza zużywany do nadmuchu klapy zależny jest od wartości współczynnika ciśnienia, przy którym włączany i wyłączany jest nadmuch powietrza na klapę segmentu pro- filu. I tak, dla Cp = 0.0 zmierzona wielkość wydatku wynosiła, VFR = 68 m3/h a dla Cp = -0.4,VFR = 33 m3/h. Nie stwierdzono wpływu współczynnika ciśnienia na maksymal- ne osiągane wartości siły nośnej na profilu.
• W badaniach potwierdzono, że wartość współ- czynnika ciśnienia mierzonego na krawędzi spływu klapki segmentu profilu określa stan warstwy przyściennej na klapce (przepływ ode- rwany lub przyklejony) i może być parametrem sterującym w układzie sterowania przepływem funkcjonującym w pętli sprzężenia zwrotnego.
Zaprezentowane w niniejszym artykule rozwią- zanie sterowania przepływem jest chronione pa- tentem.
Praca zrealizowana została w ramach projektu europejskiego „ESTERA
-
CLEAN SKY”(Multi-level Embedded Closed-Loop Control System for Fluidic Active Flow Control Actuation Applied in High Lift and High Speed Aircraft Operations).Literatura
1. Gad-el-Hak M.: Flow control – passive, active, and reactive flow management. CambridgeUniversity Press, 2000.
2. Gad-el-Hak M.: Flow control - the future. “Journal of Aircraft” 2001, No. 38, p. 402 - 418.
3. Nishri A., WygnanskiI.: Effects of periodic excitation on turbulent flow separation from a flap. “AIAA Journal”
1998, No. 36, p. 547 - 556.
4. Melton L.P., Yao C.S., Seifert A.: Active control of separation from the flap of a supercritical foil. “AIAA Jour- nal”, 2005, No. 44, p. 34 - 41.
5. Seifert A., Greenblat D., Wygnanski I.: Active separation control: an overview of Reynolds and Mach numbers effects. “Aerospace Science and Technology” 2004, N0. 8, p. - 582.
6. Seifert A., Pack L.G.: Compressibility and excitation location effects on high Reynolds numbers active separation control. “Journal of Aircraft” 2003, No. 40, p. 110 - 126.
7. Krzysiak A., Narkiewicz J.: Aerodynamic loads on airfoil with trailing-edge flap pitching with different frequen- cies. “Journal of Aircraft” 2006, No.2, p. 407 - 418.
8. Krzysiak A.: Zastosowanie nowego rodzaju strumieniowych generatorów wirów do sterowania przepływem.
„Prace Instytutu Lotnictwa”, 2011, nr 212.
9. Alam M., Liu W., Haller G.: Close-loop separation control - an analytic approach. ”Physics of Fluids” 2006, No.
18, 043601.
10. Bright M., Culley D., Braunscheidel E., Welch G.: Closed loop active flow separation detection and control in a multistage compressor. NASA/TM—2005-213553
11. Allan B., Juang J., Raney D., Seifert A.:Closed-loop separation control using oscillatory flow excita- tion.NASA/CR-2000-210324, ICASE Report No. 2000-32
