Zastosowanie nowego rodzaju strumieniowych generatorów wirów do sterowania przepływem

• Autorzy: Krzysiak A.

Warianty tytułu

EN

Applications of a new concept of air jet vortex generators for flow control

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Praca jest podsumowaniem wieloletnich badań doświadczalnych prowadzonych przez autora niniejszej pracy nad zagadnieniem sterowania przepływem, w tym zwłaszcza przy wykorzystaniu strumieniowych generatorów wirów. W pierwszych rozdziałach pracy przedstawiono przegląd stanu wiedzy w obszarze sterowania przepływem. Przeglądu dokonano w oparciu o zaproponowany podział stosowanych technik sterowania, który bierze pod uwagę dominujący charakter sterowanego przepływu tj. laminarny lub turbulentny. W ramach tego przeglądu szczegółowiej omówiono dotychczasowe dokonania w dziedzinie sterowania przepływem przy użyciu strumieniowych generatorów wirów. Oryginalnym wkładem autora pracy w obszar stosowanych technik sterowania przepływem jest zaprezentowana pasywna metoda sterowania, przy użyciu samozasilających się strumieniowych generatorów wirów. W technice tej do wytwarzania wirów wykorzystuje się strumienie powietrza wyływające z dysz generatorów, powstające wskutek różnicy ciśnienia pomiędzy dolną a górną powierzchnią profilu. Technika ta jest znacznie prostsza w realizacji, w porównaniu do dotychczas stosowanych rozwiązań i jak wykazano, niewiele im ustępuje w dziedzinie skuteczności działania. W następnych rozdziałach omówiono wyniki eksperymentalnych badań podstawowych charaktetystyk aerodynamicznych modelu profilu NACA 0012, wyposażonego zarówno w dotychczas stosowane, konwencjonalne strumieniowe generatory, wirów (zasilane powietrzem ze spężarki), jak i proponowane samozasilające się strumieniowe generatory wirów (zasilane powietrzem z obszarów nadciśnienia). Badania zrealizowane zostały w dwóch tunelach aerodynamicznych Instytutu Lotnictwa. W ramach tych prac przeprowadzono badania wpływu wybranych parametrów konstrukcyjnych konwencjonalnych strumieniowych generatorów wirów na charakterystyki aerodynamiczne badanego profilu i dokonano optymalizacji tych parametrów, ze względu na skuteczność działania generatorów. W następnej kolejności przeprowadzono eksperymentalną weryfikację skuteczności działania proponowanych samozasilających się strumieniowych generatorów wirów, porównując skuteczność ich działania z dotychczas stosowanymi generatorami wirów. Uzupełnieniem tej weryfikacji była wizualizacja wirów tworzących się na górnej powierzchni profilu przy zastosowaniu obu typów generatworów. W przedostatnim rozdziale niniejszej pracy przedstawiono koncepcję podwyższenia skuteczności działania zaproponowanych samozasilających się strumieniowych generatorów wirów poprzez wytworzenie podwójnych sprzężonych ze sobą wirów. W ostatnim rozdziale pracy zaprezentowano wyniki eksperymentalnych badań nad zastosowaniem samozasilających się strumieniowych generatorów wirów do sterowania przeciągnęciem dynamicznym na łopacie odchodzącej wirnika śmigłowca.

EN

The work is recapitulation of years of experimental research conducted by the author of this work on the problem offlow control, especially with using air jet vortex generators. The first chapter presents an overview of the "state of art" basing on proposed classification of known control techniques, which takes into account the dominant nature of the controlled flow, i.e. laminar or turbulent The review discusses progress made in controlling the flow using air jet vortex generators. The passive flow control method with using self-supplying air jet-vortex generators, what is author's original contribution to the knowledge, is presented. Mention technique is used to produce vortices formed as a result of the pressure difference between the lower and upper airfoil surface. This technique is much simpler in implementation in comparison with the conventional solutions and as has been shown characterized with only a little less effectiveness. In subsequent chapters the results of experimental tests of basic aerodynamic characteristics of NACA 0012 airfoil model, equipped with both the previously used conventional air jet vortex generators (powered with air from compressor) as well as proposed, the self-supplying air jet vortex generators (powered with air from overpressure areas) are discussed. The tests were carried out in two wind tunnels of the Institute of Aviation. As part of this work the study of the influence of selected design parameters of conventional air jet vortex generators on the airfoil aerodynamic characteristics and the optimization of these parameters (due to the effectiveness of the generators) has been done. Next, the experimental verification of the effectiveness of the proposed self-supplying air jet vortex generator was performed by comparing their effectiveness with conventional vortex generators. The visualization of vortices formed on the upper surface of the airfoil using both types of generators was a supplement to this experimental verification. The penultimate chapter of this paper presents the concept of increasing the effectiveness of the proposed self-supplying air jet vortex generators by creating a dual coupled vortices. In the last chapter the results of experimental tests of the application of self-supplying air vortex generators to control the dynamic stall on retreating helicopter rotor blade are presented.

Słowa kluczowe

PL

zastosowanie; generatory strumieniowe; sterowanie przepływem; strumieniowe generatory wirów

EN

application; new concept of air jet vortex generators; flow control

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Prace Instytutu Lotnictwa
• Rocznik: 2011
• Tom: Nr 3 (212)
• Strony: 4--107
• Opis fizyczny: Bibliogr. 84 poz., rys., tab., wzory

Twórcy

autor

Krzysiak A.

• Instytut Lotnictwa, Aleja Krakowska 110/114, 02-256 Warszawa

Bibliografia

• [1] Prandtl L. Motion of Fluids with Very Little Viscosity, English Translation of Uber Flussigkeitsbewegug bei sehr kleiner Reibung,Third International Congress of Mathematicians at heidelberg, 1904, from Vier Abhandlungen zur Hydrodynamik und Aerodynamik, Gottingen, 1927, NACA TM-452, March 1928, pp. 1-8.
• [2] Betz A. (1961). History of boundary layer control in Germany. In: Lachmann G. V, editor. Boundary layer and flow control. Its principles and application, vol. 1. New York. Pergamon Press, pp. 1-19.
• [3] Gwo-Bin L., Chiang S., Yu-Chong Tai, Tsao T., Liu Ch., Adam Huang A., Chih-Ming Ho Robust vortex control of a delta wing by distributed microelectromechanical-systems actuators, Journal of Aircraft, Vol. 37, No. 4, 2000, pp. 697-706.
• [4] Muse J., Tchieu A., Kutay A., Chandramohan R., Calise A., Leonard A. Vortex Model Based Adaptive Flight Control Using Synthetic Jets. Georgia Institute of Technology, August 20, 2008.
• [5] Gad-el-Hak M. The Timing of the Shrew; Why Is It so Difficult to Control Turbulance? paper contributed to the Conference „Active Flow Control” in Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design – Volume 95, Springer, Berlin, Germany 2006, pp. 1-25.
• [6] Krzysiak A. „Control of Flow Using Self-Supplying Air Jet Vortex Generators” AIAA journal Vol. 46, No. 9, September 2008, pp. 2229-2234.
• [7] Bukowski J. „Mechanika płynów” PWN, Warszawa 1975.
• [8] Braslow A. J. „A History of Suction-Type Lamina-Flow Control with Emphasis on Flight Research” Aerospace history, No. 13, Washington DC, 1999.
• [9] Bushnell D. M., Tuttle M. H. „Survey and Bibliography on Attainment of Laminar Flow Control in Air Using Pressure Gradient and Suction” NASA RP-1035, Washington DC, September 1979.
• [10] Jobe C. E. „A Bibliography of AFFDL/FXM Reports on Laminar Flow Control” U. S. Air Force: AFFDL-TM-76-26-FXM, March 1976.
• [11] Tuttle M. H., Maddalon D. V. „Laminar Flow Control (1976-1991) – A Comprehensive Annotated Bibliography” NASA TM 107749, Washington DC, March 1993.
• [12] Braslow A. L., Burrows D. L., Tetervin N., Visconte F. „Experimental and Theoretical Studies of Area Suction for Control of the Laminar Boundary Layer on an NACA 64A010 Airfoil” NACA Report 1025, Washington DC, March 1951.
• [13] Gray W. E. „The effect of Wing Sweep on Laminar Flow” RAE TM Aero. 255, 1952.
• [14] Pffenninger W., Groth E. E., Whites B. H., Carmichael B. H., Atkinson J. M. „Note About Low Drag Suction Experiments on a Wing Glove of a F94-A Airplane” Northrop Corp., Norair Division Report NAI-54-849, BLC-69, December 1954.
• [15] Doenhoff A. E., Braslow A. L. „The Effects of Distributed Surface Roughness on Laminar Flow” in „Boundary-Layer and Flow Control – Its Principles and Application” Vol. 2, Lachmann 1961, pp. 657-681.
• [16] Maddalon D. V., Braslow A. L. „Simulated-Airline-Service Flight Tests of Laminar-Flow Control with Perforated-Surface Suction System” NASA Technical Paper 296, Washington DC., March 1990.
• [17] Schmitt V., Archambaud J. P., Hortstmann K. H., Quast A. „Hybrid Laminar Fin Investigation” NATO Raport RTO MP-051, June 2001.
• [18] Reneaux J. „Overview on Drag Reduction Technologies for Civil Transport Aircraft” Proceedings of European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering ECCOMAS, July 2004.
• [19] Ingen J. L., Boermans L. M. „Research on Laminar Separation Bubbles at Delf University of Technology in Relation to Low Reynolds Number Airfoil Aerodynamics” Proceedings of the Conference of Low Reynolds Number Aerodynamics, T. J. Mueller, UNDAF – CP 77B, June 1985, pp. 89-124.
• [20] Malew W. M., Kozlow W. W. „Application of Small Localised Vibration of a Surface for the control of Transition Process in boundary Layer” (in Russian) Izw. Ak. Nauk ZSRR, Aer. Tech. Nauk. Wyp. 2, Nr 10, 1985.
• [21] Wojciechowski J. „Active Control of the Boundary Layer on The Laminar Airfoil” Narodni Konference s Mezinarodni Ucasti INŻENYRSKA MECHANIKA’99, Svratka, Kveten 1999.
• [22] Kerho M., Hutcherson S., Blackwelder R. F., Liebeck R. H. „Vortex Generators Used to Control Laminar Separation Bubbles” Journal of Aircraft Vol. 30, No. 3, May-June 1993.
• [23] Linke W. „Uber den Strömungswiderstand einer beheizten ebenen Platte” Luftfahrtforshung 19, 1942, pp. 157-160.
• [24] Frick C. W., McCullough C. B. „Tests of a heated Low Drag Airfoil” NACA ARR, December 1942, Washington, DC.
• [25] Kachanov Y. S., Koslov V. V., Levchenko Ya. V. „Experimental Study of the Influence of Cooling on the Stability of Laminar Boundary layers” Izvestia Sibirskogo Otdielenia Ak. Nauk SSR, Seria Technicheskich Nauk, Novosibirsk Vol. 8-2, 1974, pp. 75-79.
• [26] Roth J. R., Sherman D. M., Wilkinson S. P. „Boundary Layer Flow Control with One Atmosphere Uniform Glow Discharge Surface Plasma” AIAA Paper 98-0328, 1998.
• [27] Goksel B., Rechenberg I. „Active Separation Flow Control Experiments in Weakly Ionized Air” Paper 086h, 10th EUROMECh European Turbulence Conference, Trondheim, Norwegen, 2004.
• [28] Goksel B., Greenblatt D., Rechenberg I., Singh Y., Nayeri C. N., Paschereit C. O. „Pulsed plasma Actuators for Separation Flow Control” Proceedings of Conference on Turbulence and Interaction, Porquerolless, France, 2006.
• [29] Font G. I. „Boundary Layer Control with Atmospheric Plasma Discharge” US Air Force Academy, CO, 80840.
• [30] Wendt B. J., Reichert B. A. „The Modelling of Symmetric Airfoil Vortex Generators.” AIAA Paper 96-0807.
• [31] Koike M., Nagayoshi T., Hamamoto N. „Research on Aerodynamic Drag Reduction by Vortex Generators” Mitsubishi Motors Review, No. 16, 2004.
• [32] Civil Air Patrol - www.cap-ny153.org
• [33] Zuppardi, G., Valenza, F. Visualizing Strake and Wing Vortices in Supersonic Flow by a Thermographic Technique, Journal of Visualization, Vol. 2, No. 1, 1999, pp. 59-71.
• [34] U.S. Navy Official Website - www.blueangels.navy.mil
• [35] Stark R., Squires B., Walker J. „Vortex generators”. prezentacja MPP, AOE 4124 Dr Mason, March 26, 2004.
• [36] Bike hutt - www.thebikehutt.co.nz
• [37] Amitay M., Smith, B. L., Glezer, A. „Aerodynamic Flow Control Using Synthetic Jet Technology”. AIAA 98–0208, 1998.
• [38] Jabbal M., Zhong S. „The near wall effect of synthetic jet in a boundary layer” heat and Fluid Flow 29, 2008, pp. 119-130.
• [39] Walsh, M. J. „Riblets as a viscous drag reduction technique” American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal No. 21, 1983 pp. 485–486.
• [40] Lee S. J., Jang Y. G. „Control of flow around a NACA 0012 airfoil with a micro-riblet film” Journal of Fluids and Structures No. 20, 2005, pp. 659–672.
• [41] Gelberg, J. N. „The Rise and Fall of the Polara Asymmetric Golf Ball: No Hook, No Slice, No Dice” Technology In Society, Vol. 18, No. 1, 1996, pp. 93-110.
• [42] Faryniarz L. „The effect of Golf Ball Surface Geometry on Viscous Drag” Honors College Senior Thesis, April 29, 2009.
• [43] SRI Sports Ltd. „Super detailed analysis for air flows around a golf ball” - www.sri-sports.co.jp
• [44] Liebeck, R. H. „Design of subsonic Airfoils for High Lift” Journal of Aircraft, Vol. 15, No. 9, 1978, pp. 547-561.
• [45] Krzysiak A., Narkiewicz J. „Aerodynamic Loads on Airfoil with Trailing-Edge Flap Pitching with Different Frequencies” Journal of Aircraft Vol. 43, No. 2, March-April 2006, pp. 407-418.
• [46] A. Krzysiak „Eksperymentalne badania dynamicznych charakterystyk aerodynamicznych oscylującego profilu NACA 0012 z ruchomą klapką” Prace Instytutu Lotnictwa, Warszawa 2004, pp. 93-104.
• [47] A. Krzysiak “Eksperymentalne badania wpływu drgającej klapki spływowej na charakterystyki aerodynamiczne oscylującego profilu NACA 0012” PTMTS, Mechanika w Lotnictwie, Warszawa 2004, pp. 421-450.
• [48] J. Narkiewicz, A. Krzysiak „Experimental and Numerical Investigation of Unsteady Aerodynamic Loads on the Pitching Airfoil NACA 0012 with Oscillating Flap”- Paper No 41, Proceedings of 28th European Rotorcraft Forum, Bristol, England, September 2002.
• [49] Greenbaltt D., Wygnanski I. J. „The Control of Flow Separation by Periodic Excitation” Progress in Aerospace Sciences, No. 36, 2000, pp. 487-545.
• [50] Lee G. B., Tai Y. C., Jiang F., Grosjean C., Liu C., Ho C. M. “Leading-edge Vortices Control on a Delta Wing by Micromachined Sensors and Actuators,” Journal of American Institute Aeronautics and Astronautics, 1999.
• [51] Kulesza Z., Gosiewski Z. „Analiza numeryczna wibracyjnego generatora wirów” Mechanika w Lotnictwie 2010, pp. 165-183.
• [52] Neuringer J., McIlroy W. „Incompressible two-dimensional stagnation point flow of an electrically conducting viscous fluid in the presence of a magnetic field” Journal of the Aeronautical Sciences, Vol. 25, No. 3, March 1958, pp. 194-198.
• [53] Gad el Hak M. „Flow Control” Appl. Mech. Rev. No. 42, 1989, pp. 261-293.
• [54] Gad el Hak M., Blackwelder R. F. „Method and Apparatus for Reducing Turbulent Skin Friction” United States Patent No. 4,932,618.
• [55] Hussain A. K., Hasan M. A. „Turbulence suppression in free turbulent shear flows under controlled excitation. Part 2. Jet-noise reduction” Journal Fluid Mech., No. 150, 1985, pp. 159-168.
• [56] Ffowcs W. „Noise, anti-noise and fluid flow control” Philosophical Transaction of the Royal Society, No. 360, 2002, pp. 821-832.
• [57] Tichy J., Warnaka G. E., Poole L. A. „A study of active control of noise in ducts” ASME J. Vib. Acoust. Stress Rel. Design, No. 106, 1984, pp. 399–404.
• [58] Wallis R. A. „The use of air jets for boundary layer control”, Technical Note ARL AERO Note 110, Australia, 1952.
• [59] Wallis R. A. „A preliminary note on a modified type of air jet for boundary layer control”, Report ARC CP 513, 1960.
• [60] Wallis R. A., Stuart C. M. „On the control of shock-induced boundary layer separation with discrete air jets”, Report ARC CP 595, 1962.
• [61] Pearcey H., Stuart C. „Methods of Boundary-Layer Control for Postponing and Alleviating Buffeting and Other Effects of Shock-Induced Separation” SMF Paper No. FF-22. New York, Institute of the Aeronautical Sciences, 1959.
• [62] Zhang S., Li F. „Experiments about the air jet vortex generator” Proceedings of the 8th Institute of Aeronautics and Astronautics Cincinnati, Ohio, 1987, pp. 513-516.
• [63] Papell S. „Vortex generating flow passage design for increased film-cooling effectiveness and surface coverage” NASA TM 83617, 1984.
• [64] Johnston J., Nishi M. „Vortex generator jets” – means for flow separation control” AIAA Journal, Volume 28, No. 6, June 1990, pp. 989-994.
• [65] Pearcey H. H. „Shock Induced Separation and its Prevention by Design and Boundary Layer Control. In Boundary Layer and Flow Control, its Principles and Application Vol. 2, Lachmann, G. V., Pergamon Press, Oxford, 1961.
• [66] Pearcey H. H., Rao, K., Sykes, D. M. „Inclined Air-Jets used as Vortex Generators to Suppress Shock-Induced Separation” AGARD CP-534, Paper 40, April 1993.
• [67] Barberopoulos, A. A. „Investigation of the Effects of a Vortex Generator Jet on a Turbulent Boundary Layer at High Subsonic Speed”. MSc Thesis, College of Aeronautics, Cranfield University. 1995.
• [68] Selby G. „Experimental parametric study of jet vortex generators for flow separation control” NASA CR 187836, December 1990.
• [69] Selby, G., Lin, J., Howard, F. „Jet Vortex Generators for Turbulent Flow Separation Control” paper from 12 th Symposium on Turbulence, September, 1990.
• [70] Zhang S. Y., Li F. „Experiments about the Air Jet Vortex Generator” paper presented at 8 th International Symposium on Air Breathing Engines, Cincinnati, June 1987.
• [71] Barberopoulos A. A., Garry K. P. „The effect of skewing on the vorticity produced by an airjet vortex generators” The Aeronautical journal, Vol. 102, No. 1013, March 1998.
• [72] Singh C., Peake D. J., Kokkalis A., Coton F., Galbraith R. „Control of Flow on Helicopter Rotor Blades under Quasi-Steady and Unsteady Conditions Using Smart Air-Jet Vortex Generators” Proceedings of 29th European Rotorcraft Forum, Germany, September 2003.
• [73] Shih C., Beahn J., Krothapalli, A. „Control of Compressible Dynamic Stall Using Microjets” Proceedings of 4th ASME_JSME joint Fluids Engineering Conference Honolulu, Hawai, USA, July 2003.
• [74] Bray T. P., Garry K. P., „Optimisation of air-jet vortex generators with respect to system design parameters” The Aeronautical Journal, Volume 102, No. 1013, Oct, 1999, pp. 475-479.
• [75] Abbott, I. H., von Doenhoff, A. E. „Theory of Wing Section”. McGraw-Hill Book Company, INC, Londyn 1949.
• [76] Brag, M. B. „Experimental Aerodynamic Characteristics of an NACA 0012 Airfoil with Simulated Glaze Ice” Journal of Aircraft, Volume 25, No. 9, Sept, 1988, pp. 849-858.
• [77] Benetka, J., Kladrubsky M., Valenta R. „Mereni profilu NACA 0012 ve stebinovem mericim prostoru”, Internal Report VzLU Praha, 1998.
• [78] Dixon R. C., „High Reynolds Number Investigation of an ONERA model of the NACA 0012 Airfoil Section” Laboratory Technical Report, hA-5x5/0069,NAE Ottawa, Canada, 1990.
• [79] Compton D. A., Johnston J. P. „Streamwise vortex production by pitched and skewed jets in a turbulent boundary layer” AIAA Paper 91-0038, 29th Aerospace Sciences Meeting, Reno, January 1991.
• [80] Weaver D., McAlister K. W., Tso, J. „Supppression of Dynamic Stall by Steady and Pulsed Upper-Surface Blowing”, AIAA Paper 98-2413, 16th AIAAApplied Aerodynamics Conference, June 1998.
• [81] McManus K. R., Legner H. H., Davis, S. J. „Pulsed Vortex Generator Jets for Active Control of Flow Separation” AIAA Paper 94-2218, 25th AIAA Fluid Dynamics Conference, June 1994.
• [82] McManus K., Magil, J. „Airfoil Performance Enhancement Using Pulsed Jet Separation Control”, AIAA Paper 97-1971, 28th AIAA Fluid Dynamics Conference June 1997.
• [83] P. Lorber, D. McCormick, T. Anderson, B. Wake, D. MacMartin, M. Pollack, T. Corke, K. Breuer, „Rotorcraft Retreating Blade Stall Control” FLUIDS 2000 Conference and Exhibit, June 2000, Denver Colorado.
• [84] Singh C., Peake D., Kokkalis A., Khodagolian V., Coton F., Galbraith R. „Control of Rotorcraft Retreating Blade Stall Using Air-Jet Vortex Generators” Journal of Aircraft No. 43 (4), 2006, pp. 1169-1176.