Experimental investigation of leading edge suction parameter on massively separated flow

Abstract

The study aims to investigate and understand the Leading Edge Suction Parameter (LESP) application on the massively separated flow. The experiment was done by gathering force data from the downstream flat plate and the visualization of the flow structures is done by Digital Particle Image Velocimetry. The experiments are conducted in free surface, closed-circuit, large scale water channel located in Trisonic Laboratory of Istanbul Technical University's Faculty of Aeronautics and Astronautics. The velocity of the tunnel is equal to 0.1 m/s which results in a 10.000 Reynolds Number. During the experiment, the flat plate at the downstream of the gust generator (plat plate) is kept constant angle of attack and the test cases are selecting to show that the LESP parameter that derived from only one force component works for different gust interaction with the flat plate. As already discussed in the literature, the critical LESP parameter depends on only airfoil shape and its ambient Reynolds Number. Also, the critical LESP number is calculated in literature as equal to 0,05 for plat plate at the 10,000 Reynolds Number. We did not perform an experiment to find critical LEPS numbers as our experiment was done with a flat plate on 10,000 Re. A different angle of attack and different gust impingement combination has been shown that the LESP parameter works even in a highly unstable gust environment. Flow structures around the airfoil leading edge are behaving as expected from the LESP theory (leading-edge vortex separation and unification).

Çalışmanın amacı, stabil olmayan sağanak akışında hücum kenar emme parametresi uygulamasını araştırmak ve anlamaktır. Akış yönündeki düz plakadan kuvvet verileri toplandı ve akış yapılarının görselleştirilmesi için Dijital Parçacık Görüntü Hız Ölçümü kullanıldı. Mevcut havacılık araştırmalarının geniş uygulama yelpazesi şüphesiz kararsız akış fenomenlerini içerir. Küçük boyutları ve düşük hız gereksinimleri nedeniyle yaygın bir örnek mikro hava aracı olarak düşünülebilir; ayrıca doğadan da böcek uçuşları benzer bir örnek olarak gösterilebilir. Böcekler, uçma eylemini başarmak için yüksek hareket hızlarıyla kanat çırpma hareketleri yapmaktadır. Böcek uçuşunun aerodinamik fenomeninin anlaşılması, daha çok arzu edilen yüksek manevra kabiliyetine sahip mikro hava taşıtlarının elde edilmesi yolunda inkâr edilemeyecek kadar önemlidir. Böcek uçuşundaki hücum açısındaki ve hızındaki büyük değişlikler karmaşık kararsız akışları içermekte ve hem hücum açısı hem de hızdaki bu büyük farklılıklar dinamik stall oluşumuna neden olabilmektedirler. Dinamik stall'ın en etkili özelliklerinden biri, kanat profilinin hücum açısı statik stall açısını aştığında, büyük ölçekli dinamik girdap kanat profilinden ayrılırken meydana gelmesidir. Bu dinamik girdap oluşumu, kanadın kaldırma kuvveti geçmişini değiştirirken anlık yüksek genlikli değişikliklere neden olabilmektedir. Dinamik stall yapının yaşam döngüsünü kısaltırken aracın performansını etkileyebilecek yüksek aerodinamik yükler veya tehlikeli titreşimler oluşturabilir. Bu nedenle, sistemin güvenliğini sağlamak için dinamik stall durumundan kaçınılır; ancak bunun tersine, böcek uçuşundaki hücum kenarı girdapları, kanat çırpma uçuşunun başarısından sorumlu en önemli parametre olarak literatürde gösterilmiştir. Bu girdaplara ek olarak, mikro hava taşıtları atmosferik türbülanslara da oldukça maruz kalmaktadır ve bu dalgalanmalar, oldukça çevik olması beklenen araçlarda kontrol zorluklarına neden olabilmektedir. Mikro hava araçlarının tasarımında, manevra kabiliyeti ve sabit uçuş koşullarını sürdürme yeteneği güçlü bir etkiye sahiptir. Hücum kenarı girdap parametreleri, dinamik stall'ın başlamasıyla ilişkilendirilmiştir ve dinamik stall oluşumu, Fourier serisinin ince-kanat teorisindeki ilk terimi ile ilişkilendirilmiştir. Kanat hücum kenarındaki emme gücü, hücum kenar hızı ile orantılı bir ilişkiye sahiptir ve bu emme parametresi, ön kenar girdap oluşumunun başlatma kriterleri için kullanılmıştır. Ramesh vd. bir girdap parçalandığında hücum kenarında ortaya çıkan emiş parametresi için ince kanat teorisi Fourier serisinin ilk teriminin kritik bir eşik sayısının olduğu gözlemlendi ve bu nicel sayı hücum kenarı emme parametresi (LESP) olarak adlandırıldı. Bu fikir, kanat profilinin belirli bir miktar emiş miktarını destekleyebileceği düşüncesine dayanmaktadır. Bu sınır aşılırsa, girdap hücum kenarından serbest bırakılır ve dinamik stall ile hücum kenar girdabı oluşur. Kritik LESP değeri, kanat şekline ve Reynolds sayısına bağlıdır ancak hareket kinematiğinden bağımsızdır. LESP çalışmaları, deneysel kuvvet ölçümünden parametrenin hesaplanmasıyla başlamış, ardından fenomeni anlamak ve parametrenin akış için dinamik bir modele uygulanması için CFD çözümleri kullanılmıştır. Parametrenin bilinmesinden sonra, potansiyel kullanım alanlarını ve parametrenin sınırlarını keşfetmek için diğer araştırmacılar tarafından literatüre önemli ölçüde çaba gösterilmiştir. Deneyler serbest yüzey, kapalı devre, büyük ölçekli su kanalında yapıldı. Kanal İstanbul Teknik Üniversitesi Uçak ve Uzay Fakültesi Trisonik Laboratuvarı'nda bulunmaktadır. Tünelin hızı 0.1 m/s 'ye eşittir ve bu da aynı zamanda 10.000 Reynolds Sayısına denk gelmektedir. Deney sırasında, sağanak üretecinin akış aşağısındaki düz plaka sabit hücum açısında tutulur ve test seçenekleri, yalnızca bir kuvvet bileşeninden türetilen LESP parametresinin farklı sağanak etkileşimi için çalıştığını göstermek için seçildi. Ayrıca literatürde kritik LESP sayısı düz plaka için 10.000 Reynolds sayısında 0,05'e eşit olarak hesaplanmıştır. Deney 10.000 Reynolds sayısında da düz plaka ile yapıldığından kritik LEPS numarasını bulmak için ayrıca bir deney yapılmasına gerek kalmadı. Bu çalışmada, LESP hipotezi, büyük ölçüde ayrılmış bir sağanak akış ortamında araştırılmış ve LESP parametresi, kuvvet sensörünün y vektörünün bir fonksiyonu olarak hesaplanmıştır. Farklı bir hücum açısı ve farklı fırtına çarpma kombinasyonlarının, LESP parametresinin oldukça dengesiz sağanak ortamında bile çalıştığı gösterilmiştir. Kenar hücum kenarı etrafındaki akış yapıları dijital parçacık görüntü hız ölçümü sistemi tarafından görüntülendi ve kuvvet sensörü eşzamanlı olarak kuvvetleri topladı. Sonuç olarak düz plaka etrafındaki akış yapılarının, hücum kenarı girdaplarının ayırma ve birleştirme hareketlerinin LESP teorisinden beklendiği gibi davrandığını gösterilmiştir.