آیرودینامیک بالزن در حالت بال ثابت (بالزن ۶)

در پرواز یک ربات بالزن چند مسئله مهم وجود دارد که باید توجه شود:

- پرواز در رینولدز پایین، که نتیجه آن کاهش کارایی آیرودینامیکی است. محدوده رینولدزی که بالزن ها عموما پرواز می کنند، در بازه ای بین ۱۰۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰ می باشد.

- کوچک بودن ابعاد پرواز که باعث کاهش وزن محموله خواهد شد و در عوض سازه مورد نیاز آن سبکتر و سرعت استال کمتر خواهد شد.

- سرعت کم پرواز ، که در نتیجه آن تاثیر پذیری بالزن از اغتشاشات جریان بیشتر خواهد شد.

در این بخش به بررسی آیرودینامیک بال ثابت و غیر قابل انعطاف در رینولدز کم خواهیم پرداخت. این بررسی  شامل ویژگی های آیرودینامیکی و فیزک جریان در بازه رینولدز ۱۰۲ تا ۱۰۶ است و تمرکز مسائل روی رینولدزهای کم خواهد بود (Shyy, 2013).

جدایش لایه مرزی آرام و گذار به حالت توربولانس

آنچه که در تصویر زیر مشاهده می شود مقایسه نسبت لیفت به درگ برای چند نوع ایرفویل در رینولدزهای مختلف هست. با توجه به نوع ایرفویل، رینولدز مربوط به هرکدام مشخص است. برای نمونه در این نمودار، تصویر دو ایرفویل بالزن، یکی مربوط به سنجاقک و دیگری ایرفویل کبوتر نشان داده شده است و با ایرفویلهای مرسوم دیگر که در هواپیماها کاربرد دارند مقایسه شده اند. نمودار نشان می دهد که هر قدر ایرفویل ها در رینولدز کمتری پرواز کنند، کارایی آیرودینامیکی آنها یعنی نسبت لیفت به درگ کاهش می یابد.

نسبت لیفت به درگ برای چند نوع ایرفویل

ویژگی های آیرودینامیک این ایرفویل در ارتباط مستقیم با فرایند گذار از لایه مرزی آرام به آشفته است. در هواپیماهای باسرنشین که رینولدزشان بالای یک میلیون است، به علت مومنتوم کافی جریان، جدایش به سادگی اتفاق نمی افتد و تا وقتی زاویه حمله به مقادیر بالای خود نرسد، جریان همچنان به سطح خواهد چسبید. اما در رینولدزهای کم جریان از ابتدا دارای لایه مرزی آرام است و با کمترین گرادیان فشار مثبت، مستعد جداشدن از سطح می باشد. در شرایط خاصی وقتی جریان آرام از سطح جدا می شود، دوباره به سطح می چسبد و تشکیل حبابی را میدهد که معروف به Laminar Seperation Bubble –LSB می دهد که در این حالت جریان به حالت آشفته گذار می کند. این حالت می تواند شکل ایرفویل را اصلاح کند و بر متغییرهای آیرودینامیکی تاثیر گذار باشد.

تشکیل حباب روی سطح ایرفویل

زمانی که لایه مرزی آرام تحت گرادیان فشار مثبت (به مقدار کافی برای جدایش) قرار می گیرد، تمایل پیدا می کند که از سطح جدا گردد. این جدایش قبل از گذار به حالت آشفته است. وقتی جریان جدا شد، در شرایطی خاص، جریان نامنظم می گردد و از حالت آرام به آشفته گذار می کند. با آشفته شدن جریان، انرژی آن افزایش پیدا کرده و بر گرادیان فشار مثبت غلبه می کند و دوباره به سطح می چسبد و این چنین حباب LSB تشکیل می شود. در فیلم زیر یک بال را از سمت ایرفویل نشان می دهد و جریان سیال به صورت ذراتی از بالا و  پایین آن عبور می کند. هنگامی زاویه حمله منفی است، اگر دقت کنید حبابی در زیر بال تشکیل می شود بدین صورت که برخی ذرات داخل گردابه حباب شده و می چرخند و بعد ایرفویل را ترک می کند. همین اتفاق روی ایرفویل زمانی که زاویه حمله بال مثبت است می افتد:

در تصویر زیر نیز توزیع فشار حول ایرفویل SD7003 نشان داده شده است. در اینجا دو حالت جریان غیر لزج و حالت لزج  با تشکیل شدن حباب بررسی شده است. مشاهده می شود که در هنگام جدایش و گذار، شکستهایی در نمودار بوجود آمده و از حالت جدایش تا گذار می بینیم که فشار حدودا ثابت است.

نمودار توزیع فشار در حضور و غیاب حباب سیال

دینامیک حباب LSB به عدد رینولدز، توزیع فشار، هندسه، زبری سطح و میزان اغتشاش جریان آزاد، بستگی دارد. کارارمیکال نشان داد که اگر رینولدز را با فرض سرعت جریان آزاد و فاصله بین نقطه جدایش تا نقطه دوباره چسبیده شدن جریان به سطح در نظر بگیریم، مقداری حدود ۵۰۰۰۰ بدست می آید. در واقع کارامیکال با این مقیاس نشان داد که اگر رینولدز از این مقدار کمتر باشد حباب جریان ایجاد نمی شود و اگر مقداری بیشتر از این مقدار باشد حباب بزرگی تشکیل خواهد شد. شاید بتوان از این معیار برای پیشبینی تشکیل حباب استفاده کرد ولی باید محتاطانه عمل کرد. زیرا فرایند تشکیل حباب بقدری پیچیده هست که نمی توان تنها آن را وابسته به عامل رینولدز دید. هر قدر که رینولدز کاهش می یابد اثر دمپینگ لزجت افزایش می یابد و جریان تمایل کمتری به آشفته شدن دارد. در نتیجه احتمال تشکیل جباب کمتر خواهد شد.

با توجه به اثر توزیع فشار و سرعت، LSB می تواند به دو دسته کوتاه و بلند تقسیم بندی شود. حباب کوچک ناحیه کمی از ایرفویل را پوشش می دهد در نتیجه نقش ناچیزی در اصلاح توزیع فشار و سرعت دارد. در مقابل وجود حبابی با طول بلند، اثر قابل ملاحظه ای بر توزیع فشار و سرعت می گذارد. این دسته از حباب ها کاهش لیفت و افزایش درگ را در پی دارند (Shyy, 2013).

پارامترهای اثرگذار در آیرودینامیک رینولدز پایین

با توجه به اثر جدایش و حالت گذار از جریان آرام به آشفته در رینولدزهای پایین، قطعا شکل ایرفویلی که در این رژیم به کار می رود، با رژیم های رینولدز بالا، تفاوت دارد. همانطور که گفته شد علاوه بر رینولدز، انحنای ایرفویل، ضخامت، صافی سطح، ناپایداری های جریان آزاد و نسبت منظری، نقش مهمی را در عملکرد آیرودینامیکی بال در رژیم رینولدز پایین ایفا می نمایند.

رینولدز ۱۰۳ تا ۱۰۴ :

در یک پژوهش اثر یک بال مستطیلی انحنا دار با نسبت منظری ۶ در ریولدزی بین ۱۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰بررسی شد. نتیجه این پژوهش این بود که با افزایش انحنا، مقدار ضریب لیفت افزایش می یابد و ماکزیمم لیفت به درگ، نیز بیشتر خواهد شد. مشاهده می شود که بال با کمترین انحنا به مقدار ۳ درصد، از زاویه حمله زیاد (در اینجا زاویه حمله ۱۰ درجه) وامانده نمیشود بلکه به یک مقدار لیفت ثابت میل می کند. اما در عین حال ضریب درگ بالایی خواهد داشت.

با افزایش کمبر ایرفویل میزان ضریب لیفت افزایش می یابد

در تحقیقی دیگر در رینولدز ۴۰۰۰ یک بال مستطیلی با نسبت منظری ۷٫۲۵ تست شد که درشکل زیر قابل مشاهده است. در این تحقیق بعد از تست ۲۰ نوع بال، نتیجه گیری شده که خواص آیرودینامیکی برای بالی با ضخامت ۵ درصد طول ایرفویل در این رینولدز خوب است. با توجه به نمودار ضریب لیفت به زاویه حمله، همانند پژوهش قبلی با افزایش انحنا، ضریب لیفت زیاد می شود. همچنین ایرفویلهایی که کمبر یکسانی دارند، زاویه استال یکسانی نیز دارند. همچنین در این تحقیق مکان ماکزیمم کمبر نیز بررسی شد و نیتجه آن شد که زمانی که ماکزیمم کمبر در ۲۵ درصد وتر قرار می گیرد ماکزیمم نسبت لیفت به درگ حاصل می شود.

بررسی اثر مکان بیشترین کمبر بر ضریب برآ

همانطور که قبلا هم اشاره شد، برخلاف اینکه ایرفویلهای معمولی سطحی صاف و همانند خطوط جریان دارند، ایرفویلهای حشرات معمولا سطحی زبر دارند. برای مثال ایرفویل سنجاقک و پروانه و حشره بید این گونه اند. ساختار چین دار بال سنجاقک فواید آیرودینامیکی و سازه ای بهمراه دارد. اول اینکه به ساختمان بسیار سبک بال پایداری سازه ای می دهد. همانطور که در علم سازه مشهود است این ساختار چین دار، سازه بال را در برابر خمش و پیچش مستحکم می کند.

ایرفویل سنجاقک در جریان سیال

فایده دوم اینکه در آزمایشهای تجربی نشان داد که چنین ایرفویلی عملکرد آیرودینامیکی بال را بهتر خواهد کرد. دلیل آن هم اینست که گردابه ها درون شیارهای بال را پر کرده و باعث حرکت نرم و صاف جریان روی ایرفویل خواهند شد. این نتایج حاصل تحقیقات دانشمندی به نام کسل است. او از آزمایشات دید که  ضریب درگ ناشی از ایرفویل سنجاقک بسیار کم و نزدیک به درگ سطح صاف است اما ضریب لیفت آن خیلی بیشتر از سطح صاف خواهد بود.

اثر توربولانس جریان آزاد

هر قدر مقدار توربولانس جریان آزاد بیشتر می شود، اندازه LSB به وجود آمده، هم از لحاظ طولی و هم از لحاظ ضخامت کمتر خواهد شد. اثر این پارامتر مثل اثر طول کورد ایرفویل است و با آن متناسب است. همچنین افزایش این پارامتر ماکزیمم مقدار ناحیه مکش ایرفویل را نیز افزایش می دهد.

آیرودینامیک بال سه بعدی

ریز پرنده های که در رینولدز پایین پرواز می کنند عموما نسبت منظری کمتری دارند. معمولا مقدار آن کمتر از ۵ می باشد. بر همین اساس مهم است که اثرات سه بعدی بال دیده شود. زیرا نسبت منظری بال این نوع پرنده ها کم است. در تحقیقی توسط لیان و شای یک بال ریز پرنده با مشخصات زیر تست گرفته شد:

- دهانه ۱۵ سانتیمتر

-کمبر ۶ درصد وتر

-وتر ریشه ۱۳٫۳

-مساحت بال ۱۶۰ سانتیمتر مربع

این آزمایش در رینولدزهای ۷۱۰۰۰ و ۹۱۰۰۰ انجام شد که نتایج آن در دو نمودار زیر نشان داده شده است.

بیشترین راندمان بال نسبت به زاویه حمله در رینولدزهای زیر ۱۰۰۰۰۰

مشخص است که در زاویه حمله های بین ۴ تا ۹ بیشتر راندمان بال و کارایی آیرودینامیکی وجود دارد که این نتیجه مهمی است و در این نوع بالها، توسط طراحان و سازندگان ریزپرنده باید مورد توجه قرار گیرد. مقدار ماکزیمم L/D نیز مهم است که در حدود ۵ است. دلیل کم بودن این مقدار به خاطر نسبت منظری پایین بال است.

بالهایی که نسبت منظری پایین دارند، در زاویه حمله های بالا، به طور ناگهانی استال نمی کنند، بلکه حتی خیلی دیرتر هم دچار واماندگی می شوند. این موضوع با توجه به طراحی یک بال برای بالزن که قطعا زاویه حمله بالایی را می بیند مهم است. اگرچه نسبت منظری پایین، نیروی برآی قابل توجهی نمی دهد اما افزایش زاویه حمله می تواند این فقدان برآ را جبران کند (Shyy, 2013).

5 دیدگاه درباره “آیرودینامیک بالزن در حالت بال ثابت (بالزن ۶)

  1. فرشید

    امسال اولا بدجور سوالا پخش شده بود بین تمام مطالب و ثانیا عجیب مفهومی بود…
    خواهشا دوستان بگن که چه درسایی سخت بود ولی از نظر من همش سخت بود حتی ریاضی و زبان…

    پاسخ
  2. ایرو

    واقعا ایرودینامیک خیلی رشته فوق العاده و زیبایی هست.
    همینطور مهندسی سازه های هوایی.
    البته به پای تبدیل انرژی نمیرسه :P

    پاسخ

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *