آیرودینامیک ناپایا در پرواز بالزن (۸)

در آیرودینامیک ناپایا، روش تولید نیروها و رفتار جریان متفاوت از حالت پایا است. به عبارت دیگر تحلیل و بررسی یک هواپیمای بال ثابت از قوانینی پیروی می کند که شاید به طور عمده نتوان در پرواز یک بالزن دقیقا همان مباحث را به کار برد.

دانشمندان مختلفی روی مکانیزمها و روشهای تولید نیروهای آیرودینامیکی تحقیق کرده اند و به نتایج ارزشمندی نیز رسیده اند. بر همین اساس مکانیزمهایی که در زمینه آیرودینامیک ناپایای بالزدن پرندگان و حشرات مطرح می شود در زیر لیست شده است:

مکانیزم گردابه های لبه حمله Leading Edge Vortices – LEV

ماکزیمم لیفت در حرکت پیچ آپ بالزدن (lift peak due to pitch-up rotation)

wake capture در حین برهم کنش ایرفویل و جریان گردابه ای

مکانیزم گردابه نوک بال

پایداری جت رو به پایین جریان در ناحیه ویک

مکانیزم clap-and-fling

در تصویر زیر تعدادی از این مکانیزمها نشان داده شده است. در شکل گوشه ی بالا سمت چپ مکانزیم wake capture  را می بینید. در تصویر بال بالزن در حال شروع به حرکت مجدد است و مشاهد می شود که ویک هایی که از مرحله قبلی ایجاد شده در مقابل آن قرار می گیرد. این ویک ها توسط بال جذب شده و بر میزان لیفت می افزاید. در شکل گوشه ی بالا سمت راست پدیده تاخیر استال توسط LEV مشاهده می شود. این پدیده را می توان از دو منظر استال دینامیکی و گردابه های لبه حمله بررسی کرد.

پدیده LEV

مکانیزم گردابه های لبه حمله Leading Edge Vortices – LEV

هنگامی که بال را به صورت سریع شتاب دهیم، گردابه هایی در لبه حمله ایجاد می شود که به آن به طور اختصار LEV گویند. این گردابه ها می توانند اثر لیفت را تا 90 درصد افزایش دهند. این اثر در افزایش لیفت را اثر وگنر (Wagner Effect) گویند. این موضوع برای زمانی است که ایرفویل با زاویه حمله ای بیش از زاویه حمله استال خود شتاب بگیرد.

دیکینسون و گاتز در آزمایشی نیروهای آیرودینامیکی مربوط به بال مگس را بدست آوردند. این بال با شتاب حرکت داده شد. محدوده رینولدز بال مگس بین 75 تا 225 است. آنها بال را در زاویه 5/13 درجه با شتاب حرکت دادند و در مسافت نصف طول وتر، میزان نیروی لیفت 80 درصد بیش از مقدار لیفتی بود که در مسافت 5 برابر طول وتر طی شد.

بابینسکی در رینولدز 6×10⁴ یک صفحه تخت با نسبت منظری چهار را تحت شتاب قرار داد، و دید که با شتاب گرفتن صفحه در زاویه بیش از زاویه استال لیفت زیاد می شود و دقیقا مطابقت با اثر وگنر داشت. با مقایسه نمودارهای نیرویی بابینسکی با دیکینسون مشاهده می شود که مطابقت دارند در حالی که بابینسکی در رینولدز 6×10⁴ و دیکینسون در رینولدز 1000 کار کرده است و این نشان می دهد که اثر وگنر تاثیر پذیری کمی از تغییرات رینولدز دارد.

به طور کلی به حالتی که گردابه های لبه حمله، لیفت بال را افزایش می دهند، پدیده استال دینامیکی می گویند. مکانیزم  گردابه های لبه حمله در افزایش لیفت بال بدین صورت است که ناحیه ای کم فشار را روی لبه حمله در ناحیه مکش بال یعنی سطح رویی آن ایجاد می کند و در نتیجه میزان لیفت افزایش می یابد. تحقیقات نشان داده است که این لیفت افزوده در مسافت سه الی چهار برابر طول وتر، همچنان وجود دارد. در تصویر زیر از نمای دو بعدی و سه بعدی چگونگی تشکیل گردابه لبه حمله مشاهده می شود:

چرخش سریع بال (تغییر پیچش)

تا اینجا به نظر می رسد که گردابه های لبه حمله تنها باعث افزایش لیفت در بالزدن می شوند درحالی که چرخش سریع بال یعنی تغییر زاویه Twist در انتهای دو مرحله Upstoke و Downstroke خود بر مقدار لیفت می افزاید. مکانیزمی که غالبا در پرواز حشرات شاهد هستیم.

کرامر اثبات کرد که ضریب لیفت می تواند از مقدار استال در حالت پایا فراتر رود، زمانی که ایرفویل از زاویه حمله کم با سرعت به زاویه حمله زیاد برود. این موضوع به اثر کرامر معروف شده است (Shyy, 2013).

 مکانیزم جذب گردابه های (Wake capture)

همانطور که گفته شد برهم کنش ویک های ناشی از بال زدن در تولید لیفت پرواز حشرات، در حالت ایستا، سهیم است. دیکینسون و همکارانش دومین نقطه افزایش لیفت را جایی کشف کردند که بال در حال شروع stroke است. یعنی زمانی که جهت بال در راستای اسپن بال تعویض می شود، افزایش لیفت قابل توجهی وجود دارد. این مکانیزم که wake capture نام دارد، نیروی لیفت را توسط مومنتوم سیالی که به سمت بال (در لحظه شروع stroke) می آید افزایش می دهد. به عبارت دیگر بال ویک های ناشی از مرحله قبلی بالزدن را در لحظه برگشت می بیند و در نتیجه سرعت نسبی روبرو افزایش پیدا کرده و در نتیجه لیفت زیاد می شود. در تصویر زیر شاهد این پدیده هستید:

گردابه نوک بال (Tip Vortices – TiVs)

گردابه های نوک بال که برای یک بال سه بعدی با اسپن محدود اتفاق می افتد، تصور می شود که در کاهش لیفت و افزایش درگ سهیم اند. تریزیلا و همکارانش چندین اثر از TiVs را بر عملکرد بال بالزن گزارش کرده اند:

افزایش لیفت در ناحیه کم فشار گردابه های نوک بال

جریان القایی downwash در اثر گردابه های نوک بال بوجود می آید که زاویه حمله را کاهش می دهد و همچنین باعث ضعیف شدن گردابه های لبه حمله شده و لیفت به طور لحظه کمتر می شود.

این گردابه های نوک بال با ویک های لبه ی حمله و لبه ی فرار تداخل می کنند و از نوسان آنها در پشت بال جلوگیری خواهند کرد. به عبارت دیگر نقش پایدار کنندگی دارند.

برهم کنش جریانات دو بال

یکی از اثرات جریان در بالزن، بر هم کنش دو بال با هم است. این فرایند باعث افزایش لیفت خواهد شد. این قابلیت در حشراتی مثل پروانه، جیرجیرک و ملخ دیده شده است. برهم کنش دو بال که اصطلاحا مکانیزم clap-and-fling  نام دارد، به طور پیوسته توسط حشرات به کار گرفته نمی شود بلکه در پروازهایی که حشره دارای محموله است به چشم می خورد. حشراتی که از این مکانیزم بهره می برند 25 درصد لیفت بیشتری نسبت به حالت عادی تولید می کنند. در شکل زیر نحوه کارکرد این مکانیزم را مشاهده می نمایید:

برهم کنش جریانات دو بال

در تصویر زیر نیز این مکانیزم را در یک روبات بالزن مشاهده می نمایید. در این روبات چهار صفحه برای بالزدن بخدمت گرفته شده است. مراحل باز و بسته شدن بالها و استفاده از مکانیزم clap and fling مشاهده می شود (Shyy, 2013):

برهم کنش دو بال در یک رباط بالزن