مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مقایسه‌ی بازده پیشران و استخراج توان ایرفویل‌های زیستی و ناکا 0015 در حرکات نوسانی

نویسندگان
عباس سربندی
علیرضا نادری
حمید پرهیزکار
دانشگاه صنعتی مالک اشتر
چکیده
در این تحقیق حرکت نوسانی انتقال عمودی و زاویه‌ای ایرفویل زیستی و ناکا 0015 به صورت عددی شبیه‌سازی و تاثیر فرکانس کاسته، دامنه نوسان انتقالی و زاویه‌ای بر ضرایب آیرودینامیکی، بازده توان استخراجی و توان پیشران بررسی و نتایج حاصله با یکدیگر مقایسه می‌شود. شبیه‌سازی عددی در رینولدز 1100 که مطابق با رژیم پروازی حشرات است، با بکارگیری قابلیت شبکه دینامیکی نرم‌افزار اُپن‌فوم انجام و جریان ناپایا، تراکم‌ناپذیر، لزج و آرام فرض می‌شود. برای محاسبه میدان جریان سیال از روش حجم محدود استفاده و مقادیر متغیرها در مرکز هر حجم کنترل ذخیره می‌شود. در این شبیه‌سازی، پارامترهای فرکانس کاسته از 0.05 تا 0.5، دامنه نوسان انتقالی از 0.25 تا 1.75 وتر و دامنه نوسان زاویه‌ای از 15 تا 75 درجه تغییر یافته و اختلاف فاز بین حرکت انتقالی و زاویه‌ای ثابت و برابر π⁄2 در نظر گرفته می‌شود. مقایسه‌ی نتایج حاصله با داده‌های موجود و معتبر، صحت مدل‌سازی عددی را تایید می‌نماید. ترکیب پارامترهای حرکتی مختلف نظیر فرکانس کاسته و دامنه نوسان عمودی و زاویه‌ای تعیین می‌نماید که ایرفویل زیستی در رژیم استخراج توان (کار جریان روی ایرفویل)، تولید پیشران (کار ایرفویل روی جریان) یا در وضعیت خنثی (عدم تولید پیشران و توان) قرار می‌گیرد و از نظر کیفی نیز همانند ایرفویل ناکا عمل می‌نماید. نتایج حاصله نشان می‌دهد که با تغییر پارامترهای فرکانس کاسته، دامنه نوسان عمودی و زاویه‌ای، هرچه به ناحیه‌ی خنثی نزدیکتر باشد ایرفویل زیستی بازده بالاتری نسبت به ایرفویل ناکا نمایش می‌دهد و با دور شدن از ناحیه‌ی خنثی بازده ایرفویل ناکا بهتر می‌شود.
کلیدواژه‌ها
ایرفویل زیستی
استخراج توان
پیشران
خنثی
نوسان انتقالی و زاویه‌ای

عنوان مقاله English

Comparison of propulsion efficiency and power extraction of bio inspired flapping airfoil and NACA 0015

نویسندگان English

Abbas Sarbandi
Alireza Naderi
Hamid Parhizkar
چکیده English

In this research, pitching and plunging motion of bio inspired and NACA airfoil are simulated numerically and the effects of reduced frequency, pitching and plunging amplitude on aerodynamic coefficients, power-extraction and propulsion efficiency are investigated and compared with each other. The simulation is done at Reynolds number of 1100 which is correspond to insect flight regime, using dynamic mesh capability of OpenFoam and fluid flow is assumed unsteady, viscous and laminar. In order to computation of fluid flow field, control volume method is used and value of variables store at the center of control volume. Reduced frequency, plunging and pitching amplitudes vary between 0.05-0.5, 0.25-1.75, 15-75 respectively and phase difference between pitching and plunging motion is kept constant at 90 degrees. Comparison of result with published data confirms the validation of research. Combination of different motion parameter such as reduced frequency, pitching and plunging amplitudes determine that bio inspired airfoil acting in power-extraction (fluid works on the airfoil), propulsion (airfoil works on the fluid) or feather (no producing power or propulsion) regime, and qualitatively is the same as NACA airfoil. The obtained results shows that with variation of reduced frequency, pitching and plunging amplitudes, whatever close to the feathering regime, bio inspired airfoil shows higher efficiency than NACA airfoil and vice versa.

کلیدواژه‌ها English

Bio Inspired Airfoil
Power Extraction
propulsion
Feather
Pitching and Plunging
[1] T. Y. Wu, Extraction of flow energy by a wing oscillating in waves. Journal of Ship Research, Vol. 16, No. 1, pp. 66–78, 1972.
[2] W. McKinney, J. DeLaurier, The wingmill: An oscillating wing windmill, Journal of Energy, Vol. 5, No. 2, pp. 109–115, 1981.
[3] K. D. Jones, K. Lindsey, M. F. Platzer, An investigation of the fluid-structure interaction in an oscillating-wing Micro-Hydropower generator, WIT Press, pp. 73–82, 2003.
[4] T. Kinsey, G. Dumas, Parametric study of an oscillating airfoil in a powerextraction regime, AIAA Journal, Vol. 46, No. 6, pp. 1318–1330, 2008.
[5] R. Godoy-Diana, J. L. Aider, J. E. Wesfreid, Transitions in the wake of a flapping foil, Physical Review, Vol. 77, No. 1, pp. 1-5, 2008.
[6] H. McMasters, M. L. Henderson, Low speed single element airfoil synthesis, Technical Soaring, Vol. 6, No. 2, pp. 1-21, 1980.
[7] M. Gad-el-Hak, Micro-Air-Vehicles: Can they be controlled better?, Journal of Aircraft, Vol. 38, No. 3, pp. 419-429, 2001.
[8] W. H. Sun, J. M. Miao, H. T. Yu, C. H. Tai, C. C. Hung, U. K. Hsu, Low reynolds number unsteady aerodynamic charactristics of flapping corrugated airfoil, Seventh International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries, CSIRO, Melbourne, Australia, December 9-11, 2009.
[9] X. G. Meng, L. Xu, M. Sun, Aerodynamic effects of corrugation in flapping insect wings in hovering flight, Journal of Experimental Biology, Vol. 214, No. 3, pp. 432-444, 2010.
[10] A. Baghri, A. Esmaeili, M. H. Djavareshkian, A. M. Zamani Fard, Aerodynamic investigation and optimization of airfoil geometry and oscillation parameters in the plunging motion using RSM, Modares Mechanical Engineering, Vol. 14, No. 16, pp. 101-111, 2015. (In (فارسی Persian
[11] A. Naderi, M. Farokhi Nejad, Numerical investigation of aerodynamic charactristics of bio-inspired airfoil in pitching motion with EulerianLagrangian algorithm, International Conference of Iranian Aerospace Society, Tehran, Iran, Febuary 23-25, 2016. (In Persian فارسی(
[12] A. Naderi, M. Farokhi Nejad, Numerical investigation of aerodynamic charactristics of bio-inspired airfoil in pitching motion and compared with flat plate and NACA0012 with Eulerian-Lagrangian algorithm, 24 th Annual International Conference on Mechanical Engineering, April 26-28, 2016. (In (فارسی Persian
[13] X. Shi, X. Huang, Y. Zheng, S. Zhao, Effects of cambers on gliding and hovering performance of corrugated dragonfly airfoils, International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, Vol. 26, No. 3, pp. 1092-1120, 2016.
[14] T. J. Flint, M. C. Jermy, T. H. New, W. H. Ho, Computational study of a pitching bio-inspired corrugated airfoil, International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 65, No. 1, pp. 328–341, 2017.
[15] J. M. Anderson, K. Streitlien, D. S. Barrett, M. S. Triantafyllou, Oscillating foils of high propulsive efficiency, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 360, pp. 41–72, 1998.
[16] J. Young, J. C. S. Lai, Mechanisms influencing the efficiency of oscillating airfoil propulsion, AIAA Journal, Vol. 45, No. 7, pp. 1695-1702, 2007.
[17] A. Kesel, Aerodynamic characteristics of dragonfly wing sections compared with technical aerofoils, The Journal of Experimental Biology, Vol. 203, pp. 3125-3135, 2000.
[18] T. Jeffery, H. H. Murphy, An experimental study of a bio-inspired corrugated airfoil for micro air vehicle applications, Experiments in Fluids, Vol. 49, No. 2, pp. 531–546, 2010.
[19] A. Vargas, R. Mittal, Aerodynamic performance of biological airfoils, AIAA 2nd Flow Control Conference, Portland, Oregon, Jun 28–30, 2004.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 18، شماره 2
اردیبهشت 1397
صفحه 147-158