مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی عددی عملکرد آیرودینامیکی ملخ یک هواپیمای سبک با شیار مکنده سطحی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دنشگاه تربیت مدرس، دانشکده مهندسی مکانیک
2 دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده مهندسی مکانیک
10.48311/mme.2026.118933.82963
چکیده
هدف از این پژوهش، افزایش بازده آیرودینامیکی ملخ هواپیمای سبک بونانزا در پرواز پیمایشی و بهبود برد پروازی آن با اعمال شیار مکشی بر سطح هوابر آن بوده است. در تحقیقات پیشین، اعمال شیار مکشی سطحی معمولاً به‌منظور تأخیر در جدایش جریان بر روی هوابر بال هواپیما، پره‌های کمپرسور موتور، توربین‌های بادی و ملخ پهپاد موردبررسی قرار گرفته است. این شیارها به دو صورت فعال و غیرفعال به‌کاررفته‌اند که در این پژوهش از نوع غیرفعال استفاده شده تا افزایش در وزن و تغییر مرکز جرم رخ ندهد. مکان اعمال شیار مکشی بر سطح زیرین یک هوابر نامتقارن دوبعدی نسبت به لبه حمله و با در نظر گرفتن زاویه گام هندسی در ارتفاع و سرعت پیمایشی، تعیین شده است که این کمیت‌ها با توجه به دما، فشار و رطوبت فرودگاه بین‌المللی مهرآباد تهران در نظر گرفته شده‌اند. محاسبات اولیه بر اساس روش مومنتوم المان پره انجام شده و سپس به‌منظور مطالعه میدان جریان و ارزیابی عملکرد ملخ باوجود این شیوه کنترل جریان، از حل عددی با نرم‌افزار انسیس فلوئنت استفاده شده است. نتایج نشان داد هر چه شیار به لبه حمله نزدیک‌تر باشد، اثر آن در کاهش ضریب برآ کمتر است. بااین‌حال، اگر شیار مطابق با ابعاد هندسه ارائه‌شده در این پژوهش بر اجزای منتخب هوابر پره اعمال شود، ضریب نیروی برآی هوابر ملخ حدود 7 درصد و ضریب گشتاور آن در ایستگاه مرجع پره حدود 6 درصد افزایش و بازده ملخ در محدوده نسبت پیشروی 4 درصد بهبود یافته است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Numerical Study of the Aerodynamic Performance of a Light Aircraft Propeller Equipped with Surface Suction Slot

نویسندگان English

HamidReza Jashnani 1
Saeed Karimian Aliabadi 2
1 Tarbiat Modares univercity
2 Tarbiat Modares university
چکیده English

In this study, the aerodynamic performance of the Bonanza light aircraft propeller was investigated by implementing a suction slot on the blade airfoil surface. Previous research has predominantly investigated the use of surface suction slots for delaying flow separation and increasing stall speed on aircraft wings, compressor blades, wind turbines, and UAV propellers. Such slots are generally categorized into two types: active and passive. In the present work, a passive configuration was adopted to prevent additional structural weight and avoid any alteration in the aircraft’s center of gravity during flight. The position of the suction slot on the lower surface of a two-dimensional asymmetric airfoil was determined relative to the leading edge, taking into account the geometric pitch angle at cruise altitude and velocity, as well as the temperature, pressure, and humidity conditions representative of Tehran Mehrabad International Airport. Baseline calculations for a propeller without a slot were carried out using Blade Element Momentum (BEM) theory, complemented by numerical simulations in ANSYS Fluent 2025 R1. The findings indicated that the closer the slot is positioned to the leading edge, the smaller its effect on reducing the lift coefficient. Nevertheless, when the slot was applied according to the geometric dimensions proposed in this study, the lift coefficient (CL) of the propeller blade increased by about 7%, the moment coefficient (Cm) at the reference station increased by about 6%, and the overall propeller efficiency (η) improved by approximately 4% within the advance ratio range.

کلیدواژه‌ها English

Propeller
Efficiency
Aerodynamic Performance
Suction Slot
[1] R. M. Alexander, “Principles of Animal Locomotion”. Princeton University Press, 2003.
[2] E. Buckingham, Jet Propulsion for Airplanes. US National Bureau of Standards, 1922.
[3] L. Prandtl, Über Flüssigkeitsbewegung bei sehr kleiner Reibung, “German History Intersections”, 1904.
[4] M. J. Bamber, Wind Tunnel Tests on Airfoil Boundary Layer Control Using a Backward-Opening Slot, “National Technical Information Service”, Report No. 385, 1931.
[5] G. B. McCullough and D. E. Gault, An Experimental Investigation of an NACA 631-012 Airfoil Section with Leading-Edge Suction Slots, NACA, TN No. 1683, Ames Aeronautical Laboratory, Moffett Field, CA, 1948.
[6] M. H. Shojaefard et al., Numerical Investigation of Flow Control by Suction and Injection on a Subsonic Airfoil, “American Journal of Applied Sciences”, vol. 2, no. 10, 2005. DOI: 10.3844/ajassp.2005.1474.1480
[7] C. A. Eggert and C. L. Rumsey, CFD Study of NACA 0018 Airfoil with Flow Control, NASA, NASA/219602, 2017.
[8] A. Seeni, Aerodynamic Performance Characterization of Slotted Propeller: Part B Effect of Angle, “INCAS Bulletin”, vol. 11, no. 4, 2019.
[9] W. M. W. Mohamed et al., A CFD Simulation on the Performance of Slotted Propeller Design for Various Airfoil Configurations, “CFD Letters”, vol. 13, no. 3, 2021. DOI: 10.37934/cfdl.13.3.4357
[10] N. A. Mousa et al., Optimization Efficiency of the Aircraft Wing of Cessna 172 Skyhawk by Absorbent Adverse Pressure Using Tangential Suction Slot Without Vacuum Device, “Mathematical Modelling of Engineering Problems”, vol. 9, no. 3, 2022.
[11] F. Li et al., A New Segmented Suction Slot Design Based on the Performance of Compressor Cascade, “International Journal of Aerospace Engineering”, no. 3950563, 2023. DOI: 10.1155/2023/3950563
[12] M. A. Aziz et al., Multi-Slotted Airfoil Design for Enhanced Aerodynamic Performance and Economic Efficiency, “Scientific Reports”, vol. 15, no. 4290, 2025.
[13] “Pilot's Operating Handbook, Beechcraft Bonanza F33A & F33C Acrobatic”, 1977.
[14] J. M. Janus, “General Aviation Propeller-Airframe Integration Simulations”, 2006. DOI:10.2514/1.15354
[15] AIP, “Islamic Republic of Iran Aeronautical Information Publication”, Sep. 2024.
[16] A. Piccirillo. The Clark Y Airfoil: A Historical Retrospective, 2000. DOI:10.4271/2000-01-5517
[17] O. Gur, “Propeller Design”. American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2024.
[18] S. Gudmundsson, “General Aviation Aircraft Design”. Elsevier, 2022.
[19] F. R. Menter, Zonal Two Equation k-ω Turbulence Models for Aerodynamic Flows, AIAA, 1993.
[20] F. R. Menter, Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications, “AIAA”, vol. 32, no. 8, pp. 1598–1605, 1994.
[21] Ali, Rami Mamdouh, Yi Zhou, and Shuang Fu. “Numerical study of the effect of slot position on the hydrodynamic characteristics of NACA 4412 at high angles of attack.” Transactions of the St. Petersburg State Marine Technical University 5.1, 2026.
[22] Ansys, Inc., Ansys Fluent Theory Guide, Release 2026 R1, March 2026. Canonsburg, PA, USA: Ansys, Inc., 2026.
[23] M. Manolesos et al., “Flow separation and control on a 35% thick wind turbine airfoil: experiments, simulations and data driven analysis.” Aerospace Science and Technology, Volume 176, Part D, 2026.