مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی رفتار آیروالاستیک غیرخطی بالواره با وجود جدایش جریان بر اساس مدل واماندگی استاتیکی درجه سه

نویسندگان
1 هیئت علمی دانشگاه تهران
2 مهندسی هوافضا، دانشگاه تهران، تهران
3 عضو هیئت علمی، مهندسی هوافضا، دانشگاه تهران، تهران
4 مهندسی هوافضا، دانشگاه آزاد اسلامی واحد گرمسار
چکیده
در این مقاله با معرفی یک الگوی جدید آیرودینامیک برای شبیه‌سازی جدایش جریان و واماندگی استاتیکی، شکل جدیدی از معادلات آیروالاستیک غیرخطی بالواره‌های دو درجه آزادی (خمشی عمودی و پیچشی) استخراج می‌شود. روابط سازه براساس مدل جرم-فنر و حاوی ترم‌های غیرخطی درجه دو و سه است. روابط آیرودینامیک از تلفیق الگوی آیرودینامیک ناپایای وگنر و الگوی غیرخطی ضریب برآ-زاویةحمله برای شبیه‌سازی واماندگی جریان با تقریب معادله درجه سه، به‌دست می‌آید. برای استخراج معادلات آیروالاستیک از اصل همیلتون و معادلات لاگرانژ استفاده می‌شود. همچنین با بکارگیری شیوه حل تاریخچه زمانی انتگرال، معادلات آیروالاستیک غیرخطی انتگرالی-دیفرانسلی حاصله، حل و رفتار آیروالاستیک مقطع مذکور در هر دو رژیم جریان ناپایا و شبه‌پایا با یکدیگر مقایسه می‌شود. استفاده از روش تاریخچه زمانی در حل معادلات باعث کاهش حجم معادلات در مقایسه با روش فضای حالت می‌گردد. نتایج نشان می‌دهد که رفتار آیروالاستیک بالواره با وجود سازه خطی، با استفاده از الگوی آیرودینامیکی غیرخطی معرفی شده برای واماندگی درمقایسه با الگوهای خطی آیرودینامیک، در جریان‌های شبه‌پایا و ناپایا باعث ایجاد نوسانات با سیکل حدی می‌شود. همچنین استفاده از الگوی منحنی درجه سه بجای منحنی تکه‌ای خطی مورد استفاده در مراجع هرچند باعث پیچیده‌تر شدن شکل ظاهری معادلات می‌شود لیکن در زمان حل توسط نرم‌افزار، همگرایی حل سریعتری خواهد داشت و باعث حذف خطاهای موجود در مدلهای مذکور می‌شود. بررسی‌ها نشان می‌دهد که استفاده از آیرودینامیک غیرخطی استاتیک استال علاوه بر کاهش سرعت ناپایداری، دامنه نوسانات سیکل محدود را نیز در هر دو رژیم جریان شبه پایا و ناپایا کاهش می‌دهد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Investigation of nonlinear aeroelastic behavior of airfoils with flow separation based on cubic static stall modeling

نویسندگان English

Shahrokh Shams 1
Mohammad Reza Kazemi 2
Babak Mirzavand Borojeni 3
Zahra Khojasteh Bakhtek Koupaie 4
چکیده English

In this paper, by defining a new paradigm for nonlinear aerodynamic equations of flow separation and static stall, a new form of nonlinear aeroelastic equations for two degrees of freedom airfoils (torsional and bending) are presented. Structural equations are based on the nonlinear mass-spring model; include the nonlinear quadratic and cubic terms. Aerodynamic equations are obtained by combining the unsteady Wagner model and the nonlinear lift coefficient-angle of attack for simulating stall using a cubic approximation. Hamilton’s principle and Lagrange equations were used to derive the aeroelastic equations. The obtained integro-differential nonlinear aeroelastic equations are solved using a new time-history integration method. The aeroelastic behavior of the airfoil is compared in both unsteady and quasi-steady flow. Using the time-history method compared to the phase space method leads to fewer equations. The results show that the aeroelastic behavior of airfoil with a linear structure, using a nonlinear aerodynamic theory for the stall, causes oscillations with a limit cycle in unsteady and quasi-steady flow compared to other linear aerodynamic theories. Also, the use of the cubic curve instead of the piecewise linear curves which is commonly used in other references, although, causes an apparent complication of the equations, reduces the computational time due to faster convergence in solution and makes the reduction in errors. The results show that the use of nonlinear aerodynamic static stall not only reduces the instability velocity, but also reduces the amplitude of limit cycle oscillations in both unsteady and quasi-steady regimes.

کلیدواژه‌ها English

Static stall
Wagner unsteady aerodynamic
Integration historical method
Limit Cycle Oscillations (LCO)