کنترل جریان آرام در لایه مرزی برای کاهش پسای بال هواپیما

 

سیاوش عزیزی¹، امین کرامتی²

 

¹دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک-گرایش تبدیل انرژی،دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، sazizi@kntu.ac.ir

²دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک-گرایش تبدیل انرژی،دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، akeramati@kntu.ac.ir

 

 

چکیده

از دهه‌ی 1970 میلادی که بحران نفت و مشتقات آن باعث دگرگونی کره زمین شد، سرمایه‌گذاری بر روی کاهش مصرف انرژی امری بسیار ضروری به نظر رسید. در این راستا اکثریت شرکت‌های سازنده هواپیماها به سمت کاهش نیروی پسا روی آوردند. البته مساله‌ی پیش روی ما بسیار وسیع‌تر از کاهش نیروی پسا بر بال هواپیماها است و اکثریت صنایع مرتبط با سیالات را در بر می‌گیرد. از میان تکنولوژی‌های مختلف کاهش نیروی پسا، روش کنترل جریان آرام از پتانسیل بالایی جهت بهبود میزان مصرف سوخت هواپیماها برخوردار است. با استفاده از تحقیقات انجام شده بر روی هواپیماهای مختلف کاهش حدودی 30 درصدی سوخت با استفاده از این روش اثبات شده است. کاهش مصرف سوخت نه تنها باعث کاهش هزینه بلکه موجب کاهش صدور گازهای خروجی نیز می‌گردد. در زیر به ذکر چند نکته از اثرات کاهش پسا می‌پردازیم:

1- کاهش ضریب پسای یک ماشین شخصی به اندازه‌ی 0.1 باعث کاهش 7.5% مصرف سوخت می‌گردد. یعنی در کشورمان در صورتی‌که متوسط حرکت ماشین‌ها 5000 کیلومتر در سال باشد و وجود حدودا 30 میلیون ماشین، به کاهش مصرف 15 میلیارد لیتر در سال یعنی حدود 4500 میلیارد تومان خواهیم رسید.

2- کاهش 15% پسا در هواپیمای ایرباس A340-300B موجب صرفه‌جویی 12 درصدی در مصرف سوخت و 10 میلیون گالن در طول عمرش خواهد شد. چنین دستاورد بزرگی در کاربردهای تجاری و نظامی از اهمیت خاصی برخوردار است.

از لحاظ فیزیکی هنگامی‌که یک سطح جامد در یک سیال حرکت می‌کند، به دلیل لزجت سیال، نیروی اصطکاکی در طول لایه نازکی از آن سیال که در کنار سطح است، به جسم وارد می‌شود. لودویک پرانتل در سال 1904 میلادی نشان داد که چگونه می‌توان جریان اطراف یک جسم جامد را جهت تحلیل به دو ناحیه تقسیم کرد:

1- لایه نازکی (کمتر از میلیمتر) از سیال به اسم لایه مرزی در جایی که اصطکاک از نقش مهمی برخوردار است.

2- ناحیه خارج لایه مرزی که اثرات اصطکاک قابل چشم‌پوشی است.

واژه های کلیدی

نیروی پسا، کنترل جریان آرام، لزجت سیال، لایه مرزی

 

مقدمه

منظور از کنترل لایه مرزی استفاده از روش‌های فنی و بر پایه علم جهت کنترل گسترش لایه مرزی و جلوگیری از ایجاد پدیده جدایش است. به طور کلی می‌توان گفت تغییر کل جریان به صورت مطلوب با تحت تاثیر قرار دادن ساختار جریان سیال در لایه مرزی است. یک لایه مرزی آرام در یک سیال فقط قادر به تحمل گرادیان‌های فشار معکوس[1] بسیار ناچیز است. اگرچه امکان وقوع جدایش[2] در حالت جریان آرام بسیار زودتر از جریان درهم رخ می‌دهد ولی در کاربردهای عملی باید از وقوع جدایش به منظور کاهش نیروی پسا[3] و افزایش نیروی برا[4] جلوگیری کرد. از نظر تئوری روش‌های مختلفی برای کنترل لایه مرزی وجود دارد که به قرار زیرند:

1- حرکت دیواره جامد

2- شتاب گرفتن لایه مرزی (دمیدن)

3- تزریق یک گاز متفاوت

4- جلوگیری از انتقال جریان آرام به درهم با استفاده از شکل‌های مناسب

5- سرد کردن دیواره

6- مکش

روش مکش با برداشت مقادیر کمی از لایه مرزی هوا از طریق دیواره‌ی متخلخل[5] و یا شیارهای نازک روی سطح و یا سوراخ‌های کوچک یکی از روش‌های پرکاربرد و عملی در صنعت است [1].

به عنوان مثال برای بال‌های دارای انحنای زیاد (مورب) مکش بسیار عالی می‌تواند جریال آرام را به درهم تبدیل کرده و سیستم ما را کنترل کند [1].

در قسمت بعدی به توضیح هر یک از روش‌های کنترل لایه مرزی پرداخته و در پایان روش مکش به عنوان یک روش پرکاربرد و عملی را به طور کامل مورد بررسی قرار می‌دهیم.

 

 

1- حرکت دیواره‌ی جامد

شاید با قدرت بتوان گفت که واضح‌ترین روش جلوگیری از جدایش جریان، جلوگیری از تشکیل لایه مرزی است. از آن‌جایی‌که وجود لایه‌ی مرزی به علت اختلاف سرعت و فشار سیال با دیواره‌ی جامد است، با کاهش اختلاف سرعت یعنی با به حرکت در آوردن دیواره‌ی جامد به همراه جریان سیال می‌توان از تشکیل لایه مرزی تا حدودی جلوگیری کرد. یکی از مثال‌هایی که از این روش استفاده می‌نماید چرخاندن یک استوانه در داخل سیال است [2]. در الگوی جریان سیال در اطراف یک استوانه‌ی چرخان درجایی که استوانه و جریان سیال در یک جهت حرکت می‌کنند، جدایش اتفاق نمی‌افتد و در قسمت دیگر استوانه جدایش به صورت غیر کامل رخ می‌دهد و در مجموع الگوی جریان بسیار نزدیک به الگوی جریان غیر لزج عبوری از یک استوانه با سیرکولاسیون[6] است.

البته باید ذکر شود که در عمل به دلیل عدم آسان بودن چرخش یک جسم که شاید شباهتی به استوانه نداشته باشد ، از این روش به دلیل هزینه‌بر بودن استفاده چندانی نمی‌شود. در شکل(1) تحقیقات آنتونیوس مونوکروسوس[7] و همکارانش [3] نشان داده شده است. شکل(1) a و b توربولانس بودن جریان را نشان می‌دهد. در شکل(1) c با کنترل حرکت سطح جامد توربولانس به طور کلی حذف گردیده است.

 

شکل(1): اثرات حرکت سطح جامد بر روی سرعت آیروفویل [3]

 

2- دمیدن

روش دمیدن بر پایه دادن انرژی اضافی به ذرات سیال که در لایه مرزی سرعت آنها کم است، بنا شده است. این کار با استفاده از دو روش کلی زیر انجام می‌پذیرد:

1- دمیدن سیال از داخل بدنه جسم بوسیله یک دمنده[8]

2- گرفتن انرژی لازم به طور مستقیم از جریان اصلی بوسیله‌ی یک شیار در بدنه

باید توجه داشت هنگامی‌که سیال از دریچه خارج می‌شود به منظور جلوگیری از محو شدن جت‌های[9] خروجی در ورتکس‌ها[10] در فاصله نزدیکی از مقطع خروجی، باید به شکل و جهت شیار توجه کافی داشت [4].

با توجه به شکل(2) در حالتی‌که با یک بال شیاردار روبه‌رو هستیم لایه‌مرزی شکل گرفته در روی قسمت A قبل از اینکه جدایش برایش رخ دهد به جریان اصلی منتقل می‌گردد و از نقطه‌یB یک لایه مرزی جدید به سمت جلو تشکیل می‌شود.

تحت شرایط مطلوب طراحی جدایش به نقطه پایانی بال[11] می‌رسد. با این روش می‌توان برای زوایای حمله بزرگتر که احتمال جدایش در آن‌ها زیادتر است، را به مقدار بسیار مطلوبی با تاخیر انداخت و به نیروهای برای بزرگتری رسید.

 

شکل(2): آیروفویل دارای سوراخ [4]

 

3 – تزریق یک گاز متفاوت

با استفاده از تزریق یک گاز سبک متفاوت با خود سیال، از طریق یک جدار متخلخل به لایه مرزی می‌توان نرخ تبادل گرما بین دیواره‌ و جریان را کاهش داد. از این روش در سرعت‌های مافوق صوت استفاده می‌گردد. در واقع با تزریق گاز[12] یک مخلوط گازی بر روی دیواره‌ی بال شکل می‌گیرد که باعث تبدیل بیشتر انتقال جرم بوسیله‌ی پخش[13] به فرایندهای انتقال مومنتوم و حرارت می‌شود.

از این روش بیشتر در توربین‌های بخار و گازی در نیروگاه‌ها استفاده می‌گردد که با ایجاد یک لایه نازک علاوه بر کاهش نیروی پسا باعث خنک کاری پره نیز می‌گردد.

 

شکل(3): تزریق گاز در یک بال هواپیما [5]

 

4- استفاده از اشکال مناسب

تبدیل جریان آرام به درهم را می‌توان با استفاده از اجسامی که به طور مناسب شکل داده شده‌اند به تاخیر انداخت. یادآوری می‌کنیم که هدف ما از این کار کاهش پسای اصطکاکی با جابه‌جایی ناحیه انتقال به نقطه‌ای دورتر در پایین دست جریان است.

همچنین ثابت شده است که محل انتقال در لایه مرزی به شدت تحت تاثیر گرادیان فشار در جریان خارجی است به طوری که با کاهش فشار انتقال در اعداد رینولدز[14] بسیار بزرگ‌تری رخ می‌دهد. در واقع می‌توان گفت کاهش فشار موجب افزایش پایداری لایه مرزی می‌گردد. بنابراین نتیجه مطلوب با قراردادن مقطعی با بیشترین ضخامت در نواحی انتهایی ایرفویل به‌دست می‌آید و بدین صورت بیشترین ناحیه از ایرفویل تحت فشاری خواهد بود که در حال کاهش است و لایه مرزی آرام روی آن حفظ می‌شود.

 

 

5- سرد کردن دیواره

این روش جهت افزایش کوچک‌ترین عدد رینولدز بحرانی انتقال جرم آرام به درهم می‌شود. در محدوه خاصی از اعداد ماخ[15] مافوق صوت می‌توان لایه مرزی را با سرد کردن دیوار جامد به طور کامل پایدار کرد [6].

سرد کردن لایه مرزی خود باعث کاهش ضخامت لایه مرزی نیز خواهد شد. در تونل‌های باد به دلیل آنکه گاز با چگالی بسیار کم به عنوان سیال استفاده می‌گردد کاهش لایه مرزی از اهمیت خاصی برخوردار می‌شود زیرا افزایش ضخامت لایه مرزی باعث کاهش سطح مقطع مفید جریان داخل تونل می‌گردد. در واقع این روش در شرایط عمومی (مثلا هوانوردی) غیر عملی بوده و بیشتر در مقیاس آزمایشگاهی قابل بررسی می‌باشد.

 

 

6- مکش

در ابتدای شرح دادن روش مکش[16] باید توجه داشت که این روش هم از نظر دانش علمی هم از نظر کاربردی از اهمیت بسزایی برخوردار است.

مکش عبارت است از گرفتن مقداری سیال که حرکت آنها به دلیل قرار گرفتن در لایه مرزی، کند شده است. هدف اصلی جلوگیری از جدایش لایه مرزی و به تاخیر انداختن آن است. در واقع می‌توان گفت که یک لایه مرزی جدید در ناحیه پشت شیار تشکیل می‌گردد که قادر به غلبه بر یک گرادیان فشار خاص است [7].

باید توجه داشت که با چیدمان مناسبی از شیارها و تحت شرایط مطلوب با این روش می‌توان به طور کامل از وقوع جدایش جلوگیری کرد و در غیاب جدایش نیروی پسای فشاری به مقدار قابل توجهی کاهش می‌یابد.

این روش کاربردی که اولین بار توسط پرانتل[17] [5]پیشنهاد شد امروزه در اکثر هواپیماهای مسافربری با نصب شیارهایی نازک و کوچک بر روی بال استفاده می‌گردد. شکل(4) یک ایروفویل را نشان می‌دهد. حفره‌های مکنده موجود بر روی ایروفویل باعث به عقب انداختن جدایش بر روی پره می‌گردد.

 

شکل(4): پره آیروفویل همراه با حفره‌های مکنده [8]

 

در واقع با چیدمان مناسب شیارهای مکش می‌‌توان ناحیه انتقال لایه مرزی آرام به درهم را به سمت پایین دست جریان انتقال داد که این عمل باعث کاهش ضریب پسا می‌گردد. علت این امر این است که نیروی پسا در منطقه‌ی آرام به صورت چشمگیری کوچک‌تر از حالت توربولانس است. در واقع علت به تاخیر انداختن انتقال با روش مکش کاهش لایه مرزی است که در نتیجه‌ی آن احتمال تبدیل جریان آرام به درهم بسیار کمتر می‌شود.

قابل ذکر است که مکش لایه مرزی نیاز به سیستم رانشی دارد که انرژی مصرف می‌کند. پس این روش زمانی مقرون به صرفه است که انرژی لازم برای فعال‌سازی سیستم کنترل جریان آرام کمتر از میزان انرژی صرفه‌جویی شده در اثر استفاده از این روش باشد.

باید توجه داشت که سرعت عمودی لازم برای مکش قسمتی از لایه مرزی، بسیار کوچک است و هیچ اثر ماکروسکوپی روی توزیع فشار بر روی سطح ندارد.

برای استفاده از این روش سطح بال باید از زبری پایین و کیفیت بالا برخوردار باشد. همچین تا جایی که ممکن است باید مکش عمودی یکنواخت باشد تا از اختشاشات بیشتر در ساختار جریان جلوگیری کند.

به طور کلی می‌توان گفت که توسعه سیستم مکش لایه مرزی بسیار پیچیده بوده و به پارامترهای زیر به شدت وابسته است:

1- مکان بهینه شیارها

2- بهبود پارامترهای هندسی

3- سیستم قدرت

4- میزان مکش

از نقطه نظر هزینه ساخت و نگهداری این روش محدود می‌شود اما از نقطه نظر امکان‌سنجی با راندمان قادر به کنترل لایه مرزی می‌باشد. در قسمت بعدی به دو تکنولوژی کاملا ارتقا یافته در کاهش نیروی پسا اشاره می‌‌کنیم:

 

 

1- استفاده از MEMS جهت کاهش پسا در لایه مرزی:

در سال‌های گذشته استفاده از سیستم‌های میکروالکترومکانیکی[18] (MEMS) برای کنترل فعال اغتشاش نزدیک به جداره جامد به وسیله‌ی برخی از محققان و دانشمندان پیشنهاد شده است.

به عنوان مثال می‌توان به میکروفلپ‌ها[19] اشاره کرد که شامل یک مدار کنترلی فعال[20] و یک سیستم اکچویتر[21] الکترونیکی هستند.

در این سیستم یک الگوریتم کنترلی به فلپ[22] فرمان می‌دهد تا جریان اطراف دیواره را بر اساس نوسانات اندازه‌گیری شده‌ی فشار جهت کاهش پسای اصطکاکی کاهش دهد.

 

شکل(5): استفاده از MEMS در ایروفویل‌ها

 

اگرچه این مطلب می‌تواند از لحاظ تئوری از پتانسیل بالایی جهت کاهش پسا برخوردار باشد ولی هنوز استفاده از آن در عمل با مشکلات فراوانی همراه است. قابل ذکر است که مفاهیم کنترل فعال دیگری همچون میکروجت‌ها در سال‌های اخیر پیشنهاد شده است.

2- دیواره انعطاف‌پذیر

دیواره انعطاف‌پذیر یک ایده تقریبا جدید جهت کاهش نیروی پسا با استفاده از پوشش‌های انعطاف‌پذیر[23] روی سطوح آئروهیدرودینامیکی[24] است. این ایده بسیار قشنگ از طبیعت حرکت دلفین‌ها و چگونگی تامین نیروی رانش توسط حیوانات نشات گرفت .

 

شکل(6): حرکت دلفین و تئوری لایه انعطاف‌پذیر

 

 

این دیواره باید با لایه مرزی در تقابل مستقیم باشد و گسترش آن را کنترل نماید. به این صورت که طول موج این پوسته انعطاف‌پذیر باید هم مرتبه با اندازه ضخامت لایه مرزی باشد و دامنه آن باید هم‌مرتبه با زیر لایه‌ی لزج باشد.

ایده اصلی این روش این است که وقتی سطح تحت تاثیر سیال اطراف خود قرار گیرد بگونه‎ای عمل کند که لایه‌ مرزی در طول بیشتری به صفحه بچسبد و میزان نیروی پسای سیستم کاهش یابد.

 

شکل(7): دیواره انعطاف‌پذیر در انتهای باله [9]

 

این مسئله با شناخت کامل رفتار و خواص دیواره انعطاف‌پذیر ارتباط تنگاتنگ دارد. یکی از مسائل مهم دیگر در رابطه با این دیواره موازنه‌ی انرژی است؛ یعنی آیا میزان انرژی مصرفی توسط سیستم به گونه‌ای است که با نصب آن کاهش مصرف انرژی در سیستم آئرودینامیکی[25] مشاهده شود؟

 

نتيجه‌گيری

به دلیل صنعت رو به رشد امروز باید دانش علمی و فنی ساخت وسایل مهندسی از دانشگاه‌ها به طرف مراکز صنعتی و بلعکس در جریان باشد. در مورد کنترل لایه مرزی به دلیل کاربردی بودن مبحث هم از نقطه نظر صنعتی و هم نظامی ایجاب می‌کند که کار بر روی این مبحث به طور جدی دنبال گردد.

در مباحث کنترل لایه مرزی در پره‌ها روش مکش هم از نظر فنی و مهندسی هم از نظر صنعتی و ساخت پیشرفت چشمگیری داشته است. امروزه در هواپیماهای مدل A-380 آیرباس تکنولوژی‌های نوین کنترل لایه مرزی استفاده شده است. روش انعطاف‌پذیری بدنه به دلیل هزینه‌بر بودن فقط در مدل‌های کوچک 2 نفره به صورت آزمایشی استفاده شده است.

 

 

تشکر و قدردانی

از آقای دکتر مهرزاد شمس عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، به دلیل یادگیری نکات مهم در نوشتن مقاله و آموزش درس لایه مرزی، بسیار سپاس‌گزاریم.

 

 

 

مراجع

[1] A. Laouar and E. H. Mezaache, “Numerical Study of the Effect of Parietal Suction and Injection on Momentum and Heat Transfer of Laminar and Turbulent External Flow,” Energy Procedia, vol. 36, pp. 1101–1110, Jan. 2013.

[2] T. S. Lee, “NUMERICAL COMPUTATION OF FLUID CONVECTION WITH AIR ENCLOSED BETWEEN THE ANNULI OF ECCENTRIC HEATED HORIZONTAL ROTATING CYLINDERS . Experimental works,” vol. 21, no. 3, pp. 355–368, 1992.

[3] B. A. Monokrousos and L. Brandt, “Control of a separating boundary layer with travelling waves on the wall,” 2011.

[4] D. E. Strdmungsmechanik, D. E. Strdmunasmechanik, H. T.- Fluiddynamik, and T. U. Berlin, “LAMINAR B O U N D A R Y LAYER SEPARATION : INSTABILITY A N D ASSOCIATED P H E N O M E N A,” vol. 30, pp. 61–94, 1994.

[5] A. Braslow, “A history of suction-type laminar-flow control with emphasis on flight research,” 1999.

[6] K. G. Garayev, “Optimal injection of coolant into the laminar boundary layer of a compressible gas,” J. Appl. Math. Mech., vol. 65, no. 2, pp. 253–259, Jan. 2001.

[7] P. Mouyon, G. Casalis, A. Séraudie, and S. Prudhomme, “Feedback control of the laminar-turbulent transition onset in a boundary layer by suction,” Exp. Therm. Fluid Sci., vol. 16, no. 1–2, pp. 22–31, Jan. 1998.

[8] “wing boundary layer aerodynamics.” .

[9] “hot-film.” .

 

 

[1] Adverse pressure gradient

[2] Separation

[3] Drag force

[4] Lift force

[5] Porous wall

[6] Circulation

[7] Antonios Monokrousos and Luca Brandt

[8] Blower

[9] Jet

[10] Vortex

[11] Trailing Edge

[12] Gas injection

[13] Diffusion

[14] Reynolds number

[15] Mach number

[16] Suction

[17] Prandtl

[18] Micro Electrical Mechanical Systems

[19] Micro flaps

[20] Pressure Probe

[21] Actuator

[22] Flap

[23] Flexible surface materials

Aerohydrodynamics [24]

[25] Aerodynamic