تاثیر میدان های الکترومغناطیس بر روی جدایی جریان در ایرفویل

در کار حاضر هدف ما بررسی تاثیر نیروی لورنتس ناشی از تداخل میدان های الکترومغناطیسی و میدان جریان سیال، بر روی جریان سیال یونیزه آب نمک از روی ایرفویل NACA0015 می‌باشد. در اثر تاثیر این نیروها دیده می‌شود که ضریب لیفت افزایش و ضریب درگ کاهش می یابد و همچنین زاویه استال افزایش می یابد.

با توجه به اثرات مثبت این پدیده بر جریان سیال، تحقیقات گسترده ای بر روی این روش انجام شده و در صنعت ساخت هواپیما و زیردریایی می‌تواند گره گشای برخی نواقص باشد.

مقدمه

کنترل جریان به صورت دستکاری کردن میدان جریان برای ایجاد یک تغییر مطلوب تعریف می شود. جریان از روی یک جسم مانند سطح بیرونی هواپیما یا زیردریایی را می­توان برای اهداف زیر دستکاری کرد:

1. به تاخیر انداختن گذار
2. به تعویق انداختن جدایش
3. افزایش لیفت
4. کاهش درگ فشاری و اصطکاک پوسته ای

روشهایی که برای نائل شدن به اهداف بالا مورد استفاده قرار می­گیرد را روشهای کنتر ل جریان می نامند. دسته بندی‌های مختلفی برای روشهای کنترل جریان وجود دارد. گد-ال-هک [1] روشهای کنترل جریان را در چند بخش  تقسیم بندی کرده است. که برای مثال می توان به روشهای زیر اشاره کرد :

روشهایی که روی دیوار یا دور از آن اعمال می شود:

وقتی کنترل جریان روی دیوار اعمال می شود پارامترهای سطح شامل زبری، شکل سطح، تحدب، جابجایی دیوار، دما و تخلخل سطح برای ایجاد مکش ودمش می تواند روی نتایج نهایی که در بالا ذکر شد تاثیر بگذارد.گرم وسرد کردن سطح نیز می­تواند از طریق ایجاد گرادیانهای دانسیته و ویسکوزیته روی جریان تاثیر گذار باشد. همچنین روشهایی که دور از دیوار (سطح) اعمال می شوند  مانند بمباران کردن لایه­های برشی از طریق امواج آکوستیک از بیرون سطح، شکست ادیهای بزرگ بوسیله وسایلی که دور ازدیوارند روشهای مفید و سودمندی هستند.

روشهای اکتیو و پسیو

روش دومی که برای دسته بندی روشهای کنترل جریان وجود دارد به روشهای اکتیو و پسیو موسومند. روشهای پسیو مانند تولید کننده های ورتکس، فلپ ها، ریبلت ها نیازمند مصرف انرژی نیستند. ولی روشهای اکتیو نیاز به انرژی مصرفی دارند مانند مکش و دمش، سطوح متحرک. روش اکتیو دیگری که برای کنترل جریان اطراف ایرفویل استفاده می شود هیدرودینامیک مغناطیسی یا به اختصار MHD است که باعث افزایش لیفت و کاهش درگ می شود. جریان یک سیال الکترولیت در  داخل میدان­های الکتریکی و مغناطیسی باعث اعمال نیروهای حجمی (نیروهای لورنتس ) به ذرات سیال می گردد.

تعاریف مفاهیم به کار رفته در این گزارش

• ضریب درگ: نیروی درگ یا مقاوم وارد شده بر جسم برابر است.
• نیروی درگ پوسته ای یا اصطکاکی: نیروی درگ اصطکاکی به علت وجود تنش روی سطح حاصل می‌گردد و نیرویی است که توسط سیال بر روی جامداتی که در مسیر جریان قرار می گیرند اعمال می‌شود. انتقال ممنتوم عمود بر سطح ناشی از این نیرو است که موازی با مسیر جریان بر سطح وارد می‌شود.
• نیروی درگ شکلی:  هر گاه سیال به موازات سطح جریان نداشته باشد به طوری که جهت عبور از جسم جامد ناگزیر به تغییر مسیر گردد (مانند کره) علاوه بر نیروی درگ اصطکاکی نیروی درگ فشاری هم حاصل خواهد شد.
• نیروی لیفت: نیروی لیفت، مولفه عمود بر جریان نیروی وارد شده از طرف سیال بر جسم است.

مدل RNG

مدل RNG از تکنیک های پیچیده آماری حاصل شده است. این مدل شباهت زیادی به مدل استاندارد داشته، اما اصلاحات زیر در آن انجام گرفته است.

مدل RNG ترمی اضافی در معادله  دارد که دقت محاسبه را برای جریانهای با سرعت بالا، افزایش می‌دهد.

اثر چرخش بر روی اغتشاش، در مدل RNG مد نظر قرار گرفته شده است که دقت را در جریان های چرخشی افزایش می‌دهد.

تئوری مدل RNG برای اعداد پرانتل مغشوش، فرمولی تحلیلی ارائه می‌دهد در حالی که مدل استاندارد  از ثابت ها و مقادیر تعریف شده توسط کاربر استفاده می نماید.

در حالی که مدل استاندارد برای اعداد رینولدز بالا قابل استفاده است، تئوری RNG راه حل تحلیلی برای جریان های با اعداد رینولدز پایین ارائه می نماید.

این خصوصیات مدل RNG را دقیق تر و کاربردی تر از مدل استاندارد و برای طیف وسیع تری از جریان ها نشان می‌دهد.

مدل RNG اساساً از معادلات ناویر- استوکس[1] به دست می‌آید که برای این منظور از تکینک های ریاضی به نام renormalization group یا به اختصار روش RNG استفاده می‌گردد.

نحوه ایجاد نیروی لورنتس موازی با جریان

در بخش حاضر، نحوه ایجاد نیروی لورنتس در قالب معرفی عملگر الکترومغناطیس (EM Actuator) مورد تشریح قرار می گیرد. عملگر الکترومغناطیسی به کارگیری مستقیم نیروی لورنتس را در داخل میدان جریان سیال (الکترولیت) جهت کنترل آن عملی می‌سازد. به طور کلی این عملگر شامل ترکیبی از زوج الکترودها و قطب های آهنربایی با یک ساختار حساب شده است. موقعیت الکترودها و قطب های مغناطیسی در عملگر مذکور می بایست نسبت به هم طوری باشد که عبارت  در نزدیکی عملگر مخالف صفر بوده و نیروی لورنتس با مقدار و جهت مشخصی تامین بشود.

بررسی نتایج

جهت مطالعه تاثیر نیروی لورنتس در تعویق جدایی جریان، محاسبات متعددی با نرم افزار Fluent در دو حالت بدون اعمال این نیرو و همچنین حالت اعمال نیروی لورنتس، انجام گرفته و برای حل معادلات توربولانس از مدل های استاندارد، RNG و هوشمند در هر کدام از این حالات استفاده گردیده است.

شکل های (4-4) و (4-5) به صورت نمونه برای نشان دادن تاثیر نیروی لورنتس در به تاخیر انداختن جدایی جریان برای زاویه حمله 25 درجه برگزیده شده است.

همان گونه که در این شکل ها دیده می‌شود جدایی جریان با اعمال نیروی لورنتس به تاخیر افتاده و در مکانی عقب تر رخ می‌دهد که این امر باعث افزایش ضریب لیفت و کاهش ضریب درگ می‌گردد که مطلوب ماست.

علت به تاخیر افتادن جدایی جریان، افزایش مومنتوم سیال و به تبع آن غلبه بر گرادیان فشار مثبت (نامطلوب) است.

در شکل (4-6) تاثیر نیوری لورنتس بر ضریب لیفت در زوایای حمله مختلف و با حل معادلات توربولانس به روش استاندارد  نشان داده شده است و در شکل (4-7) تاثیر نیروی لورنتس بر ضریب درگ در همین حالت را نشان میدهد. در شکل های بعدی معادلات توربولانس به روش های دیگر، یعنی RNG و هوشمند حل گردیده و برای هر کدام از این مدل ها دو نمودار یکی مربوط به تاثیر نیروی لورنتس بر ضریب لیفت و دیگری مربوط به تاثیر نیروی لورنتس بر ضریب درگ ارائه گردیده است.

جمع بندی و پیشنهادات

همانگونه که طی محاسبات انجام گرفته دیده شد، اعمال نیروی لورنتس در جریان سیال یونیزه اگرچه با مشکلات اجرایی همراه است، اما باعث بهبود قابل توجهی در کارکرد ایرفویل ها شده و این امر مطمئناً در مواردی که ایرفویل غیر متقارن بوده و خط جریانی نیست می‌تواند بسیار مثمر ثمر باشد.

معمولاً در صنعت، حالت مطلوب آن است که ضریب درگ کاهش یابد و ضریب لیفت افزایش یابد که نیروی لورنتس در این جهت عمل می‌نماید و بنابراین می‌تواند در آینده به مهمترین روش برای نیل به این مطلوب بدل شود.

• مقدمه

فصل اول– تعاریف مفاهیم به کار رفته در این گزارش

فصل دوم: روش های حل معادلات توربولانس

• 2-1 روش استاندارد
  • 2-1-1 معادلات حامل در مدل استاندارد
  • 2-1-2 مدلسازی لزجت مغشوش در مدل استاندارد
  • 2-2-3 ثابت‌های مدل استاندارد
• 2-2 مدل RNG
  • 2-2-1 معادلات حامل در مدل RNG
  • 2-2-2 مدلسازی لزجت موثر در مدل RNG
  • 2-2-3 اصلاح چرخش در مدل RNG
  • 2-2-4 محاسبه اعداد پرانتل معکوس موثر در مدل RNG
  • 2-2-5 ترم در معادله
  • 2-2-6 ثابت های مدل RNG
• 2-3 مدل هوشمند
  • 2-3-1 معادلات حامل برای مدل هوشمند
  • 2-3-2 مدل سازی لزجت مغشوش در مدل هوشمند
  • 2-3-3 ثابت های مدل هوشمند

فصل سوم: تئوری مدل MHD

• 3-1 روش القای مغناطیس
• 3-2 روش پتانسیل الکتریکی

فصل چهارم: حل جریان و تاثیر نیروی لورنتس

• 4-1 ساده سازی معادلات ماکسول
• 4-2 نحوه ایجاد نیروی لورنتس موازی با جریان
• 4-3 شرایط مسئله و حل جریان
• 4-4 بررسی نتایج
• جمع بندی و پیشنهادات
• مراجع

منابع

1. Gad-el-Hak, M., Flow Control: Passive, Active, and Reactive Flow Management,  Cambridge University Press, 2000
2. Osmotic Properties of the egg Cells of the Oyster (Ostrea Virginia) by Balduin Lucke and R. A. Ricca (from Laboratory of Pathology, School of Medicine, University of Pennsylvania, Philadelphia, Pennsylvania, and the Marine Biological Laboratory, Woods Hole, Massachusetts) July 8,1941
3. Gerbeth,G.,Shatrov,V.,”Electromagnetic Plasma Generator for Titanium Nitride Coatings,”,Flow Control Leading to a Strong Drag Reduction
   Surface Engineering, Vacuum 59(2000) 203-209. of a Sphere”, SFB609, Submitted to Fluid Dynamic
4. Weier, T., Gerbeth, G., Mutschke, O., Lielauces, O., and Lammers, G., “Separation Control by Stationary and Time Periodic Lorentz Forces”, SFB 609-03,  Flow, Turbulence and Combustion, in Press, 2004.
5. S. A. Akbari, A. Sedaghat and A. R. Azimian, “Computational Flow Separation Control using Electromagnetic fields,” 14th Annual (International) Mechanical Engineering Conference Isfahan University of Technology, Isfahan – May 2006.
6. نعمت الله فولادی،محمدرضا جهان نما،فضل الله محقق،کنترل جدایش جریان روی سطح هیدروفیل با استفاده از نیرو های الکترو‍مغناطیس،سیزدهمین کنفرانس(بین المللی)سالانه مهندسی مکانیک، اردیبهشت 1384.