توصيفگر ها :
بال موجدار , گردابههاي جريان , بهينهسازي , روش الحاقي , آيروديناميك , ديناميك سيالات محاسباتي , نسبت ليفت به درگ , كاهش درگ با ليفت ثابت , الگوهاي جريان
چكيده فارسي :
بهينهسازي هندسي در حوزه آيروديناميك با هدف ارتقاء عملكرد سيستم سيالاتي موردنظر و افزايش راندمان آن صورت ميگيرد. انتخاب روش بهينهسازي مناسب براي مسئلۀ موردنظر از اهميت زيادي برخوردار است و بر روي هزينۀ محاسبات و دقت جواب حاصل از بهينهسازي مؤثر است. در اين پژوهش، از روش معادلات الحاقي كه يك روش گرادياني ميباشد استفاده شده است. روشهاي گرادياني از مشتق تابع هدف نسبت به متغيرهاي طراحي براي بهينهسازي استفاده ميكنند و قادرند بهينۀ محلي را با دقت مناسب به دست آورند. مزيت روش معادلات الحاقي در مقايسه با ساير روشهاي گرادياني، استقلال هزينۀ محاسبات نسبت به تعداد متغيرهاي طراحي است و در نتيجه براي مسائل بهينهسازي هندسي كه عموماً تعداد متغيرهاي طراحي زياد است، مناسب ميباشد. در پژوهش حاضر، از ماژول الحاقي موجود در نرم افزار انسيس فلوئنت براي بهينهسازي آيروديناميكي بال موجدار سهبعدي استفاده شد و براي پارامتريكردن هندسه منحني بياسپلاين و چند جملهاي برنشتاين به كار رفت. حل عددي معادلات حاكم بر جريان توسط نرم افزار انسيس فلوئنت صورت گرفت. جريان به صورت لزج در نظر گرفته شد و از مدل آشفتگي k-ω SST استفاده شد. مفهوم تركيب برجستگيهاي مواج در لبۀ جلويي بال با الهام از برجستگيهاي لبۀ جلويي بالههاي سينهاي نهنگ گوژپشت معروف به توبركل، قبلاً مورد مطالعه قرار گرفته است. در اين پژوهش، كانتور مواج بال از لبۀ جلويي بال شروع شده، در امتداد وتر امتداد يافته و به لبۀ انتهايي ختم ميشود. سه بال موجدار مختلف با مقاطع ايرفويل متقارن و نامتقارن ايجاد شد و نمايه شكل موجدار در طول وتر بال از طريق فرآيند بهينهسازي بهينه شد تا تأثير مفيدي بر ميدان جريان سهبعدي در اطراف بال داشته باشد. دو تابع هدف افزايش نسبت ليفت به درگ و كاهش درگ با ليفت ثابت در نظر گرفته شد و تمام گرههاي روي سطح بال به عنوان پارامترهاي متغير طراحي براي بهينهسازي در نظر گرفته شدند. براي كاهش هزينههاي محاسباتي، تنها يك طول موج از بال موجدار سهبعدي با استفاده از شرايط مرزي پريوديك شبيهسازي شد. در بخش اول، بهينهسازي بر روي دو بال موجدار با دامنۀ زاويهاي 2 درجه با مقاطع ايرفويل متقارن و نامتقارن انجام شد. فرآيند بهينهسازي در نقطۀ طراحي با تابع هدف نسبت ليفت به درگ باعث افزايش تابع هدف به ترتيب، به ميزان 66 و 11 درصد گرديد كه بهبود قابلتوجهي در عملكرد بالهاي بهينهشده هم در شرايط قبل و هم در شرايط پس از واماندگي نشان داد. همچنين، زاويه واماندگي بال با ايرفويل متقارن 1 درجه به تعويق افتاد. در بخش دوم اين پژوهش، بهينهسازي بر روي بال موجدار با دامنۀ زاويهاي 6.5 درجه با مقطع ايرفويل نامتقارن انجام شد. فرآيند بهينهسازي در نقاط طراحي و خارج طراحي (شرايط واماندگي) با استفاده از دو تابع هدف ذكرشده انجام گرفت. نتايج مربوط به نقطۀ طراحي نشان ميدهد كه، توابع هدف اول و دوم به ترتيب 21.1 و 12 درصد افزايش و كاهش يافته است. همچنين توابع هدف اول و دوم در نقطۀ خارج طراحي به ترتيب 15.38 و 26.5 درصد افزايش و كاهش يافته است. با مقايسۀ منحنيهاي عملكرد بالهاي بهينهشده در اين حالت، ميتوان نتيجه گرفت كه براي بهينهسازي در نقاط طراحي و خارج طراحي، به ترتيب استفاده از توابع هدف اول و دوم باعث افزايش بيشتر عملكرد آيروديناميكي بال ميشود. همچنين نتايج بهينهسازي هر سه بال حاكي از ايجاد برآمدگيهاي موضعي روي سطح مكش است كه باعث كنترل گراديان فشار و جدايش جريان ميشود. علاوه بر آن، فرورفتگيهاي موضعي بر روي سطح فشار نزديك لبۀ انتهايي ايجاد ميشوند كه باعث افزايش بارگذاري و ليفت بال ميشود. مقايسۀ ميدان جريان پشت بالهاي پايه و بهينهشده نشان ميدهد درحاليكه اندازه و فاصلۀ بين گردابههاي ساعتگرد و پادساعتگرد موجود در ناحيۀ دنبالۀ بال بهينه كاهش يافته است، همچنين قطر و سيركولاسيون آنها نيز كاهش يافته است. در نهايت، مقايسۀ نتايج بهينهسازي اين سه بال نشان ميدهد كه بال بهينهشدۀ نهايي با دامنۀ زاويهاي 2 درجه با مقطع ايرفويل نامتقارن نسبت به هندسههاي بهينۀ دو بال ديگر، از راندمان آيروديناميكي بالاتري برخوردار است.
چكيده انگليسي :
Geometric optimization in aerodynamics aims to improve the performance and efficiency of fluid systems. selecting an appropriate optimization method is crucial, as it directly impacts computational cost and the accuracy of results. This study employs the adjoint method, a gradient-based approach, for optimization. Gradient-based methods use the derivative of the objective function concerning design variables to find local optima with high accuracy. The advantage of the adjoint method lies in its computational cost being independent of the number of design variables, making it particularly suitable for geometric optimization problems with many variables.
In this research, the adjoint module in ANSYS Fluent was used to optimize the aerodynamics of a three-dimensional wavy wing, with the Bézier curve applied for geometry parameterization. Numerical solutions for the governing flow equations were computed using ANSYS Fluent, assuming viscous flow and employing the 𝑘−𝜔 SST turbulence model. The tubercles on humpback whale flippers inspired the concept of introducing wavy protuberances along the wing’s leading edge. In this research, the wavy contour extends from the leading edge to the trailing edge along the chord.
Three wavy wings with symmetric and asymmetric airfoil cross-sections were created, and the wavy profile along the chord was optimized to enhance the three-dimensional flow field around the wing. Two objective functions were considered: increasing the lift-to-drag ratio and reducing drag while maintaining a specific lift coefficient. All surface nodes of the wing were treated as design variables. To reduce computational costs, only a single wavelength of the three-dimensional wavy wing was simulated using periodic boundary conditions.
In the first part, the optimization was applied to two wavy wings with a 2° angular amplitude, featuring symmetric and asymmetric airfoil sections. The optimization process increased the lift-to-drag ratio by 66% and 11%, respectively, leading to significant performance improvements, both pre-stall and post-stall. Additionally, the stall angle for the symmetric airfoil wing was delayed by 1 degree.
In the second part, optimization was performed on a wavy wing with a 6.5° angular amplitude and an asymmetric airfoil section. Considering both design and off-design conditions (stall conditions), the optimization process used the two objective functions. The design-point results showed that the first and second objective functions improved by 21.1% and decreased by 12%, respectively. In off-design conditions, the objectives improved by 15.38% and 26.5%, respectively. The comparison of performance curves between optimized geometries indicated that the first objective function is more suitable for design-point optimization, while the second is preferable for off-design conditions.
The optimization results for all three wings revealed localized protrusions on the suction surface, controlling pressure gradients and flow separation. Furthermore, localized depressions near the trailing edge on the pressure surface increased wing loading and lift coefficient. A comparison of flow fields behind the baseline and optimized wings indicated a reduction in the size and spacing of the clockwise and counterclockwise vortices in the wing’s wake, with an increase in vorticity. Finally, comparing the optimized wings showed that the final wing with a 2-degree angular amplitude and an asymmetric airfoil cross-section achieved the highest aerodynamic efficiency.
