توصيفگر ها :
طراحي معكوس , ايرفويل , الگوريتم پوسته الاستيك , زاويه حمله , جريان با عددرينولدز فوق پايين , توزيع فشار , توزيع تنش برشي , حباب جدايش آرام
چكيده فارسي :
در طراحي معكوس، هدف، محاسبه هندسه متناظر با يك توزيع فشار يا سرعت روي مرز است. در طراحي آيروديناميكي ايرفويلها توسط طراحي معكوس، توزيع فشار يا سرعت روي ايرفويل بهگونهاي اصلاح ميشود كه بار آيروديناميكي افزايش يابد، نيروي درگ كاهش يابد يا از افتهاي جريان كاسته شود. يكي از روشهاي طراحي معكوس ايرفويلها، الگوريتم پوسته الاستيك ميباشد كه در آن، ديوارههاي ايرفويل بهعنوان يك تير خميده الاستيك در نظر گرفته شده و اختلاف توزيع فشارهاي هدف و موجود باعث تغيير شكل آن ميشود تا در نهايت با صفر شدن اختلاف توزيع فشارها، تير الاستيك به شكل نهايي متناسب با توزيع فشار هدف برسد. در اين پژوهش، ابتدا قابليت تغيير زاويه حمله ايرفويل در حين اصلاح هندسه با تغيير شرط مرزي ابتداي تير از لولا به شيار عمودي به الگوريتم پوسته الاستيك اضافه شد تا مشكل عدم همگرايي يا توليد هندسههاي غيرواقعي با تداخل سطح مكشي و فشاري برطرف شود. چندين مثال اعتبارسنجي و طراحي، استحكام و انعطافپذيري روش ارتقا يافته را اثبات كرد.
در بخش دوم پژوهش، به محدوديتهاي طراحي معكوس در رژيم فوق رينولدز پايين با استفاده از پارامتر فشار پرداخته شد. نشان داده شد با توجه به لايه مرزي ضخيم و حباب جدايش آرام در اين رژيم، حساسيت پارامتر فشار به تغييرات هندسه ايرفويل بسيار كم بوده و امكان طراحي معكوس با پارامتر توزيع فشار به دليل ناپايداري، همگرايي به هندسههاي غيرواقعي و حتي واگرايي مقدور نميباشد. لذا، الگوريتم پوسته الاستيك بر مبناي توزيع تنش برشي براي طراحي معكوس در رژيم جريان با عدد رينولدز فوق پايين مورد بهرهبرداري و اعتبارسنجي قرار گرفت. سپس، توزيع تنش برشي ايرفويل NACA 4404 با چند رويكرد مختلف اصلاح شد و هندسه متناظر با آنها توسط روش طراحي معكوس ارتقا يافته بدست آمد. رويكردهاي اصلاح تنش برشي شامل كاهش ضريب درگ، افزايش ضريب ليفت، كنترل حباب جدايش آرام در زاويه حمله بهينه و كنترل ناحيه كاملا جدا شده جريان در شرايط استال آيروديناميكي بود. نتايج حاكي از دقت، همگرايي سريع و استحكام روش طراحي معكوس مبتني بر تنش برشي براي اهداف مختلف طراحي در اين رژيم جريان بود. منحني عملكردي هندسههاي طراحي شده با رويكردهاي مختلف در اين بخش توسط حلگر آرام فلوئنت مورد ارزيابي و مقايسه قرار گرفت. طراحيهاي صورتگرفته در زاويه حمله بهينه و زاويه استال به ترتيب باعث افزايش 13/72 و 16/09 درصدي نسبت ليفت به درگ شدند. همچنين، طراحي مبتني بر كنترل جريان كاملاً جدا شده در زاويه استال باعث تأخير 4 درجهاي زاويه استال شد.
در بخش پاياني پژوهش، دو مدل يادگيري عميق براي پيشبيني ضرايب آيروديناميكي با استفاده از دادههاي توزيع تنش برشي توليد شده در طراحي معكوسهاي مختلف در زاويه حمله بهينه، آموزش داده شد. براي دستيابي به توزيع تنش برشي بهينه در زاويه حمله بهينه، با كوپل بين الگوريتم ژنتيك، مدلهاي آموزشدادهشده يادگيري عميق و طراحي معكوس در چند سيكل بهينهسازي توزيع تنش برشي براي دستيابي به ماكزيمم نسبت ليفت به درگ بدست آمد و هندسههاي متناظر آنها با استفاده از طراحي معكوس محاسبه گرديدند. در نهايت، منحني عملكردي سيكلهاي مختلف بهينهسازي توسط حلگر آرام فلوئنت مورد ارزيابي و مقايسه قرار گرفت. نتايج بيانگر افزايش 22/42 درصدي نسبت ليفت به درگ در زاويه حمله بهينه بود.
كلمههاي كليدي: 1- طراحي معكوس 2- ايرفويل 3- الگوريتم پوسته الاستيك 4- زاويه حمله 5- جريان با عدد رينولدز فوق پايين 6- توزيع فشار 7- توزيع تنش برشي 8- حباب جدايش آرام
چكيده انگليسي :
In inverse design, the goal is to determine the geometry corresponding to a specific pressure or velocity distribution on the boundary. In the aerodynamic design of airfoils via inverse design, this distribution is modified to increase lift, decrease drag, or reduce flow losses. One inverse design method for airfoils is the elastic surface algorithm, which models the airfoil wall as an elastic bent beam. The shape of this beam changes according to the difference between the target and existing pressure distributions until this difference becomes zero, yielding the final shape corresponding to the target pressure distribution.
In this research, the capability of changing the angle of attack while modifying the geometry was added to the elastic surface algorithm. This was done by changing the boundary condition of the elastic beam at its starting point from a hinge to a vertical groove. This adjustment addressed issues of non-convergence and unrealistic geometries where the suction and pressure surfaces intersect. Several validation and design examples demonstrated the robustness and flexibility of the enhanced method.
The second part of the research discussed the limitations of pressure-based inverse design in the ultra-low Reynolds number regime. It was shown that the thick boundary layer and laminar bubble separation in this regime decrease the pressure parameter's sensitivity to changes in airfoil geometry. This results in instability, unrealistic geometries, and divergence in pressure-based inverse design. To address this, a shear-stress-based elastic surface algorithm was developed and validated for inverse design in ultra-low Reynolds number flow regimes.
The shear stress distribution of the NACA 4404 airfoil was then modified using several approaches, and the corresponding geometry was obtained using the improved inverse design method. These approaches included reducing drag, increasing lift, controlling the laminar bubble separation at the optimal angle of attack, and controlling the fully separated flow area during the aerodynamic stall conditions. The results indicated the accuracy, fast convergence, and robustness of the shear-stress-based inverse design method for various design objectives in this flow regime. The performance of the designed geometries was evaluated and compared using the Fluent solver, showing a 13.72% and 16.09% increase in lift-to-drag ratio at the optimal and stall angles of attack, respectively. The designed airfoil in the stall conditions also delayed the stall angle by 4 degrees.
In the final part of the research, two deep-learning models were trained to predict aerodynamic coefficients using shear stress distribution data from different inverse designs at the optimal angle of attack. By coupling genetic algorithms, the trained deep-learning models, and inverse designs across several optimization cycles, an optimal shear stress distribution was obtained to maximize the lift-to-drag ratio, with the corresponding geometries calculated using inverse design. The performance of different optimization cycles was evaluated and compared using the Fluent solver, resulting in a 22.42% increase in the lift-to-drag ratio at the optimal angle of attack.
Keywords:
Airfoil, Angle Of Attack, Elastic Surface Algorithm, Laminar Sepration Bubble, Pressure distribution, Shear stress distribution, ultra-low Reynolds number regime