SUPERVISOR
محمود اشرفی زاده (استاد راهنما) احمد سوهان کا راصفهانی (استاد مشاور)
STUDENT
Saeideh Mohammadi
سعیده محمدی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Performance Evaluation of Different Turbulence Models for Analyzing Aerodynamic Flows around a Multi-Element Airfoil Using an Opensource CFD Solver
The flow analysis around various kinds of airfoils is one of the problems that have long been considered by researchers. One of the important aerodynamic parameters is the maximum lift coefficient. The higher the maximum lift coefficient, the lower the airplane landing velocity would be and also the airplane could take off sooner which requires a shorter runway length. In addition to this, the high maximum lift coefficient decreases the airplane fuel consumption and increases the ability of it to carry more cargo. The most effective way to increase the maximum lift coefficient is to use multi element airfoils with variable curvature. However, the use of high lift systems is costly due to their expensive manufacturing; in addition, the analysis of the flow physics is very complicated due to interaction and confluence of fluid flow around each element. The aim of this study is to improve the reliability of the flow simulation around high-lift devices. In this study the turbulent flow around multi element airfoils on a landing configuration was simulated using an opensource CFD tool, the OpenFOAM software. Seven different turbulence models have been used in optimal simulation conditions to evaluate the performance of models for the prediction of the complex flow around a three element airfoil. The models are the SpalartAllmaras, the RNGkEpsilon, the realizableKE, the kOmegaSST, the NonlinearKEShih, the LienCubicKE, the kEpsilon turbulence models. In this study the effects of grid and domain size on the accuracy of the simulation results are investigated and the optimal values are chosen for the flow analysis around the multi element airfoil. The resulting surface pressure coefficients of different turbulence models are compared with those of available experimental data and also with those of number of valid numerical results. In steady two-dimensional simulation, an excellent agreement between obtained computational and experimental surface pressures is observed for the SpalartAllmaras and the RNGkEpsilon models, but only moderately good agreement is seen in other models predictions. The ability of models to predict the flow separation point on the trailing edge of the flap and the stagnation point on the leading edge of the slat are also investigated. The models produce similar results in most cases. Generally, the difference between the predictions of the different models is less than the difference between the computational and experimental data. Among these models, the SpalartAllmaras, the kOmegaSST and the RNGkEpsilon have closer results to the experimental data in terms of predicting the separation point. The NonlinearKEShih model predicts separation point earlier and the other models predict the separation point later on the trailing edge of the flap. Although more simplifications are used in the present study compared to the simulation conditions used in other studies, the accuracy of our results is comparable to those of other numerical as well as experimental data in the literature. In particular, the SpalartAllmaras and the RNGkEpsilon models predict the flow separation more accurately than the other numerical results when compared with experimental data. Keywords: Multi-element airfoil, Turbulence models, Flow separation, OpenFOAM, Flap, Slat
تجزیه و تحلیل جریان در اطراف انواع مختلف ایرفویل ها یکی از مسائلی می باشد که از دیرباز مورد توجه محققین بوده است. یکی از پارامترهای مهم در منحنی های آیرودینامیکی ایرفویل ها ضریب برآی ماکزیمم می باشد. هر چه ضریب برآی ماکزیمم بیشتر باشد هواپیما میتواند در هنگام فرود با سرعت کمتر بنشیند و در هنگام برخاست هم هواپیما میتواند زودتر از زمین بلند شود که این خود باعث کوتاه شدن باند فرود میشود. علاوه براین بالا بودن ضریب برآی ماکزیمم مصرف سوخت را کاهش داده و هواپیما میتواند محموله بیشتری را حمل نماید. مؤثرترین راه برای افزایش ضریب برآی ماکزیمم، استفاده از ایرفویل چند المانی با انحنای متغیر میباشد. درعین حال استفاده از سیستم ها با لیفت بالا از نظر ساخت پر هزینه می باشد و همچنین بررسی فیزیک جریان به علت تداخل و تعامل پدیده های جریانی که در اطراف هر یک از المان ها رخ می دهد بسیار پیچیده می باشد. هدف از انجام این تحقیق بهبود قابلیت اطمینان شبیه سازی جریان در اطراف وسایل تولید کننده لیفت بالا می باشد. در این مطالعه جریان آشفته حول ایرفویل چند المانی مربوط به بال هواپیما در حال فرود با استفاده از کد آزاد OpenFOAM شبیه سازی شده است. هفت مدل آشفتگی مختلف در شرایط شبیه سازی بهینه جهت ارزیابی عملکرد مدل ها در پیش بینی رفتار پیچیده جریان حول یک ایرفویل سه المانی استفاده شده است. این مدل ها عبارتند از SpalartAllmaras، RNGkEpsilon، realizableKE، kOmegaSST، NonlinearKEShih، LienCubicKE، kEpsilon. در این تحقیق اثر اندازه شبکه، اثر اندازه دامنه بر دقت نتایج شبیه سازی بررسی شده است و در نهایت بهینه ترین اندازه شبکه و دامنه حل برای تجزیه و تحلیل جریان در اطراف ایرفویل سه المانی انتخاب شده است. ضریب فشار سطح برای مدل های مختلف آشفتگی با داده های تجربی موجود و همچنین با تعدادی از نتایج عددی معتبر مقایسه شده است. در بررسیهای انجام شده در حالت پایا دو بعدی تطابق بسیار خوبی بین ضریب فشار محاسباتی و تجربی برای مدل های آشفته SpalartAllmaras و RNGkEpsilon به دست آمده است ، اما تطابق نسبتا خوب در پیش بینی دیگر مدل ها دیده شده است. توانایی مدل های از جهت پیش بینی نقطه جدایش جریان در لبه فرار فلپ و نقطه سکون در لبه راهنما اسلت نیز بررسی شده است. نتایج نشان میدهد که تمام مدلها نقاط جدایش متفاوتی نسبت به هم و همچنین نتایج تجربی به دست میدهند اما در این بین مدل های SpalartAllmaras ، kOmegaSST و RNGkEpsilon تطابق بهتری با نتایج تجربی نشان میدهند این در حالیست که مدل NonlinearKEShih جدایش را مقداری زودتر و دیگر مدلها جدایش را دیرتر بر روی فلپ پیش بینی نموده اند. اگر چه شرایط به کار گرفته شده در این تحقیق در مقایسه با شرایط شبیه سازی مورد استفاده در مطالعات دیگر ساده تر می باشد ولی با این حال دقت نتایج بدست آمده در این تحقیق قابل مقایسه با نتایج تجربی و همچنین نتایج عددی می باشد. به طور خاص، پیش بینی مدل های SpalartAllmaras و RNGkEpsilon برای جدایش جریان نسبت به دیگر نتایج عددی دقیق تر بوده است. کلمات کلیدی: 1- جریان آشفته 2-ایرفویل سه المانی 3-OpenFOAM 4-جدایش