SUPERVISOR
Ahmad Sedaghat,Nili ahmadabadi Mehdi,Mohsen Saghafian
احمد صداقت (استاد مشاور) مهدی نیلی احمدآبادی (استاد راهنما) محسن ثقفیان (استاد راهنما)
STUDENT
Seyyed ali Kazemi
سیدعلی کاظمی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
Experimental and Numerical Investigation of Aerodynamic Performance of Treadmill Airfoil with Flow Visualisation in Wind Tunnel
The ratio of lift coefficient to drag coefficient in airfoils is within the effective parameters in airfoil aerodynamic performance and also in manufactured machines based upon an airfoil like wind turbine. In the present study, the new aerodynamic geometry has been defined based on the theory of objects with moving surfaces, which is also applicable in the design of blade section in Magnus wind turbines. The introduced geometry is based on Treadmill geometry, but its initial circle diameter is greater than that of the end, and it is called as Treadmill airfoil. In this work, these two similar geometries with different dimensions were placed against to the free stream with low speed. Then, by inducing a tangential velocity on the surface, its effect on lift coefficient and drag coefficient was investigated using ANSYS CFX software. The effect of tangential velocity on the surface was studied in different velocities and angles of attack to compare with a stationary surface mode. The results show that the lift and drag coefficients and their ratio are greatly changed by surface tangential velocity. According to the surface tangential motion, the maximum ratio of lift to drag coefficient for the geometries number 1 and 2 are related to the angle of attack of 0 and 5 degree; with value of 130 and 56, respectively. Moreover, the maximum ratio of lift to drag coefficient for geometry number 1 in angles of attack 5, 10 , and15 are 81, 90, and 57 respectively. In addition the maximum ratio of lift to drag coefficient for geometry number 2 in angles of attack 0, 10 , and15 degree are 52, 49, and 45 respectively. It should be noted that the numerical method was applied to the geometry (1) by a tangential motion of a section of the surface, which its result showed that besides an increase in lift coefficient, the drag coefficient quantity will be negative. In result, a great ratio of lift coefficient to drag coefficient is achieved. It is worth mentioning that the consumption power required to generate the tangential movement along the surface has a very low value. In the other step, the laboratory model of Treadmill geometry and experimental setup were designed and manufactured. Then the model was positioned in the wind tunnel and qualitative and quantitative effect of tangential velocity on flow around geometry was investigated. In the qualitative study, the positions of the sepration and stagnation points were specified which these results are also so well and well matching the numerical solution. In the quantitative study, the lift and drag coefficients of tredmill airfoil were measured dimensionless tangential velocity up to 1 and the attack angles in 0, 5 and 10 degrees using loadcell and side force method. As a result, the surface tangential velocity leads to increase in lift coefficient and lift to drag ratio. Finally, the difference between the values of numerical solution and experimental investigation are acceptable which represents the validity of numerical solution. Keywords: Magnus Effect, Wind Turbine, Moving Surface, Airfoil, Wind Tunnel.
نسبت ضریب برآ به ضریب پسا برای ایرفویل، از پارامترهای تأثیر گذار درعملکرد آیرودینامیکی ایرفویل و ماشینهای ساخته شده بر مبنای ایرفویل از جمله توربین باد میباشد. در کار حاضر، هندسه آیرودینامیکی جدیدی بر مبنای تئوری اجسام با سطح متحرک معرفی شدهاست که برای مقطع پره توربین های بادی مگنوس نیز قابل استفاده میباشد. هندسه معرفی شده، برپایه هندسه تردمیل می باشد با این تفاوت که قطر دایره ابتدای آن از قطر دایره انتهای آن بیشتر است و ایرفویل تردمیلی نامیده میشود. در این کار با قرار دادن دو هندسه مشابه تردمیلی،با فاصله مراکز دایرههای جلو و عقب یکسان ولی با ابعاد متفاوت در قطر دایرهها ، در معرض جریان هوا با سرعت کم و ایجاد سرعت مماسی روی سطح، تأثیر آن بر ضرایب برآ و پسا به روش عددی و با نرمافزار انسیس سیافایکس بررسی شد. اثر ایجاد سرعت مماسی روی سطح در سرعتها و زوایای حمله مختلف بررسی شد و با وضعیت سطح بدون سرعت مقایسه گردید. نتایج نشان می دهد به واسطه سرعت مماسی سطح ، ضرایب برآ و پسا و نسبت این دو ضریب تغییر چشمگیری یافتهاست. در اثر حرکت مماسی سطح، بیشترین نسبت ضریب برآ به پسا برای هندسه شماره (1) و (2) بهترتیب مربوط به زاویه حمله صفر درجه و پنج درجه بوده که مقدار آن برابر با 130 و 56 می باشد. علاوه بر این، بیشینه نسبت ضریب برآ به پسا برای هندسه شماره (1) در زاویه حمله 5 درجه برابر 81، در زاویه حمله 10 درجه برابر 90 و در زاویه حمله 15 درجه برابر 57 میباشد. همچنین بیشینه نسبت ضریب برآ به پسا برای هندسه شماره (2) در زاویه حمله صفر درجه برابر 52، در زاویه حمله 10 درجه برابر 49 و در زاویه حمله 15 درجه برابر 45 مشخص گردید. قابل ذکر است که حل عددی بر روی هندسه شماره (1) با حرکت مماسی بخشی از سطح انجام شد که نتایج این حل نشان داد علاوه بر افزایش ضریب برآ، مقدار ضریب پسا منفی میشود و بدین ترتیب نسبت ضریب برآ به پسای بسیار زیادی ایجاد میشود. علاوه بر این توان مصرفی محاسبه شده برای ایجاد حرکت مماسی سطح عدد بسیار کوچکی را نشان میدهد. این روش جهت تعیین سرعت گردش مناسب سطح، باتوجه به زاویه حمله و سرعت جریان هوای آزاد، برای رسیدن به بیشترین نسبت ضریب برآ به ضریب پسا قابل استفاده خواهد بود. در بخش دیگر کار، مدل آزمایشگاهی هندسه ایرفویل تردمیلی شماره (2) بههمراه بستر آزمون طراحی و ساخته شد و پس از نصب مدل درون تونل باد، اثر سرعت مماسی سطح (چرخش سطح) بر جریان حول آن بهصورت کیفی و کمی بررسی شد. در بخش آزمایشهای کیفی، جریان حول ایرفویل تردمیلی با استفاده از خط دود آشکار گردید و موقعیت نقطه جدایش جریان و نقاط سکون مشخص شد که تطبیق قابل قبولی بین کار تجربی و حل عددی در این بخش مشاهده گردید. در بخش آزمایش های کمی، با استفاده از نصب لودسل و روش اندازهگیری نیرو از یک طرف، ضرایب برآ و پسای ایرفویل تردمیلی تا سرعت بیبعد گردش 1 و در زوایای حمله 0، 5 و 10 درجه اندازهگیری شد. نتایج این بخش افزایش ضریب برآ و نسبت ضریب برآ به پسا با گردش سطح را نشان میدهد و بیشینه نسبت ضریب برآ به پسا در کار تجربی در زاویه حمله 10 درجه و سرعت بیبعد گردش سطح 1 برابر با 5/13 مشخص گردید. همچنین مقادیر نتایج کار آزمایشگاهی و حل عددی اختلاف قابل قبولی را نشان میدهد که نشان دهنده صحت حل عددی میباشد. کلمات کلیدی : اثر مگنوس، سطوح متحرک، توربین باد، ایرفویل، تونل باد.