Υπολογιστική αεροδυναμική μελέτη μονοφασικής και διφασικής ροής γύρω από μικρό μονοκινητήριο αεροσκάφος σε διάφορους αριθμούς Reynolds και σε διάφορα μοντέλα τύρβης και σύγκριση με αποτελέσματα πειραματικής μελέτης σε αεροσήραγγα

• Κύριος συγγραφέας: Τζογάνης, Ευάγγελος
• Άλλοι συγγραφείς: Tzoganis, Evangelos
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2020
• Θέματα: Υπερελαφρό αεροσκάφος; Διφασική ροή; Μοντέλα τύρβης; Αεροσήραγγα; Ultralight aircraft; ANSYS-FLUENT; Discrete phase model; Turbulence models; Wind tunnel

Η παρούσα διπλωματική εργασία απαρτίζεται από δύο αντικείμενα μελέτης ροών γύρω από αεροσκάφος. Το πρώτο είναι η μελέτη της υπολογιστικής προσομοίωσης της μονοφασικής ροής αέρα γύρω από το μοντέλο αεροσκάφους Sonerai σε κανονικές διαστάσεις με τρία μοντέλα τύρβης Spalart-Allmaras, Realizable k-ε και Standard k-ω και σε διάφορα προφίλ ταχυτήτων. Το δεύτερο είναι η μελέτη της υπολογιστικής προσομοίωσης της μονοφασικής και διφασικής ροής αέρα-νερού γύρω από το υπό κλίμακα (0.0275) μοντέλο Sonerai στο μοντέλο τύρβης Realizable k-ε καθώς και η πειραματική προσομοίωση σε αεροσήραγγα του ίδιου μοντέλου κατόπιν δημιουργίας του από τον τρισδιάστατο εκτυπωτή (3D-printer) του εργαστηρίου. Η ανάπτυξη των θεμάτων γίνεται σε 8 κεφάλαια. Για αρχή γίνεται μια σύντομη αναφορά στις αεροτομές, τα γεωμετρικά τους χαρακτηριστικά και τις κατηγοριοποιήσεις που τις διέπουν ενώ δίνονται πληροφορίες για την αεροτομή που επιλέχθηκε για το υπό μελέτη αεροσκάφος. Επιπλέον παρέχονται γενικές πληροφορίες για την οικογένεια των ακροβατικών αεροσκαφών (ultralight) και πιο συγκεκριμένα για την οικογένεια των αεροσκαφών Sonerai. Ακολούθως παρουσιάζονται τα βασικά μεγέθη της αεροδυναμικής και χαρακτηριστικά της μηχανικής των ρευστών. Πιο συγκεκριμένα περιγράφονται έννοιες όπως ο αριθμός Reynolds, η Άντωση, η Αντίσταση και το Οριακό στρώμα. Κατόπιν αναπτύσσονται οι εξισώσεις Navier-Stokes που περιγράφουν το ροϊκό πεδίο και οι αριθμητικοί μέθοδοι επίλυσης αυτών και συγχρόνως παρουσιάζονται τα τρία μοντέλα τύρβης που χρησιμοποιήθηκαν (Spalart-Allmaras, Realizable k-ε και Standard k-ω) με τις ακριβείς μαθηματικές τους εκφράσεις. Στη συνέχεια περιγράφεται αναλυτικά η προσέγγιση Euler-Lagrange που χρησιμοποιούνται για την μοντελοποίηση της διφασικής ροής, το μοντέλο διακριτής φάσης (Discrete Phase Model) που χρησιμοποιείται για την δημιουργία του φαινομένου της βροχής, καθώς και το μοντέλο Taylor Analogy Breakup – ΤΑΒ για την μοντελοποίηση της διάσπασης των σταγονιδίων. Δίνονται βασικές πληροφορίες για το ρόλο του φιλμ νερού και τις φυσικές σχέσεις που το χαρακτηρίζουν. Ύστερα, πραγματοποιείται η αναλυτική παρουσίαση της πορείας που ακολουθήθηκε για τη διεξαγωγή των προσομοιώσεων από την αρχική γεωμετρία έως την επίλυση. Αρχικά η δημιουργία του αεροσκάφους στο σχεδιαστικό πρόγραμμα AutoCAD2018 σύμφωνα με τη λογική του conceptual design και τις βασικές αρχές της αεροδυναμικής και έπειτα η πλεγματοποίηση αυτού με αποδεκτές τιμές σε skewness και orthogonal quality και η εισαγωγή του σε τρισδιάστατο ορθογωνικό όγκο ελέγχου. Σειρά έχει η προσομοίωση της μονοφασικής ροής αέρα με τη βοήθεια των τριών μοντέλων τυρβώδους ροής σε διάφορα προφίλ ταχυτήτων (7,15,25,35,40,50) m/s. Επιτελείται μελέτη μονοφασικής ροής σε σταθερή ταχύτητα (7 m/s) και μεταβλητή γωνία προσβολής (-8,-4,0,4,8,12,16 μοίρες) για το υπό κλίμακα μοντέλο στο Realizable k-ε. Έπειτα ακολουθεί βήμα βήμα η μοντελοποίηση της διφασικής ροής αέρα-νερού στο υπό κλίμακα αεροσκάφος σε 0 και 8 μοίρες και σε ταχύτητα 7 m/s με τη χρήση του DPM. Παρουσιάζεται η εξαγωγή των αποτελεσμάτων για τους αεροδυναμικούς συντελεστές καθώς και η δημιουργία του φιλμ νερού με δύο μεθόδους (Eulerian Wall Film και απλό Wall Film). Ακολουθεί η παρουσίαση της πειραματικής διαδικασίας για όλες τις υπολογιστικές προσομοιώσεις μονοφασικής και διφασικής ροής του υπό κλίμακα αεροσκάφους. Τα αποτελέσματα των υπολογιστικών και πειραματικών διαδικασιών παρουσιάζονται στο έβδομο κεφάλαιο ενώ στο όγδοο κεφάλαιο γίνεται ένας συνοπτικός σχολιασμός και παρατηρήσεις των αποτελεσμάτων καθώς και μια σειρά από προτάσεις για βελτίωση της υπάρχουσας εργασίας σε μελλοντικό στάδιο.