Experimental and computational study of three-dimensional separation and its control using passive vortex generators

Abstract

Η συγκεκ ιμένη διδακτο ική διατ ι ή ασχολείται με την τ ισδιάστατη αποκόλληση σε αε οτομές και συγκεκ ιμένα με την αποκόλληση όπου εμφανίζονται κυψέλες ανακυκλοφο ίας (Stall Cells - SCs). Μελετάται τόσο η φύση της αποκόλλησης όσο και η δυνατότητα ελέγχου αυτής με παθητικές γεννήτ ιες στ ο ιλότητας (passive Vortex Generators - VGs). Το π ό λημα π οσεγγίστηκε τόσο πει αματικά όσο και υπολογιστικά. Στην αε οσή αγγα του ΕΜΠ εκτελέστηκαν πει άματα οπτικοποίησης της οής, μετ ήσεις πιέσεων και μετ ήσεις Stereo Particle Image Velocimetry (SPIV) ενώ, υπολογιστικά, χ ησιμοποιήθηκε ο κώδικας MaPFlow, ένας επιλύτης των μη μόνιμων Reynolds Averaged εξισώσεων Navier-Stokes. Ο ασταθής χα ακτή ας των Stall Cells επι ε αιώθηκε μέσω πει αμάτων με νημάτια (tufts) και έθηκε ότι η εγγενής αστάθεια των δομών αυτών μπο εί να κατασταλεί με χ ήση α κετά μεγάλων μόνιμων διατα αχών κατά το εκπέτασμα της πτέ υγας. Τα υπολογιστικά αποτελέσματα αποκάλυψαν μία σύνθετη δομή στ ο ίλων στο εσωτε ικό των Stall Cells, μία δομή η οποία επι ε αιώθηκε από τις πει αματικές μετ ήσεις. Συγκεκ ιμένα, ένα Stall Cell αποτελείται από στ ο ίλους τ ιών διαφο ετικών τύπων:  Τους Stall Cell στ ο ίλους που α χικά ξεκινούν κάθετα από την επιφάνεια της πτέ υγας στην πε ιοχή ανακυκλοφο ίας και στη συνέχεια εκτείνονται στον ομό ου, πα άλληλα με την ελεύθε η οή.  Τον στ ό ιλο της γ αμμής αποκόλλησης που εκτείνεται πα άλληλα με το εκπέτασμα της πτέ υγας.  Τον στ ό ιλο της ακμής εκφυγής που επίσης εκτείνεται πα άλληλα με το εκπέτασμα της πτέ υγας, αλλά έχει πε ιστ οφή από τον στ ό ιλο της γ αμμής αποκόλλησης. Η μελέτη των χα ακτη ιστικών της τύ ης της οής δείχνει πως η οή στο εσωτε ικό ενός Stall Cell είναι έντονα ανισότ οπη. Το γεγονός πως τα υπολογιστικά αποτελέσματα π ο λέπουν τη οή ποιοτικά σωστά, πα ' όλο που αδυνατούν να π ολέξουν ο θά τις λεπτομέ ειες της τύ ης, αποδίδεται στο γεγονός ότι το ισότ οπο μοντέλο τύ ης που χ ησιμοποιήθηκε δίνει ποιοτικά σωστά τις διατμητικές τάσεις. Τέλος, ένας μηχανισμός δημιου γίας των Stall Cells π οτείνεται ασισμένος στην συνολική έ ευνα.

The present thesis deals with the issue of three-dimensional separation of the Stall Cell type on rectangular unswept wings and also the control of Stall Cells using passive vortex generators. The problem was approached experimentally and computationally. Flow visualization tests, pressure measurements and Stereo Particle Image Velocimetry (PIV) experiments were conducted at the small test section of the National Technical University of Athens wind tunnel. On the computational side, an in-house solver of the unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes equations was used. The dynamic nature of Stall Cells was confirmed by the tuft flow visualization experiments and it was found that the inherent instability can be suppressed by means of a large enough spanwise disturbance. Computational data revealed the complex vortical structure inside a Stall Cell which was confirmed by the experimental results. A Stall Cell consists of three different types of vortices which strongly interact with each other: a) The counter rotating Stall Cell vortices that start normal to the wing surface within the separation line and extend downstream; b) The Separation Line Vortex that runs along the wing span; c) The Trailing Edge Line Vortex that also runs parallel to the wing trailing edge, but has vorticity of opposite sign compared to the Separation Line Vortex. The study of the turbulence characteristics of the flow reveals a highly anisotropic flow. Finally, based on the combined results a SC generation mechanism is suggested. As far as separation control is concerned, it was found that Stall Cell formation can be suppressed by means of passive vortex generators in the form of triangular vanes. Depending on the vortex generators position and the wing angle of attack, flow instability or bifurcation can appear. It was also shown that results from a computational approach that cannot predict Stall Cell formation (e.g. very small aspect ratio simulations) should be treated with caution. The Stereo PIV study of the vortex generator induced flow revealed that turbulent interaction between the vortex generator vortices and the underlying flow is strong closer to the generators while further downstream diffusion becomes the main mechanism that governs the flow. The present investigation comes in support of previous studies that highlighted the need to be cautious when using wind tunnel data, especially in the post stall region. The widely used assumption of two-dimensional flow over a two-dimensional airfoil set up is not valid when Stall Cells form. For the correct interpretation of experimental data it is vital to know how the tests were carried and what state of the flow was actually measured. Furthermore, the three-dimensionality of the flow should be taken into account when it comes to separation control.