Διερεύνηση τεχνικών μείωσης θερμικού ίχνους ελικοπτέρου με χρήση πειραματικών μεθόδων και εργαλείων υπολογιστικής ρευστομηχανικής

Μπάρμπας, Στέργιος; Barmpas, Stergios; Κυριαζής, Αγησίλαος; Kyriazis, Agisilaos

dc.contributor.author	Μπάρμπας, Στέργιος	el
dc.contributor.author	Barmpas, Stergios	en
dc.contributor.author	Κυριαζής, Αγησίλαος	el
dc.contributor.author	Kyriazis, Agisilaos	en
dc.date.accessioned	2018-11-27T12:15:48Z
dc.date.available	2018-11-27T12:15:48Z
dc.date.issued	2018-11-27
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48148
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15949
dc.rights	Default License
dc.subject	Υπολογιστική ρευστομηχανική	el
dc.subject	Πειραματικές μετρήσεις	el
dc.subject	Ανάμειξη	el
dc.subject	Τύρβη	el
dc.subject	Μείωση θερμικού ίχνους	el
dc.subject	Computational fluid dynamics	en
dc.subject	Experimental measurements	en
dc.subject	Mixing	en
dc.subject	IR signature suppression	en
dc.subject	Turbulence	en
dc.title	Διερεύνηση τεχνικών μείωσης θερμικού ίχνους ελικοπτέρου με χρήση πειραματικών μεθόδων και εργαλείων υπολογιστικής ρευστομηχανικής	el
dc.title	Investigation of methods for reducing the thermal signature of helicopters using experimetnal methods and computational fluid dynamics tools	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Computational fluid dynamics	en
heal.classification	Υπολογιστική ρευστομηχανική	el
heal.classification	Experimental fluid mechanics	en
heal.classification	Πειραματική μηχανική των ρευστών	el
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh2007008173
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-09-28
heal.abstract	Στην πλειονότητα των ιπτάμενων μέσων (αεροσκάφη σταθερών πτερύγων, ελικόπτερα) η πρόωση επιτυγχάνεται μέσω της χρήσης θερμικών μηχανών (π.χ. εμβολοφόροι κινητήρες, αεριοστρόβιλοι). Τα παραγόμενα θερμά καυσαέρια απορρίπτονται στο περιβάλλον, συμβάλλοντας στη δημιουργία ενός ιδιαίτερου «θερμικού ίχνους» για κάθε ιπτάμενο μέσο. Στην περίπτωση στρατιωτικών εφαρμογών, είναι επιθυμητή η μείωση του χαρακτηριστικού θερμικού ίχνους, καθώς αυτό μπορεί να συμβάλει τόσο στον εντοπισμό όσο και στην πιθανή κατάρριψη του ιπτάμενου μέσου. Οι τεχνικές μείωσης του θερμικού ίχνους βασίζονται γενικά στην προσπάθεια ελάττωσης της θερμοκρασίας εξόδου των καυσαερίων, η οποία μπορεί να επιτευχθεί είτε μέσω της μείωσης της θερμοκρασίας λειτουργίας του κινητήρα (γεγονός το οποίο μπορεί να έχει αρνητικές συνέπειες στην παραγόμενη ισχύ) είτε μέσω της ανάμειξης των καυσαερίων με ένα ψυχρό ρεύμα αέρα, προτού αυτά απορριφθούν στο περιβάλλον. Στο πλαίσιο αυτό, ειδικά για την περίπτωση χρήσης αεριοστροβίλων σε στρατιωτικά ελικόπτερα, γίνεται χρήση εξειδικευμένων διατάξεων «λοβωτών ακροφυσίων» (lobed nozzles), οι οποίες προσαρ- μόζονται στην έξοδο των κινητήρων, με στόχο την έντονη ανάμειξη του (εσωτερικού) ρεύματος των θερμών καυσαερίων με το (εξωτερικό) ψυχρό ρεύμα του αέρα περιβάλλοντος. Τα λοβωτά ακροφύσια αποσκοπούν στη δημιουργία έντονων μακροσκοπικών στροβίλων, με στόχο την ενίσχυση των φαινομένων ανάμειξης μεταξύ των δύο ομοκεντρικών ρευμάτων διαφορετικής θερμοκρασίας. Συγκεκριμένα, ενώ σε κάθε «συμβατικό» ακροφύσιο δημιουργούνται διαμήκεις στροβιλισμοί στο φύλλο διάτμησης που εμφανίζεται στις ακμές εκφυγής, στην περίπτωση των «λοβωτών» ακροφυσίων, οι «λοβοί» οδηγούν στη δημιουργία δύο χαρακτηριστικών εγκάρσιων στροβίλων (δινών), αντίθετης φοράς. Η δημιουργία των στροβίλων αυτών επιτρέπει την ταχεία ανάμειξη του πυρήνα με την εξωτερική ροή, ενώ το μέγεθος τους μπορεί να είναι εως και μερικές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από το μέγεθος των διαμήκων στροβίλων των «συμβατικών» ακροφυσίων. Στην περίπτωση αυτή, η θερμική ανάμειξη των δυο ρευμάτων βασίζεται κυρίως σε «μακροσκοπικά» φαινόμενα συναγωγής και λιγότερο σε «μικροσκοπικά» φαινόμενα τυρβώδους ανάμειξης. Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα εργασία εστιάζεται στην πειραματική και υπολογιστική διερεύνηση των θερμικών και ροϊκών φαινομένων που χαρακτηρίζουν την ανάμειξη δύο ομοκεντρικών αερίων ρευμάτων διαφορετικής θερμοκρασίας. Αρχικά, πραγματοποιούνται πειράματα σε διάταξη μέσης κλίμακας, με στόχο τη μελέτη φαινομένων ανάμειξης αερίων ρευμάτων μικρής διαφοράς θερμοκρασίας. Στη συνέχεια, γίνεται χρήση εργαλείων υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD), για τη διερεύνηση της αποτελεσματικότητας εναλλακτικών μορφών ακροφυσίων ανάμειξης σε μια απλοποιημένη γεωμετρία της εξαγωγής του κινητήρα στο ελικόπτερο UH-1 Huey. Η επιλογή του κατάλληλου αριθμητικού μοντέλου τύρβης και η πιστοποίηση των αποτελεσμάτων του υπολογιστικού εργαλείου γίνεται μέσω της σύγκρισης των αριθμητικών προλέξεων με τις μετρήσεις που ελήφθησαν κατά τα πειράματα, καθώς επίσης και με τη χρήση αντίστοιχων πειραματικών μετρήσεων της βιβλιογραφίας. Σκοπός της μελέτης είναι η συγκριτική αξιολόγηση εναλλακτικών γεωμετριών λοβωτών ακροφυσίων κάνοντας χρήση ποικίλων θερμικών και αεροδυναμικών κριτηρίων, καθώς επίσης και η ανάπτυξη και αξιολόγηση νέων πρωτότυπων γεωμετριών λοβών.	el
heal.abstract	In most of the air vehicles (fixed wing airplane and helicopters) propulsion is achieved with the use of thermal engines (piston or jet engines). The hot gases produced by the engine are being ejected to the atmosphere, thus playing a key role in the formation of the “thermal image” of the vehicle. In the case of military applications, the suppression of the thermal image is of great importance, due to the threat of infrared guided weapons and thermal imaging sensors. Reducing the temperature of the exhaust gases is one of the most efficient ways to reduce the IR signature. This can be achieved by reducing the temperatures of the engine (with negative effects in the power produced as well as the efficiency of the engine) or by mixing cold atmospheric air with the gases. To achieve this, especially in the turboshaft engines of military helicopters, special nozzles, called lobed (due to the formation of lobes in their perimeter) are being used in the exhaust of the engine to enhance the mix of the primary core of hot gases, with the secondary flow of atmospheric cold air. Lobed nozzles have the property of forming large scale vortices, aiming in the enhancement of mixing between the two coaxial flows. In an ordinary nozzle, the only vortices formatting are the small scale turbulent eddies in the shear layer, upstream of the trailing edge of the nozzle. In the case of a lobed nozzle two, large scale, counter rotating, streamwise vortices are formatting in each lobe. The scale of these vortices is some order of magnitude bigger from the small scale turbulent vortices. In this case the thermal mixing of the two streams is dominated by convection with turbulent transport mixing playing a secondary role. The focus of this diploma thesis is the experimental and computational investigation of the thermal and flow characteristics of two coaxial flows mixing in a lobed nozzle. Mid scale experiments were conducted, aiming in researching the characteristics of mixing of two coaxial flows of different temperature. Computational Fluid Dynamics tools were used, to research the efficiency of different configurations of nozzles in a simplified geometry of the exhaust of the UH-1H helicopter. Selecting the most suitable turbulence model was based on validations made with the experiment data, gathered in this thesis, and by others from the international literature. The objective of this thesis is the comparison of many lobed nozzle geometry, using thermal and aerodynamic criteria, as well as developing new geometries for the formation of the lobes.	en
heal.advisorName	Φούντη, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Φούντη, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Χουντάλας, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Γιακουμής, Ευάγγελος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας. Εργαστήριο Ετερογενών Μειγμάτων και Συστημάτων Καύσης	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	166 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true