Υπολογιστική ανάλυση και παραμετρική διερεύνηση της τεχνικής συνεχούς αναρρόφησης για τον έλεγχο οριακών στρωμάτων

Abstract

Η διπλωματική αυτή εργασία επικεντρώνεται, ακολουθώντας πρακτικές υπολογιστικής ρευστομηχανικής (CFD), στην τεχνική των σύνθετων δεσμών (Synthetic Jets) για τον έλεγχο της αποκόλλησης οριακών στρωμάτων. Ξεκινάει από μία γενική διερεύνηση των υφιστάμενων μεθόδων ελέγχου της ροής (παθητικών και ενεργητικών) για να καταλήξει στην τεχνική των σύνθετων δεσμών στην οποία και επικεντρώνεται. Συγκεκριμένα αναπτύσσεται μία πλήρης διαδικασία για τη δημιουργία οπών σύνθετων δεσμών σε καμπύλα τοιχώματα. Η διαδικασία αυτή λαμβάνει χώρα σε έναν συμμετρικό αγωγό που φέρει καμπύλη διαμόρφωση σε ένα του τοίχωμα (εκεί τοποθετείται η οπή της σύνθετης δέσμης). Στο εσωτερικό αυτού, συμπεριλαμβανομένης της περιοχής γύρω από την οπή αλλά και της κοιλότητας που ακολουθεί την οπή, κατασκευάζεται μη-δομημένο υπολογιστικό πλέγμα και ακολουθεί η αριθμητική επίλυση της ροής με λογισμικό του Εργαστηρίου Θερμικών Στροβιλομηχανών του ΕΜΠ (επίλυση των εξισώσεων Navier-Stokes). Η πιστοποίηση γίνεται στη γεωμετρία που περιγράφηκε παραπάνω, περιοριζόμενη στην τεχνική της συνεχούς αναρρόφησης. Μελετάται παραμετρικά η επίδραση του ελέγχου με παραμέτρους τη θέση της οπής αναρρόφησης, τη γωνία πρόσδεσης της κοιλότητας που ακολουθεί την οπή με το τοίχωμα του αγωγού, το μέγεθος του ανοίγματος της οπής και την παροχή αναρρόφησης (που παραμένει σταθερή με τον χρόνο). Η επίδραση του ελέγχου αξιολογείται σύμφωνα με το μήκος της ζώνης αποκόλλησης και την ελάχιστη αρνητική τιμή του συντελεστή τριβής στην εν λόγω περιοχή. Συνεπώς η διπλωματική αυτή εργασία πραγματεύεται ουσιαστικά μία διαδικασία βελτιστοποίησης χωρίς να καταφεύγει σε χρήση κάποιου λογισμικού βελτιστοποίησης (λ.χ. εξελικτικού αλγορίθμου) που ενδεχομένως θα αποτελούσε το θέμα επόμενης διπλωματικής εργασίας. Τα αποτελέσματα της εργασίας είναι αρκετά ενθαρρυντικά και συνηγορούν υπέρ της χρήσης της τεχνικής συνεχούς αναρρόφησης καθώς για τη γεωμετρία της διαμόρφωσης επί της οποίας έγιναν οι σχετικοί υπολογισμοί, βρέθηκε υποχώρηση του εύρους της ζώνης αποκόλλησης και της ελάχιστης αρνητικής τιμής του συντελεστή τριβής κατά περίπου 35% και 33% αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα αυτά προέκυψαν για λόγο παροχών αναρρόφησης - εισόδου στον αγωγό της τάξης του 0.25∙10-3.

This diploma thesis uses Computational Fluid Dynamics to investigate the performance of synthetic jets, as a means to suppress the separation region in decelerating boundary layer. It begins with a presentation of both passive and active flow control methods, to conclude to the synthetic jets technique. An automatic procedure of designing slots of synthetic jets and analyzing the corresponding flow features has been programmed. This procedure takes place in a symmetrical duct with an obstacle across its walls, where the slot is to be positioned. An unstructured grid is generated inside of the duct taking into consideration the existence of the slot and the cavity which follows the slot. Then the Navier-Stokes equations are solved using software developed in the laboratory of Thermal Turbomachines of the NTUA. We used this procedure to study the aforementioned duct flow, while testing the steady suction method. A parametric study is performed taking as variables the position of the slot, the direction of the cavity which follows the slot, the width of the slot and the suction mass flow (steady), while the influence of the technique is assessed by the length of the separation region and the minimum negative value of the friction coefficient. Consequently an optimization procedure is undertaken without using an optimization code, such as an evolutionary algorithm, which could be the subject of a forthcoming diploma thesis. The results of the work are positive and consent such a next move, as the length of the separation region and the minimum negative value of the friction coefficient are decreased by 35% and 33% respectively, in this case. The ratio of the suction mass flow to the inlet mass flow is approximately equal to 0.25∙10-3, when the flow has exit isentropic Mach 0.3 and Reynolds number equal to 12∙106.