MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 48, ISSN 1896-771X

70

STEROWANIE OPŁYWEM KLAPKI PROFILU
POPRZEZ NADMUCH FUNKCJONUJĄCY
W PĘTLI SPRZĘŻENIA ZWROTNEGO

Andrzej Krzysiak

Instytut Lotnictwa
e-mail: [e-mail]

Streszczenie

Sterowanie przepływem poprzez nadmuch powietrza było przedmiotem wielu badań eksperymentalnych i obli-

czeniowych. Dodatkowy nadmuch zwiększa prędkość przepływu w warstwie przyściennej opływanego obiektu, co
skutkuje opóźnieniem oderwania przepływu, a tym samym podwyższeniem własności aerodynamicznych tego
obiektu

.

W niniejszym pracy przedstawiono wyniki eksperymentalnych badań charakterystyk aerodynamicznych

segmentu profilu z wychylaną klapą, której opływ był sterowany przy użyciu dodatkowego nadmuchu. Nadmuch
powietrza zrealizowany został poprzez dysze umieszczone na krawędzi spływu części głównej profilu. Ciśnieniesta-
tyczne mierzone w pobliżu krawędzi spływu klapy było sygnałem sterującym w układzie sprzężenia zwrotnego re-
gulującym przepływem powietrza. Praca zrealizowana została w ramach projektu europejskiego „ESTERA”.

Słowa kluczowe: aerodynamika stosowana

AN EXPERIMENTAL STUDY OF A SEPARATION
CONTROL ON THE WING FLAP CONTROLLED
BY CLOSE LOOP SYSTEM

Summary

Flow control by using an additional blowing has been a subject of the many experimental and computational re-

search. The main task of an additional blowing is to increase the flow velocity in the airfoil boundary layer to de-
lay the flow separation phenomenon and in result to improve the airfoil aerodynamic performance. This paper
presents the results of wind tunnel tests of flow control using an additional blowing on the airfoil segment
equipped with the movable flap. Blowing was realized through the set of nozzles located on the trailing edge of the
main body of the air foil. Air flow through the nozzles was controlled by a set of the electromagnetic valves lo-
cated inside the model. Pressures measured by sensors mounted on the flap surface created a control signal for a
feedback system regulating flow through the nozzles. The work was performed under the European project
"ESTERA”.

Keywords: applied aerodynamics

1.

WSTĘP

Aktywne sterowanie przepływem znalazło szerokie

zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i techniki
i w dalszym ciągu jest przedmiotem intensywnych
eksperymentalnych i numerycznych badań w wielu
ośrodkach naukowych na świecie [1-7]. Uzyskanie po-
prawy efektywności działania lub zastąpienie konwen-
cjonalnych metod sterowania obiektami poprzez stero-

wanie przepływem jest źródłem wymiernych korzyści.
Korzyści te można znacząco zwiększyć, stosując stero-
wanie przepływem funkcjonujące w pętli sprzężenia
zwrotnego.

Opracowano szereg różnych metod sterowania prze-

pływem [1, 8], z których wiele znalazło już praktyczne
zastosowanie. Jedna z metod aktywnego sterowania

Andrzej Krzysiak

71

przepływem polega na wykorzystaniu dodatkowego
nadmuchu powietrza na opływaną powierzchnię. Odpo-
wiednio ukierunkowany, dodatkowy, nadmuch powietrza
zwiększa energię przepływu w warstwie przyściennej
opływanej powierzchni, przyczyniając się do opóźnienia
zjawiska oderwania przepływu. W rezultacie opóźnione-
go oderwania przepływu i opóźnienia przeciągnięcia
aerodynamicznego wzrasta maksymalna, możliwa do
osiągnięcia, wartość siły nośnej. To przyczynia się do
poprawy osiągów aerodynamicznych obiektu, na którym
zastosowano sterowanie przepływem.

Z punktu widzenia efektywności sterowania przepły-

wem poprzez dodatkowy nadmuch, istotnym zagadnie-
niem staje się minimalizacja wydatku powietrza nie-
zbędnego do takiego procesu sterowania. Używany do
nadmuchu opływanej powierzchni wydatek powietrza
powinien być utrzymywany na takim poziomie, aby
niezależnie od aktualnych warunków opływu (zmieniają-
cych się zarówno wraz ze zmianą konfiguracji obiektu,
jak i ze zmianą warunków zewnętrznych opływu) uzy-
skać przyklejony przepływ na tej powierzchni. Utrzyma-
nie nieoderwanego przepływu przy zmieniających się
warunkach opływu wymaga bieżącego śledzenia stanu
warstwy przyściennej. Oznacza to konieczność zdefinio-
wania parametru, którego zmiana wartości wskazywała-
by na możliwość pojawienia się oderwania przepływu.
Minimalizacja wydatku powietrza niezbędnego do
utrzymania pożądanego stanu warstwy przyściennej, na
podstawie analizy jego bieżącego stanu, wymaga realiza-
cji takiego procesu sterowania w pętli sprzężenia zwrot-
nego.

Sterowanie przepływem funkcjonujące w pętli sprzę-

żenia zwrotnego było przedmiotem szeregu badań za-
równo numerycznych, jak i eksperymentalnych.
W badaniach numerycznych bieżąca analiza stanu
warstwy przyściennej przy zmieniających się warunkach
przepływu prowadzona była na podstawie rozwiązań
analitycznych [9]. W badaniach eksperymentalnych
sterowanie przepływem funkcjonujące w pętli sprzężenia
zwrotnego realizowane było na podstawie mierzonej na
bieżąco wartości fizycznej. Z reguły wykorzystywano do
tego celu ciśnienie statyczne mierzone w określonych
punktach na powierzchni badanego obiektu lub różnicę
ciśnień występującą pomiędzy takimi punktami [10, 11].

W niniejszej pracy przedstawiono wyniki ekspery-

mentalnych tunelowych badań sterowania przepływem
na wychylanej klapie segmentu profilu NACA 0012 przy
użyciu dodatkowego nadmuchu na tę klapę. Nadmuch
realizowany był poprzez dysze umieszczone na krawędzi
spływu części głównej segmentu profilu. Przepływ
powietrza przez dysze regulowany był przez zespół
dwupołożeniowych

zaworów

elektromagnetycznych

umieszczonych wewnątrz modelu. Ciśnienie statyczne
mierzone w pobliżu krawędzi spływu klapy było sygna-
łem sterującym w układzie sprzężenia zwrotnego regulu-
jącym przepływem powietrza.

2.

TECHNIKA BADAŃ

2.1.TUNEL MAŁYCH PRĘDKOŚCI T-1

Tunel aerodynamiczny T-1, w którym prowadzone

były badania, jest tunelem małych prędkości, ciągłego
działania, o otwartej przestrzeni pomiarowej. Średnica
przestrzeni pomiarowej tunelu wynosi 1.5 m, długość
2 m. Maksymalna prędkość powietrza w tunelu to
40 m/s, a minimalna - 15 m/s. Badania sterowania
przepływem (funkcjonującym w pętli sprzężenia zwrot-
nego) poprzez nadmuch powietrza na górną powierzch-
nię wychylonej klapy przeprowadzono na segmentu
profilu NACA 0012. Segment profilu umocowany był
w przestrzeni pomiarowej tunelu w pozycji pionowej
pomiędzy dwiema płytami brzegowymi o wymiarach
1495x1495 mm (rys.1). W każdej z płyt umieszczone
były łożyska kulkowe dające możliwość zmiany kąta
natarcia względem pionowej osi tunelu, w zakresie

∆α

= ±45°.

Rys.1. Segment profilu NACA 0012 z ruchomą klapką w tunelu

aerodynamicznym

∅

1.5 m

Przed właściwymi badaniami wyznaczono kąt skosu

strumienia w tunelu, wykorzystując symetrię profilu
względem cięciwy. Następnie skorygowano pionowe
ustawienie modelu o zmierzony kąt skosu strumienia
w taki sposób, że cięciwa modelu profilu była równoległa
do kierunku przepływu na zerowym kącie natarcia.

Za segmentem profilu umieszczono wzdłużną sondę

umożliwiającą pomiary rozkładu ciśnienia spiętrzenia
oraz ciśnienia statycznego w śladzie za tym modelem.
Uzyskany rozkład ciśnienia służył do pomiaru współ-
czynnika oporu profilu. Liczby Reynoldsa, Macha oraz
prędkości przepływu niezakłóconego, przy których
prowadzone były badania, przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Uzyskane w badaniach liczby M i Re oraz V∞

M

0.05

0.075

0.1

V∞

18.3 m/s

25.9 m/s

34.4 m/s

Re

0.6*10

6

0.84*10

6

1.12*10

6

STEROWANIE OPŁYWEM KLAPKI PROFILU POPRZEZ NADMUCH FUNKCJONUJĄCY….

72

2.2. BADANY MODEL

Badany segment profilu NACA 0012 z 30% klapą

szczelinową był modelem kompozytowym, dwudźwiga-
rowym, z szeregiem odejmowanych górnych pokryw
i wolną przestrzenią wewnątrz modelu. Kształt szczeliny
nie podlegał procesowi optymalizacji. Cięciwa modelu
wynosiła c = 0.5 m, a rozpiętość d = 1 m. Dokładność
wykonania powierzchni zewnętrznej modelu segmentu-
profilu wynosiła ±0.05 mm (rys.2).

Rys.2. Segmentu profilu NACA 0012 z 30% klapą

Ruchoma 30%-owa klapa szczelinowa zamontowana

została do części głównej segmentu profilu na czterech
konsolach umożliwiających jej wychylanie w zakresie

δ

= 0

0

÷

45

0 (

rys. 3).

Rys.3. Część główna segmentu profilu z 4 konsolami mocują-

cymi klapę oraz odsłoniętymi pokrywami

Ruch klapy z zadawaną prędkością zapewniał układ

czterech serwomechanizmów (typu HS-7955TG) sprzę-
żonych i zsynchronizowanych elektronicznie (poprzez
Power Box System). Aktualne położenie kątowe klapki
rejestrowane było za pomocą encodera CEV 58M SSI

(

rys.4).

Rys.4. Serwomechanizm (z prawej) wraz z encoderem

Do pomiaru rozkładu ciśnienia na górnej i dolnej

powierzchni części głównej segmentu profilu oraz klapy
wykonano łącznie ponad 100 otworków pomiarowych
o średnicy 0.5 mm (rys.5).

Rys.5. Rozmieszczenie otworków pomiarowych na segmencie

profilu z ruchomą klapą

Na części głównej segmentu profilu otworki pomia-

rowe rozmieszczone zostały w jednym przekroju, leżą-
cym wzdłuż cięciwy profilu pomiędzy osiami dyszek.
Natomiast na klapie, dla uzyskania pełniejszego rozkła-
du ciśnienia, otworki pomiarowe rozmieszczono w czte-
rech przekrojach, usytuowanych zarówno wzdłuż osi
dyszek, jak i pomiędzy nimi. Wszystkie otworki pomia-
rowe (z części głównej segmentu profilu oraz z klapy)
połączone były igielitowymi rurkami z trzema elektro-
nicznymi skanerami ciśnienia ESP-32HD, wchodzącymi
w skład systemu pomiarowego „INITIUM”. Pomierzone
rozkłady ciśnienia na profilu i klapie służyły do oblicze-
nia charakterystyk aerodynamicznych profilu, tj. współ-
czynników siły nośnej, siły oporu oraz momentu.

Segment profilu NACA0012 wyposażony został

w rząd 12 zespołów dysz, usytuowanych na krawędzi
spływu części głównej segmentu profilu (rys. 6). Dysze
ustawione były w taki sposób, że wypływający z nich
strumień powietrza skierowany był wprost w warstwę
przyścienną tworzącą się na noskowej części klapy.

Rys.6. Usytuowanie dysz na segmencie profilu NACA 0012

Każdy zespół składał się z trzech dysz (o wymiarach

5.6 x 1 mm) zasilanych powietrzem z jednej komory.
Komory posiadały odpowiednio zoptymalizowaną geo-
metrię wewnętrzną, umożliwiającą przepływ jednakowe-
go wydatku powietrza przez każdą z trzech dysz (roz-
wiązanie strzeżone patentem) - rys.7.

Rys.7. Ustawienie i kształt komór dyszowych

Komory dyszowe zasilane były powietrzem poprzez

dwupołożeniowe zawory elektromagnetyczneMHE4-
MS1H o regulowanej częstotliwości pracy zamontowane
wewnątrz segmentu profilu.

Sprężone powietrze dostarczano do układu pneuma-

tycznego, znajdującego się wewnątrz segmentu profilu,

Andrzej Krzysiak

73

ze sprężarki o maksymalnym wydatku powietrza
1100 l/min. W układzie zasilania umieszczono ponadto:
zbiornik wyrównawczy (o pojemności 1000l), zawór
regulacyjny (proporcjonalny) oraz przepływomierz.
Schemat zasilania zaworów elektromagnetycznych
powietrzem przedstawiono na rys. 8.

Rys.8. Schemat układu zasilania dwupołożeniowych zaworów

elektromagnetycznych powietrzem

2.3.

KONCEPCJA UKŁADU
STEROWANIA OPŁYWEM PROFILU
FUNKCJONUJĄCYM W PĘTLI
SPRZĘŻENIA ZWROTNEGO

Podstawowym zadaniem, jakie miał do wykonania,

funkcjonujący w pętli sprzężenia zwrotnego układ stero-
wania opływem profilu poprzez nadmuch, polegało na
utrzymaniu nieoderwanego przepływu na klapie profilu
w trakcie jej wychylania. Badania eksperymentalne
poprzedzono obliczeniami numerycznymi, które pokaza-
ły, że przy planowanym całkowitym wydatku powietrza
wydmuchiwanym przez dysze (około 120 m

3

/h),

w całym zakresie badanych kątów wychylenia klapy (tj.
od

δ

= 0

0

do

δ

= 40

0

),przepływ na klapie pozostaje

nieoderwany. Zastosowane do sterowania przepływem
zawory elektromagnetyczne były zaworami dwupołoże-
niowymi, tj. były całkowicie zamknięte lub zapewniały
pełny przepływ powietrza o określonym wydatku, regu-
lowanym poprzez zawór proporcjonalny.

Sterowanie przepływem wymagało śledzenia na bie-

żąco stanu warstwy przyściennej w opływie klapy.
Wieloletnie doświadczenia eksperymentalne i numerycz-
ne prowadzone w Instytucie Lotnictwa wykazały, że
parametrem, który określa stan warstwy przyściennej
na górnej powierzchni profilu, tj. czy jest tam przepływ
oderwany czy przyklejony, może być wartość ciśnienia
statycznego

(lub

współczynnik

tego

ciśnienia

Cp),mierzona na górnej powierzchni profilu w pobliżu
krawędzi spływu. W przypadku przepływu przyklejone-
go do powierzchni ciśnienie statyczne na spływie klapki
ma wartość dodatnią, natomiast w przypadku przepływu
oderwanego wartość ujemną. Porównanie rozkładów

ciśnienia na profilu NACA 0012 (z klapą wychyloną pod
kątem

δ

= 40

0

przy

α

= 12

0

) z nadmuchem powietrza na

klapę (przepływ przyklejony) i bez nadmuchu powietrza
(przepływ oderwany) przedstawiono na rys. 9. Na ry-
sunku tym widać wspomniane różnice w wartościach
ciśnienia statycznego w pobliżu krawędzi spływu klapy.

Rys.9. Porównanie rozkładów ciśnienia na profilu NACA 0012

z przepływem przyklejonym i oderwanym

Proponowany układ sterowania opływem profilu

funkcjonujący w pętli sprzężenia zwrotnego przedstawiał
się następująco:

•

na wybranym stałym kącie natarcia segmentu
profilu wychylano klapę (ze stałą prędkością ką-
tową), mierząc na bieżąco rozkłady ciśnienia sta-
tycznego (na powierzchni części głównej segmen-
tu profilu oraz klapy), a także wybrane parame-
try przepływu niezakłóconego (tj. ciśnienie cał-
kowite oraz ciśnienie statyczne);

•

zmierzona na powierzchni górnej w pobliżu kra-
wędzi spływu klapy wartość ciśnienia statyczne-
go, jak i parametry przepływu niezakłóconego,
przekazywane były do elektronicznego układu
sterującego (firmy Tech-Design), pomiaru doko-
nywano co 2 ms;

•

z określonej liczby próbek (z reguły dziesięciu lub
dwudziestu) układ sterujący wyliczał średnią
kroczącą wartość współczynnika ciśnienia (mie-
rzonego w pobliżu krawędzi spływu klapy) oraz
dokonywał analizy zmierzonej wartości, porów-
nując ją z wartością zadaną;

•

jeżeli obliczona wartość była niższa od wartości
zadanej, co świadczyło o pojawieniu się oderwa-
nia przepływu na klapie, układ sterujący wysyłał
sygnał otwierający zawory elektromagnetyczne;

•

otwarcie zaworów powodowało wypływ strumie-
nia powietrza z dysz umieszczonych na krawędzi
spływu części głównej segmentu profilu, a skie-
rowany na górną powierzchnię klapy strumień
powietrza dostarczał dodatkowej energii do war-
stwy przyściennej na klapie, powodując przykle-
jenie się przepływu, a tym samym powodował
wzrost współczynnika siły nośnej profilu;

•

przyklejenie się przepływu na klapie skutkowało
wzrostem wartości współczynnika ciśnienia mie-
rzonego w pobliżu krawędzi spływu klapy;

•

jeżeli z porównania dokonywanego na bieżąco
przez układ sterujący wynikało, że obliczona

M=0.1

ALFA = 12

DELTA = 40

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

x/c

Cp

przeplyw przyklejony

przepływ oderwany

STEROWANIE OPŁYWEM KLAPKI PROFILU POPRZEZ NADMUCH FUNKCJONUJĄCY….

74

wartość współczynnika ciśnienia była wyższa od
wartości zadanej, układ wysyłał sygnał zamyka-
jący zawory elektromagnetyczne, zamknięcie za-
worów powodowało wstrzymanie nadmuchu po-
wietrza na klapę i spadek prędkości przepływu
w warstwie przyściennej klapy, co sprzyjało po-
nownemu oderwaniu się przepływu i objawiało
się zmniejszeniem wartości współczynnika ciśnie-
nia mierzonego w pobliżu krawędzi spływu kla-
py.

Na rys. 10 przedstawiono schemat układu sterowania

opływem klapki segmentu profilu funkcjonujący w pętli
sprzężenia zwrotnego.

Zawory

reguluj

ą

ce wydatkiem powietrza

przepływaj

ą

cego przez dysze

Zawory

reguluj

ą

ce wydatkiem powietrza

przepływaj

ą

cego przez dysze

Czujniki

pomiar ci

ś

nienia na

powierzchni klapy

Czujniki

pomiar ci

ś

nienia na

powierzchni klapy

Układ steruj

ą

cy

Układ steruj

ą

cy

Dodatkowe czujniki

np. pomiar parametrów

przepływu

Dodatkowe czujniki

np. pomiar parametrów

przepływu

Rys.10. Schemat układu sterowania opływem klapki segmentu

profilu funkcjonujący w pętli sprzężenia zwrotnego

3.

WYNIKI BADAŃ

Eksperymentalne badania sterowania przepływem

poprzez nadmuch powietrza na klapę segmentu profilu
NACA 0012 przeprowadzono dwuetapowo. W pierw-
szym etapie badano wpływ ciągłego nadmuchu powie-
trza na charakterystyki aerodynamiczne profilu z klapą
wychyloną pod określonym kątem. Badania wykonano
dla następujących kątów wychylenia klapy

δ

= 10

0

, 20

0

,

30

0

oraz 40

0

, przy różnych wydatkach powietrza płyną-

cych przez dysze, VFR = 60÷ 140 m

3

/h.

W drugim etapie badań użyto układu sterującego

zaworami

elektromagnetycznymi,

funkcjonującego

w pętli sprzężenia zwrotnego, dzięki któremu regulowano
wypływem powietrza z dysz (tj. zamykano lub otwierano
zawory),w zależności od stanu warstwy przyściennej na
klapie segmentu profilu (przepływ oderwany lub przykle-
jony). W trakcie tych badań klapa segmentu profilu
zmieniała swoje położenie (ze stałą prędkością kątową),
z kąta wychylenia

δ

= 0

0

na kąt

δ

= 40

0

, a następnie z

powrotem na kąt

δ

= 0

0

. Badania te wykonano dla

szeregu wybranych kątów natarcia segmentu profilu (

α

= 0

0

,10

0

i 20

0

), oraz przy prędkościach przepływu nieza-

kłóconego odpowiadającego liczbom Macha M = 0.05,
0.075 i 0,1.

3.1.

BADANIA WPŁYWU CIĄGŁEGO
NADMUCHU POWIETRZA
NA CHARAKTERYSTYKI
AERODYNAMICZNE PROFILU

Na rys.10, przedstawiono wpływ wydatku powietrza

wypływającego przez dysze na rozkład ciśnienia na
profilu NACA 0012. Badania wykonano dla kąta natar-
cia profilu

α

= 10

0

, kąta wychylenia steru

δ

= 40

0

oraz

dla liczby Macha przepływu niezakłóconego M = 0.1.

Rys.10. Wpływ wydatku powietrza wypływającego przez dysze

na rozkład ciśnienia na profilu NACA 0012

Przeprowadzone badania wykazały, że nadmuch po-

wietrza na klapę powoduje wzrost podciśnienia zarówno
na górnej powierzchni klapy (w szczególności w pobliżu
jej krawędzi natarcia), jak również w pobliżu krawędzi
spływu części głównej segmentu profilu (efekt zasysania
powietrza). Wskutek nadmuchu powietrza o zwiększają-
cej się prędkości wypływu strumienia z dysz, do energe-
tyzowana warstwa przyścienna zaczynała przyklejać się
do powierzchni profilu, likwidując obszar oderwania
przepływu na klapie. W efekcie wzrastała wartość
współczynnika ciśnienia statycznego mierzonego na
krawędzi spływu klapy. Tak jak już wspomniano, war-
tość tego współczynnika była parametrem sterującym
w układzie sterowania przepływem. Stwierdzono ponad-
to, że przy wzroście wydatku powietrza płynącego przez
dysze powyżej VFR 75 ÷ 85 m

3

/h wypływ powietrza

likwiduje całkowicie oderwanie przepływu na górnej
powierzchni klapki, a współczynnik ciśnienia na krawę-
dzi spływu przyjmuje wartości dodatnie.

W efekcie likwidacji oderwania przepływu na klapce

segmentu profilu wychylonej na kąt

δ

= 40

0

znacząco

rośnie wartość współczynnika siły nośnej profilu. Na rys.
11. zaprezentowano wpływ nadmuchu powietrza
(VFR = 120 m

3

/h) na współczynnik siły nośnej

w funkcji kąta natarcia profilu dla kątów wychylenia
klapy

δ

= 20

0

, 30

0

i 40

0

.

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

x/c

Cp

VFR = 140 m3/h

VFR = 112 m3/h

VFR = 85 m3/h
VFR = 73 m3/h

VFR = 60 m3/h

bez nadmuchu

Andrzej Krzysiak

75

Rys.11. Wpływ nadmuchu powietrza na współczynnik siły

nośnej profilu w funkcji kąta natarcia profilu

dla

δ

= 20

0

, 30

0

i 40

0

Przeprowadzone badania eksperymentalne wykazały

wysoką skuteczność działania nadmuchu na badaną
klapkę segmentu profilu. I tak, dla kątów wychylenia
klapki

δ

= 20

0

i 30

0

i kątów natarcia

α<α

krytyczny,

nadmuch

powietrza z dysz (o sumarycznym wydatku VFR = 120
m

3

/h) spowodował wzrost wartości współczynnika siły

nośnej o

∆

Cz ≈ 0.45, a dla kąta wychylenia klapki

δ

= 40

0

ten wzrost wyniósł

∆

Cz ≈ 0.7.

3.2.

BADANIA STEROWANIA PRZE-
PŁYWEM FUNKCJONUJĄCYM
W PĘTLI SPRZĘŻENIA ZWROTNEGO

W trakcie eksperymentalnych testów sterowania

przepływem funkcjonującym w pętli sprzężenia zwrotne-
go badano, między innymi, wpływ wartości współczyn-
nika ciśnienia Cp, przy którym następuje otwarcie lub
zamknięcie zaworów uruchamiających nadmuch na
charakterystyki aerodynamiczne modelu profilu NACA
0012 oraz na wielkość zużytego wydatku powietrza. Na
rys.12. zaprezentowano wpływ sterowania nadmuchem
powietrza na współczynnik siły nośnej w trakcie zmiany
kata wychylenia klapy, w zakresie

δ

= 0

0

→

40

0

→

0

0

.

Prędkość kątową klapy wynosiła

ω

= 1.4 ÷ 1.5 deg/s.

Badania wykonano dla prędkości przepływu niezakłóco-
nego odpowiadającego liczbie Macha M = 0,1 i kącie
natarcia profilu

α

= 10

0

. W trakcie tych badań układ

sterujący włączał nadmuch powietrza na klapę przy
spadku wartości współczynnika ciśnienia poniżej Cp = 0
oraz wyłączał nadmuch przy wzroście jego wartości
powyżej Cp = 0.

Rys.12. Wpływ sterowania nadmuchem powietrza, funkcjonują-

cym w pętli sprzężenia zwrotnegona współczynnik siły nośnej

Na następnych dziesięciu obrazach (rys. 13) przed-

stawiono rozkłady ciśnienia na klapie oraz głównej części
profilu (obszar spływowy), w poszczególnych chwilach
czasowych, w trakcie działania systemu sterowania
przepływem. Obrazy te zamieszczono w takiej kolejności,
że pierwszy z nich przedstawia moment, w którym na
górnej powierzchni klapy występuje oderwanie przepły-
wu i system sterujący włącza nadmuch na klapę. Ostatni
z tych obrazów przedstawia w przybliżeniu ten sam
moment, lecz już w następnym cyklu działania systemu
sterowania.

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

α[°]

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

Cz

M = 0.1

δ

= 20°

Dmuch (14) ; m= 0 m

3

/ h

Dmuch (46) ; m=120 m

3

/ h

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

α[°]

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

Cz

M = 0.1

δ

= 30°

Dmuch (15) ; m=0 m

3

/ h

Dmuch (45) ; m=120 m

3

/ h

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

α[°]

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

Cz

M = 0.1

δ

= 40°

Dmuch (16) ; m=0 m

3

/ h

Dmuch (38) ; m=120 m

3

/ h

STEROWANIE OPŁYWEM KLAPKI PROFILU POPRZEZ NADMUCH FUNKCJONUJĄCY….

76

Rys.13. Rozkłady ciśnienia na klapie oraz głównej części profilu

(obszar spływowy) w funkcji czasu

Andrzej Krzysiak

77

4.

WNIOSKI

Przeprowadzone badania segmentu profilu NACA

0012 z wychylaną klapą, której opływ był sterowany
przy użyciu dodatkowego nadmuchu funkcjonującego
w pętli sprzężenia zwrotnego, pozwoliły na wyciągnięcie
następujących wniosków.

•

Nadmuch powietrza na klapę segmentu profilu
może być efektywnym narzędziem sterowania
przepływem, umożliwiającym opóźnienie ode-
rwania przepływu na tym profilu, a tym sa-
mym wzrost jego maksymalnej siły nośnej.
W opisanych w niniejszym artykule badaniach,
przy stałym nadmuchu powietrza na klapę,
osiągnięto maksymalnie prawie 30% wzrost
współczynnika siły nośnej profilu, przy wydat-
ku

wydmuchiwanego

powietrza

VFR = 120 m

3

/h.

•

Istnieje możliwość istotnego zmniejszenia wy-
datku powietrza zużywanego do nadmuchu
klapy poprzez zastosowanie układu sterowania

przepływem funkcjonującym w pętli sprzężenia
zwrotnego. Przeprowadzone badania wykazały,
że wydatek powietrza zużywany do nadmuchu
klapy zależny jest od wartości współczynnika
ciśnienia, przy którym włączany i wyłączany
jest nadmuch powietrza na klapę segmentu pro-
filu. I tak, dla Cp = 0.0 zmierzona wielkość
wydatku wynosiła, VFR = 68 m

3

/h a dla

Cp = -0.4,VFR = 33 m

3

/h. Nie stwierdzono

wpływu współczynnika ciśnienia na maksymal-
ne osiągane wartości siły nośnej na profilu.

•

W badaniach potwierdzono, że wartość współ-
czynnika ciśnienia mierzonego na krawędzi
spływu klapki segmentu profilu określa stan
warstwy przyściennej na klapce (przepływ ode-
rwany lub przyklejony) i może być parametrem
sterującym w układzie sterowania przepływem
funkcjonującym w pętli sprzężenia zwrotnego.
Zaprezentowane w niniejszym artykule rozwią-
zanie sterowania przepływem jest chronione pa-
tentem.

Praca zrealizowana została w ramach projektu europejskiego „ESTERA

-

CLEAN SKY”(Multi-level Embedded

Closed-Loop Control System for Fluidic Active Flow Control Actuation Applied in High Lift and High Speed Aircraft
Operations).

Literatura

1.

Gad-el-Hak M.: Flow control – passive, active, and reactive flow management. CambridgeUniversity Press, 2000.

2.

Gad-el-Hak M.: Flow control - the future. “Journal of Aircraft” 2001, No. 38, p. 402 - 418.

3.

Nishri A., WygnanskiI.: Effects of periodic excitation on turbulent flow separation from a flap. “AIAA Journal”
1998, No. 36, p. 547 - 556.

4.

Melton L.P., Yao C.S., Seifert A.: Active control of separation from the flap of a supercritical foil. “AIAA Jour-
nal”, 2005, No. 44, p. 34 - 41.

5.

Seifert A., Greenblat D., Wygnanski I.: Active separation control: an overview of Reynolds and Mach numbers
effects. “Aerospace Science and Technology” 2004, N0. 8, p. - 582.

6.

Seifert A., Pack L.G.: Compressibility and excitation location effects on high Reynolds numbers active separation
control. “Journal of Aircraft” 2003, No. 40, p. 110 - 126.

7.

Krzysiak A., Narkiewicz J.: Aerodynamic loads on airfoil with trailing-edge flap pitching with different frequen-
cies. “Journal of Aircraft” 2006, No.2, p. 407 - 418.

8.

Krzysiak A.: Zastosowanie nowego rodzaju strumieniowych generatorów wirów do sterowania przepływem.
„Prace Instytutu Lotnictwa”, 2011, nr 212.

9.

Alam M., Liu W., Haller G.: Close-loop separation control - an analytic approach. ”Physics of Fluids” 2006, No.
18, 043601.

10.

Bright M., Culley D., Braunscheidel E., Welch G.: Closed loop active flow separation detection and control in a
multistage compressor. NASA/TM—2005-213553

11.

Allan B., Juang J., Raney D., Seifert A.:Closed-loop separation control using oscillatory flow excita-
tion.NASA/CR-2000-210324, ICASE Report No. 2000-32