Microsoft Word - 10_Krzysiak

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 48, ISSN 1896-771X

STEROWANIE OPŁYWEM KLAPKI PROFILU
POPRZEZ NADMUCH FUNKCJONUJĄCY
W PĘTLI SPRZĘŻENIA ZWROTNEGO

Andrzej Krzysiak

Instytut Lotnictwa
e-mail: andkrzys@ilot.edu.pl

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

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

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.

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∞

0.05

0.075

0.1

V∞

18.3 m/s

25.9 m/s

34.4 m/s

0.6*10

0.84*10

1.12*10

STEROWANIE OPŁYWEM KLAPKI PROFILU POPRZEZ NADMUCH FUNKCJONUJĄCY….

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

= 0

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

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

/h),

w całym zakresie badanych kątów wychylenia klapy (tj.
od

= 0

= 40

),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

= 40

przy

= 12

) 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

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

x/c

przeplyw przyklejony

przepływ oderwany

STEROWANIE OPŁYWEM KLAPKI PROFILU POPRZEZ NADMUCH FUNKCJONUJĄCY….

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

ce wydatkiem powietrza

przepływaj

cego przez dysze

Zawory

reguluj

ce wydatkiem powietrza

przepływaj

cego przez dysze

Czujniki

pomiar ci

nienia na

powierzchni klapy

Czujniki

pomiar ci

nienia na

powierzchni klapy

Układ steruj

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

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

= 10

, 20

oraz 40

, przy różnych wydatkach powietrza płyną-

cych przez dysze, VFR = 60÷ 140 m

/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

= 0

na kąt

= 40

, a następnie z

powrotem na kąt

= 0

. Badania te wykonano dla

szeregu wybranych kątów natarcia segmentu profilu (

= 0

,10

i 20

), 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

= 10

, kąta wychylenia steru

= 40

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

/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

= 40

znacząco

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

/h) na współczynnik siły nośnej

w funkcji kąta natarcia profilu dla kątów wychylenia
klapy

= 20

, 30

i 40

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

x/c

VFR = 140 m3/h

VFR = 112 m3/h

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

VFR = 60 m3/h

bez nadmuchu

Andrzej Krzysiak

Rys.11. Wpływ nadmuchu powietrza na współczynnik siły

nośnej profilu w funkcji kąta natarcia profilu

dla

= 20

, 30

i 40

Przeprowadzone badania eksperymentalne wykazały

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

= 20

i 30

i kątów natarcia

α<α

krytyczny,

nadmuch

powietrza z dysz (o sumarycznym wydatku VFR = 120
m

/h) spowodował wzrost wartości współczynnika siły

nośnej o

∆

Cz ≈ 0.45, a dla kąta wychylenia klapki

= 40

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

= 0

→

Prędkość kątową klapy wynosiła

= 1.4 ÷ 1.5 deg/s.

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

= 10

. 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

α[°]

0.2

0.4

0.6

0.8

1.2

1.4

1.6

1.8

2.2

M = 0.1

= 20°

Dmuch (14) ; m= 0 m

/ h

Dmuch (46) ; m=120 m

/ h

-10

-8

-6

-4

-2

α[°]

0.4

0.6

0.8

1.2

1.4

1.6

1.8

2.2

M = 0.1

= 30°

Dmuch (15) ; m=0 m

/ h

Dmuch (45) ; m=120 m

/ h

-10

-8

-6

-4

-2

α[°]

0.4

0.6

0.8

1.2

1.4

1.6

1.8

2.2

2.4

M = 0.1

= 40°

Dmuch (16) ; m=0 m

/ h

Dmuch (38) ; m=120 m

/ h

Andrzej Krzysiak

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

/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

/h a dla

Cp = -0.4,VFR = 33 m

/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

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

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

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

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.

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.

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.

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.

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

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