بهینه‌سازی هندسه ایرفویل ناکا 0012 مجهز به گارنی فلپ شیاردار با هدف بهبود عملکرد آیرودینامیکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

2 صنعتی امیرکبیر*مهندسی هوافضا

3 دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

چکیده

بهینه‌سازی هندسه یک ایرفویل مجهز به گارنی‌فلپ با هدف بهبود عملکرد آیرودینامیکی، هدف اصلی این پژوهش بوده است. بهینه‌سازی گارنی‌فلپ شیاردار به منظور افزایش نیروی برآی و کارآیی ایرفویل ناکا 0012 نوآوری این تحقیق می‌باشد. به‌منظور بهینه‌سازی، از حل هم‌زمان الگوریتم ژنتیک، شبکه‌های عصبی مصنوعی و دینامیک سیالات محاسباتی بهره‌ گرفته ‌شده است. ارتفاع و ضخامت گارنی‌فلپ، ضخامت و محل قرارگیری شیار از متغیرهای بهینه‌سازی بوده‌اند. کلیه پژوهش‌ها در عدد رینولدز 106×0/45 و زاویه حمله 8 درجه با هدف شبیه‌سازی فرآیند برخاست انجا‌م‌گرفته‌ و پس از اعتبارسنجی نتایج، بهینه‌سازی با دو تابع هدف بیشینه برآ و کارآیی آیرودینامیکی صورت گرفته است. نتایج نشان دادند که هندسه با ضریب برآی بهینه دارای ارتفاع بیشتری نسبت به هندسه‌ با کارآیی بهینه بوده است. از طرفی ضخامت شیار نیز در هندسه اول کمتر از هندسه دوم بوده و محل شروع شیار نیز در آن به سمت دورشدن از لبه فرار حرکت‌کرده است. از طرفی هندسه بهینه نخست منتج به افزایش 21/64 درصدی ضریب برآ شده و هندسه بهینه دوم نیز، افزایش 293 درصدی کارآیی آیرودینامیکی را نتیجه داده‌است. به‌طورکلی می‌توان بیان داشت که استفاده از گارنی‌فلپ شیاردار بهینه، سبب می‌شود که بتوان در فاز برخاست، برآی موردنیاز به‌منظور کاهش مسافت را تأمین کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Optimization of The Slotted Gurney-Flap Geometry Applied to NACA 0012 Airfoil for Aerodynamic Performance Improvement

نویسندگان [English]

  • Mostafa Kazemi 1
  • Ali Madadi 2
  • Mahmoud Mani 3
1 PhD Student, Aerospace Engineering Department, Amirkabir University of Technology
2 استادیار
3 Aerospace Engineering Department, Amirkabir University of Technology
چکیده [English]

The salient aim of this paper is the shape optimization of an airfoil equipped with Gurney-Flap for aerodynamic performance improvement. The optimization of the slotted Gurney-Flap for improving the aerodynamic efficiency and increasing the lift force of NACA 0012 is the novelty of this research. The Genetic Algorithm, Artificial Neural Network, and Computational Fluid Dynamics are employed for shape optimization. The optimization variables include the height and thickness of the Gurney-Flap; also, the thickness and position of the slot. All analyses have been conducted at Re=0.45×106 and AoA=8o to simulate the take-off phase. After validation, the optimization process was conducted with two different fitness functions of Cl and L/D. According to the results, the geometry representing an optimized lift coefficient compared to the geometry with optimized L/D has a considerably higher height. Furthermore, the thickness of the slot in the first geometry is lower than the second geometry. As a result, the first optimized geometry leads to a 21.64 percent lift coefficient increment; there is a 293 percent increment in aerodynamic efficiency due to the second optimized geometry. As a result, it can be indicated that the help of slotted optimized Gurney-Flap can provide the required lift force for a short take-off landing distance.

کلیدواژه‌ها [English]

  • NACA 0012
  • Gurney-Flap
  • genetic algorithm
  • artificial neural network
  • Computer fluid dynamics
[1] B. Norton, STOL Progenitors: The Technology Path to a Large STOL Aircraft and the C-17A, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2002.
[2] S.B. Anderson, Historical overview of V/STOL aircraft technology,  (1981).
[3] Y. Nozaki, STOL aircraft, in, Google Patents, 1992.
[4] V.J. Rossow, Lift enhancement by an externally trapped vortex, Journal of Aircraft, 15(9) (1978) 618-625.
[5] Y. Yadlin, A. Shmilovich, Lift Enhancement for Upper Surface Blowing Airplanes, in:  31st AIAA Applied Aerodynamics Conference, 2013, pp. 2796.
[6] R.E. Kosin, Laminar flow control by suction as applied to the x-21a airplane, Journal of Aircraft, 2(5) (1965) 384-390.
[7] M. Daude, Winglets for aircraft wing tips, in, Google Patents, 1984.
[8] J. Weierman, J. Jacob, Winglet design and optimization for UAVs, in:  28th AIAA Applied Aerodynamics Conference, 2010, pp. 4224.
[9] J. Wang, Y. Li, K.-S. Choi, Gurney flap—Lift enhancement, mechanisms and applications, Progress in Aerospace Sciences, 44(1) (2008) 22-47.
[10] R.H. Liebeck, Design of subsonic airfoils for high lift, Journal of aircraft, 15(9) (1978) 547-561.
[11] Y. Li, J. Wang, P. Zhang, Effects of Gurney flaps on a NACA0012 airfoil, Flow, Turbulence and Combustion, 68(1) (2002) 27.
[12] P. Giguere, G. Dumas, J. Lemay, Gurney flap scaling for optimum lift-to-drag ratio, AIAA journal, 35(12) (1997) 1888-1890.
[13] F. Ajalli, M. Mani, Effects of adding strip flap on a plunging airfoil, Aircraft Engineering and Aerospace Technology: An International Journal,  (2014).
[14] Y. Li, J. Wang, P. Zhang, Influences of mounting angles and locations on the effects of Gurney flaps, Journal of Aircraft, 40(3) (2003) 494-498.
[15] L.W. Traub, A.C. Miller, O. Rediniotis, Preliminary parametric study of Gurney flap dependencies, Journal of aircraft, 43(4) (2006) 1242-1244.
[16] D.H. Neuhart, O.C. Pendergraft Jr, A water tunnel study of Gurney flaps,  (1988).
[17] Y.-C. Li, J.-J. Wang, P.-F. Zhang, Experimental investigation of lift enhancement on a NACA 0012 airfoil using plate/serrated Gurney flaps, Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 24(2) (2003) 119-123.
[18] L.-S. Hao, Y.-W. Gao, Effect of Gurney Flap Geometry on a S809 Airfoil, International Journal of Aerospace Engineering, 2019 (2019).
[19] B. Gardner, M. Selig, Airfoil design using a genetic algorithm and an inverse method, in:  41st Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2003, pp. 43.
[20] B.R. Jones, W.A. Crossley, A.S. Lyrintzis, Aerodynamic and aeroacoustic optimization of rotorcraft airfoils via a parallel genetic algorithm, Journal of aircraft, 37(6) (2000) 1088-1096.
[21] K. Ekradi, A. Madadi, Performance improvement of a transonic centrifugal compressor impeller with splitter blade by three-dimensional optimization, Energy, 201 (2020) 117582.
[22] A.M. S. H. Sadatpour, Optimization of S-Shaped Inlet Diffuser for Improvement of Total Pressure Loss and Flow Uniformity, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, 52(11) (2019) 131-140.
[23] X. Chen, R. Agarwal, Optimization of flatback airfoils for wind-turbine blades using a genetic algorithm, Journal of aircraft, 49(2) (2012) 622-629.
[24] K. Yousefi, R. Saleh, P. Zahedi, Numerical study of blowing and suction slot geometry optimization on NACA 0012 airfoil, Journal of Mechanical Science and Technology, 28(4) (2014) 1297-1310.
[25] I. Aramendia, U. Fernandez-Gamiz, E. Zulueta, A. Saenz-Aguirre, D. Teso-Fz-Betoño, Parametric study of a gurney flap implementation in a du91w (2) 250 airfoil, Energies, 12(2) (2019) 294.
[26] A. Ghayour, M. Mani, Experimental investigation of plasma vortex generator in flow control, Aircraft Engineering and Aerospace Technology,  (2018).
[27] J.P. Johnson, G. Iaccarino, K.-H. Chen, B. Khalighi, Simulations of high reynolds number air flow over the NACA-0012 airfoil using the immersed boundary method, Journal of Fluids Engineering, 136(4) (2014).