نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

بررسی عددی تاثیرات لبه حمله سینوسی بر عملکرد آیرودینامیکی یک بال در جریان غیرقابل تراکم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
زهرا َشریعتی کوهبنانی 1
محمد طیبی رهنی 2
محمود مانی 3
1 دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر و پژوهشگاه هوافضا (وزارت عتف،) تهران، ایران
2 دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران
3 دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
10.22060/mej.2026.25585.7954
چکیده
در پژوهش حاضر، عملکرد آیرودینامیکی یک بال با لبه‌حمله‌ سینوسی در جریان غیرقابل‌تراکم به صورت عددی بررسی شده است. هدف اصلی مطالعه تحلیل اثر موج سینوسی بر رفتار جریان و ضرائب آیرودینامیکی در مقایسه با بال ساده (پایه) است. شبیه‌سازی‌ها با استفاده از نرم‌افزار تجاری فلوئنت مبتنی بر مدل حجم محدود و مدل آشفتگی SST k-ω انجام شده است. برای ارزیابی اثرات هندسی، شش پیکربندی مختلف دامنه و طول‌موج‌های گوناگون طراحی و تحلیل شدند. نتایج اولیه نشان داد یکی از این پیکربندی‌ها (دارای بزرگ‌ترین دامنه) عملکرد آیرودینامیکی بهتری، به ویژه پس از واماندگی، دارد. بنابراین، این مدل به طور تفصیلی‌تر با مدل بال پایه مقایسه شد. یافته‌ها نشان می‌دهد که لبه‌حمله موج‌دار موجب تاخیر در جدایش جریان، بهبود پایداری ساختارهای گردابه‌ای سطح بال و انتقال ناحیه واماندگی به زوایای حمله بالاتر می‌شود. از طرف دیگر، ضریب برآی بیشینه حدود ۱۰ درصد نسبت به بال پایه افزایش می‌یابد. علاوه بر این، نتایج نشان می‌دهد که استفاده از لبه موج‌دار می‌تواند موجب کاهش جزئی ضریب پسا و بهبود نسبت برآ به پسا در محدوده‌ای از زوایای حمله شود. تحلیل خطوط همتراز سرعت و توزیع فشار نیز تشکیل جریان‌های عرضی منظم و توزیع یکنواخت‌تر آشفتگی در راستای دهانه بال را تایید می‌کند. نتایج نشان می‌دهد که در مجموع به‌کارگیری موج سینوسی روی لبه‌حمله، می‌تواند بهبود قابل توجهی در عملکرد آیرودینامیکی بال در رژیم‌های جریان با عدد رینولدز پایین ایجاد کند.
کلیدواژه‌ها
لبه‌حمله سینوسی
کنترل جدایش جریان
ایرفویل NACA 0012
جریان غیرقابل تراکم
شبیه‌سازی عددی
موضوعات

عنوان مقاله English

Computational Investigation of the Effects of Sinusoidal Leading Edge on the Aerodynamic Performance of a Wing in Incompressible Flow

نویسندگان English

Zahra Shariati 1
Mohammad Taeibi Rahni 2
Mahmoud Mani 3
1 Faculty of Aerospace Engineering, Amir Kabir University of Technology and Aerospace Research Institute Ministry of High Ed. Tehran, Iran
2 Faculty of Aerospace Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
3 Faculty of Aerospace Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

In this study, the aerodynamic performance of a wing with a sinusoidal leading edge at relatively low Reynolds numbers was numerically investigated. The main objective was to evaluate the influence of leading-edge Protuberances on flow behavior and aerodynamic characteristics. Simulations were performed using software based on the finite volume method and shear stress transport turbulence model. Six different configurations with varying amplitudes and wavelengths of the sinusoidal leading-edge wing were designed and analyzed. Among them, the configuration with the largest amplitude demonstrated superior aerodynamic performance, particularly near and beyond stall condition, and was therefore selected for detailed comparison with the base model. The results show that the sinusoidal leading edge delayed flow separation, improved the stability of vortical flow structures, and shifted stall to higher angles of attack. In addition, the maximum lift coefficient was increased by approximately 10%, compared to the base wing. The findings also indicate a slight reduction in drag coefficient and an improvement in lift-to-drag ratio within specific operating conditions. Analyses of pressure distribution and velocity contours confirmed the formation of organized spanwise flow structures and a more uniform turbulence distribution over the wing surface. Overall, the results suggest that sinusoidal leading-edge geometries can effectively improve aerodynamic performance and flow stability at relatively low Reynolds numbers.

کلیدواژه‌ها English

Sinusoidal Leading Edge
Flow Separation Control
NACA 0012 Airfoil
Incompressible Flow
Numerical Simulation
[1] F. Fish, G.V. Lauder, Passive and active flow control by swimming fishes and mammals, Annu. Rev. Fluid Mech., 38(1) (2006) 193-224.
[2] D.S. Miklosovic, M.M. Murray, L.E. Howle, F. Fish, Leading-edge tubercles delay stall on humpback whale (Megaptera novaeangliae) flippers, Physics of fluids, 16(5) (2004) L39-L42.
[3] P.W. Weber, L.E. Howle, M.M. Murray, D.S. Miklosovic, Computational evaluation of the performance of lifting surfaces with leading-edge protuberances, Journal of Aircraft, 48(2) (2011) 591-600.
[4] A. Dropkin, D. Custodio, C. Henoch, H. Johari, Computation of flow field around an airfoil with leading-edge protuberances, Journal of Aircraft, 49(5) (2012) 1345-1355.
[5] J. Favier, A. Pinelli, U. Piomelli, Control of the separated flow around an airfoil using a wavy leading edge inspired by humpback whale flippers, Comptes Rendus Mecanique, 340(1-2) (2012) 107-114.
[6] N. Rostamzadeh, R.M. Kelso, B. Dally, A numerical investigation into the effects of Reynolds number on the flow mechanism induced by a tubercled leading edge, Theoretical and Computational Fluid Dynamics, 31(1) (2017) 1-32.
[7] D. Serson, J.R. Meneghini, S.J. Sherwin, Direct numerical simulations of the flow around wings with spanwise waviness, Journal of Fluid Mechanics, 826 (2017) 714-731.
[8] M. Zhao, M. Zhang, J. Xu, Numerical simulation of flow characteristics behind the aerodynamic performances on an airfoil with leading edge protuberances, Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 11(1) (2017) 193-209.
[9] I. Rohmawati, H. Arai, H. Mutsuda, T. Nakashima, Y. Doi, Effect of Wavy Leading Edge with Various Aspect Ratios on a Rectangular Wing, in:  IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, IOP Publishing, 2020, pp. 012060.
[10] J. Joseph, A. Sathyabhama, Numerical study on the effect of leading edge tubercle on symmetrical airfoil at low Reynolds number, Int. J. Eng. Sci., 3 (2020) 65-71.
[11] M.M. Tajamal, Three-dimensional analysis of tubercle leading edge airfoil with varying amplitude of tubercles, International Journal of Electrical Engineering & Emerging Technology, 5(1) (2022) 42-44.
[12] G. Balaji, S. Gupta, G.K. Manikpuri, S. Sureshkumar, S. Sathish, V. Madhanraj, Numerical investigation of aerodynamic performance of leading edge tubercle airfoil at low Reynolds number, Materials Today: Proceedings, 68 (2022) 1455-1465.
[13] M. Fan, X. Dong, Z. Li, Z. Sun, L. Feng, Numerical and experimental study on flow separation control of airfoils with various leading-edge tubercles, Ocean Engineering, 252 (2022) 111046.
[14] M. Zhao, T. Wei, Y. Zhao, Z. Liu, Influences of leading-edge tubercle amplitude on airfoil flow field, Journal of Thermal Science, 32(4) (2023) 1335-1344.
[15] A. Nikkhoo, A. Esmaeili, Numerical study of geometrical properties of full-span tubercle leading edge wing at post-stall condition, Journal of Applied Fluid Mechanics, 16(9) (2023) 1752-1766.
[16] C. Jayapal Reddy, A. Sathyabhama, Comparative study on the effect of leading edge protuberance of different shapes on the aerodynamic performance of two distinct airfoils, Journal of Applied Fluid Mechanics, 16(1) (2022) 157-177.
[17] V. Gopinathan, J.B. Ralphin Rose, Aerodynamic performance characterization of bio-inspired wings with leading edge tubercles at low Reynolds number, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, 237(3) (2023) 561-586.
[18] M. Fan, Z. Sun, R. Yu, Z. Li, Investigation of dynamic characteristics of hydrofoil with leading-edge tubercles, in:  Journal of Physics: Conference Series, IOP Publishing, 2024, pp. 012025.
[19] M.A. Mohammed, M.A. Husain, Numerical simulation of aerodynamic performance of the wing with edge of attack and sinusoidal escape, Journal of Thermal Engineering, 10(3) (2024) 697-709.
[20] H. Kargar, Jwarashkian, Gholami, Aerodynamic study of lambda wing UAV with sinusoidal leading edge in stall range, Aerospace Science and Technology, 14(1) (2025) 23-40, (in Persian).
[21] X. Shen, E. Avital, M.A. Rezaienia, G. Paul, T. Korakianitis, Computational methods for investigation of surface curvature effects on airfoil boundary layer behavior, Journal of Algorithms & Computational Technology, 11(1) (2017) 68-82.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 57، شماره 11
بهمن 1404
صفحه 1509-1534