بررسي عددي اثرات تغيير فركانس و دامنه بر جريان حول يك باله نوسانگر به وسيله يك روش مرز غرق شده بهبود يافته

A Numerical Study on the Effects of Oscillation Frequency and Amplitude on Flow around a Flapping Airfoil via an Improved Immersed Boundary Method

در اين مقاله به بررسي عددي تغيير فركانس و دامنه نوسان بر جريان حول باله در حركت نوسان پيچشي پرداخته شده است. يك روش حل عددي براي بررسي اين جريان ارايه شده كه مي‌توان آن را شكل بهبود يافته خانواده اي از روش هاي مرز غرق شده موسوم به روش هاي نيرو مستقيم تلقي نمود. در اين روش پيشنهاد شده است كه از تقريب مرتبه اول زماني به جاي حل دستگاه معادلات، براي محاسبه نيرو در نقاط لاگرانژي استفاده شود. روش هاي مرز غرق شده به دليل استفاده از يك شبكه كارتزيني ثابت، در مسايل با مرز متحرك بسيار كارآمد مي-باشند. براي اعتبارسنجي روش پيشنهادي، از داده هاي معتبر مربوط به جريان حول استوانه هاي ثابت و نوساني استفاده شده است. در اين پژوهش علاوه بر كانتورهاي ورتسيته و نمودار هاي ضرايب برآ و پسا، نحوه توزيع انرژي جنبشي منتقله به ميدان جريان و تغييرات آن به واسطه تغيير دامنه و فركانس حركت باله نيز ارايه شده است. نتايج حاصل شده از اين تحقيق نشان مي دهد كه با افزايش دامنه نوسان به بالاتر از 77/1 در يك عدد استروهال ثابت،22 /0 الگوي ايجاد گردابه‌هاي دنباله باله به هم خورده و در دامنه نوسان،80/2 جريان عملا ماهيت آشوبناك به خود مي گيرد. علاوه بر اين در دامنه نوسان ثابت71/0 با افزايش عدد استروهال به بالاتر از،3/0 نظم ايجاد گردابه‌ها به هم خورده و درعدد استروهال 4/0 رفتار غير متقارن گردابه ها قابل مشاهده است. كانتورهاي انرژي جنبشي نشان مي دهند كه در عدد استروهال كوچك، 1/0، هرچند باله بر ميدان جريان كار انجام مي دهد ولي افزايش تلفات ناشي از بزرگ شدن ناحيه جدايش، باعث مي‌شود كه ممنتم و انرژي جنبشي در پشت باله كم شده و نيروي پسا افزايش يابد. از طرف ديگر، افزايش دامنه و فركانس نوسان، منجر به افزايش انرژي جنبشي و ممنتم در پشت باله و كاهش نيروي پسا مي‌شود.

In this paper an improved immersed boundary method is used for simulating sinusoidal pitching oscillations of a symmetric airfoil. Immersed boundary methods which employ fixed Cartesian grids are well suited for such moving boundary problems. Two test cases are used to validate the proposed method and the effects of oscillation frequency and amplitude on the flow field are investigated. Flow field vorticity and kinetic energy contours are reported in this paper. It is found that the deflected wake appears at a Strouhal number around 0.4 for a fixed pitching amplitude equal to 0.71. A chaotic flow can be observed at oscillation amplitude equal to 2.80, for St=0.22. Kinetic energy contours at St=0.1 show that the airfoil transfers momentum to the flow but the drag force also increases due to the energy loss associated with the enlargement of separation zone behind the airfoil. By increasing the oscillation frequency and amplitude, momentum transfer to the flow increases and the drag force is, therefore, reduced.