Razvoj familije hibridnih delfin aeroprofila

Abstract

У науци данас постоји све већи број покушаја бионичког карактера да се креирају системи који опонашају природне механизме и концепте. Њихово увођење у инжењерску праксу даје најчешће добре резултате и омогућава човеку да боље разуме начине који су природни, хармонични и опстају хиљадама година. Облик тела делфина је веома интересантан за проучавање у разним инжењерским гранама у данашњици. Међутим, и међу претечама авијације је још почетком 19. века облик тела делфина представљао инспирацију за могући будући облик трупа летелице. Савремена истраживања су свој фокус ставила на проучавање механизма пливања делфина, затим структуру његове коже, јер омогућава одржавање ламинарног граничног слоја готово целом дужином тела током кретања кроз воду. Квржице на кожи делфина су веома занимљиве из угла ваздухопловства, јер престављају начин којим се врши индиректна или пасивна контрола граничног слоја. Постоје и многе друге особености које инжењери нису успели да имплементирају у један јединствен систем одједном, али истраживања на ову тему охрабрују за будућност. У дисертацији је представљена нова фамилија хибридних Делфин аеропрофила. Изворна идеја за развој ове фамилије аеропрофила је проистекла из математичког модела румунског математичара и научника Јосифа Тапосуа. Тапосу је представио модел којим се може конструисати аеропрофил веома специфичног облика, са оштром нападном ивицом, који подсећа на тело делфина у подужном пресеку. Творац овог модела аеропрофила га је назвао новим концептом у аеродинамици. Како би се испитала својства ових аеропрофила за потребе дисертације, конструисани су ″математички Делфин аеропрофили″ или ″оригинални Делфин аеропрофили″, као и њихови геометријски пандани из фамилије стандардних аеропрофила NACA. Под геометријским панданом се подразумева аеропрофил са истом максималном релативном дебљином, кривином и њиховим положајем. За поређење профила коришћена је CFD анализа базирана на примени RANS система једначина са k – ω SST турбулентним моделом за режиме струјања при Маховим бројевима мањим од М=0.3 Прорачуни су вршени при Рејнолдсовом броју MRe=6.0, за случај стандардне храпавости, који подразумева форсирани рани преображај ламинарног у турбулентни гранични слој. Коришћена је структурирана C – мрежа за прорачуне, а а резултати добијени за сваки NACA аеропрофил су верификовани понаособ поређењем са експерименталним подацима из NACA Rep. 824 и из издања Theory of Wing Sections, Abbott et. al. [1, 2]. За модификацију домена нападне ивице оригиналних Делфин аеропрофила у циљу побољшања њихових аеродинамичких карактеристика, у овој дисертацији су уведене и приказане две иновативне методе: ″метод природне оптимизације″ назван семиелиптични метод, и ″NA - DEL″ геометријски метод оптимизације. Модификацијама уз помоћ ове две методе је креирано седам хибридних Делфин аеропрофила, који су задржали око 70% задњег домена оригиналних Делфин аеропрофила. Свих седам хибридних аеропрофила су показали боље аеродинамичке карактеристике како у односу на оригиналне Делфин пандане тако и у односу на NACA геометријске пандане. Приказане су упоредне табеле, дијаграми аеродинамичпких коефицијанта и финесе при чему су сва побољшања приказана и процентуално. II Након успешене прорачунске верификације, и експериментално су потврђене боље аеродинамичке особине нове фамилије хибридних Делфин аеророфила на примеру аеропрофила NA - DEL 2415. У универзитетском аеротунелу ″Мирослав Ненадовић″ Машинског факултета Универзитета у Београду под истим условима опструјавања испитани су NACA 2415, оригинални аеропрофил Делфин 2415 и овде приказани нови NA - DEL 2415. Резултати су недвосмислено показали да хибридни профил NA - DEL 2415 поседује боље аеродинамичке карактеристике у односу на друга два испитана аеропрофила. Тиме је потврђена хипотеза и отворен пут да новодобијена фамилија хибридних Делфин аеропрофила нађе примену како на летелицама категорије опште авијације, тако и на беспилотним летелицама.

In science nowadays, there is an increasing number of bionic attempts to create systems that mimic natural mechanisms and concepts. Their introduction into engineering practice usually gives good results and allows man to better understand ways that are natural, harmonious, and persist for thousands of years. The shape of the dolphin's body is very interesting to study in various engineering branches nowadays. However, among the forerunners of aviation, even at the beginning of the 19th century, the shape of the dolphin's body was an inspiration for the possible future shape of a fuselage of aircraft. Modern research has focused on the study of the dolphin's swimming mechanisms, the structure of its skin because it enables the maintenance of a laminar boundary layer along almost the entire length of the body during movement through water. The nodules on the dolphin's skin are very interesting from an aeronautical point of view, because they represent a way of indirect or passive control of the boundary layer. There are many other features that engineers have not been able to implement into a single system at once, but research on this topic is encouraging for the future. This dissertation presents a novel family of hybrid Dolphin airfoils. The original idea for the development of this airfoil family arose from the mathematical model of the Romanian mathematician and scientist Iosif Taposu. Taposu presented a model that can be used to design an airfoil with a very specific shape, with a sharp leading edge, which resembles the body of a dolphin in the longitudinal section. The creator of this airfoil model called it a new concept in aerodynamics. To examine the properties of these airfoils for the dissertation, the ″mathematical Dolphin airfoils″ or ″original Dolphin airfoils″, as well as their geometric counterparts from the family of standard NACA airfoils, were designed. A geometric counterpart is an airfoil with the same maximum thickness ratio, camber, and its position. CFD analysis based on the application of the RANS system of equations with the k - ω SST turbulent model for flow regimes at Mach numbers lower than M=0.3 was used to compare these airfoils. The calculations were performed at the Reynolds number MRe=6.0, for the case of standard roughness, which implies a forced early transition from laminar to turbulent boundary layer. A structured C - grid was used for calculations, and the results obtained for each NACA airfoil were verified individually by comparison with experimental data from NACA Rep. 824 and Theory of Wing Sections, Abbott et. al. [1, 2]. To modify the domain of the leading edge of the original Dolphin airfoils to improve their aerodynamic characteristics, two innovative methods were introduced and presented in this dissertation: the ″natural optimization method″ called the semielliptic method, and the ″NA - DEL″ geometric optimization method. Modifications with these two methods resulted in the creation of seven hybrid Dolphin airfoils, which retained about 70% of the rear domain of the original Dolphin airfoils. All seven hybrid airfoils have proved better aerodynamic characteristics both in relation to the original Dolphin counterparts and in relation to the NACA geometric counterparts. Comparison Tables, diagrams of aerodynamic coefficients and lift – to - drag ratios are given, with all improvements shown in percentages. After a successful numerical verification, better aerodynamic properties of the new family of hybrid Dolphin airfoils were confirmed experimentally on the example of the airfoil NA - DEL 2415. In the University wind tunnel ″Miroslav Nenadović″ of the Faculty of Mechanical Engineering of the University of Belgrade under the same flow conditions, NACA 2415, the original Dolphin airfoil 2415, and the new NA - DEL 2415 were tested. The results clearly proved that the NA - DEL 2415 hybrid airfoil has better aerodynamic characteristics compared to the other two tested airfoils. This confirmed the hypothesis and opened the way for the newly acquired family of hybrid Dolphin airfoils to be used both on general aviation aircraft and unmanned aerial vehicles.