[論文レビュー] Investigation of passive flow control over an airfoil using leading edge tubercles

Alok Mishra, Ashoke De|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2021

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 72被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、遷移乱流数（Re = 120,000）におけるNACA0021翼型の被動的流れ制御を、kT-kL-ωに基づく遅れ付き分離済み乱流乱流法（DDES）を用いて検討した。トーブルクリスは乱流分離を遅らせ、急激なスタールを抑制し、段階的なスタール行動を促進し、渦構造を安定化させることで、スタール後の空力的性能を向上させる。最適化されたトーブルクリスの幾何形状は、揚力および抗力特性を向上させる。

ABSTRACT

The present paper numerically investigates flow control over NACA0021 (National Advisory Committee for Aeronautics) airfoil by applying a leading-edge tubercle as a passive flow control device at transitional Reynolds number (Re) regime. The study includes simulations over the unmodified airfoil and modified airfoil operating at Re=120000 using kT-kL-ω based Delayed Detached Eddy Simulation (DDES) model. The calculations include both the pre-stall and post-stall regions, while the performance of the mean flow aerodynamic properties like pressure, lift, skin-friction, and drag coefficients are also investigated in the presence of tubercles. The spanwise flow over the modified airfoil interacts with the primary flow. The turbulent separation gets delayed compared to the unmodified airfoil, thereby significantly improving the stall behavior and flow behavior in the post-stall region. The modified airfoil provides the gradual stall behavior against the steep stall behavior for the unmodified airfoil. To optimize tubercle configuration, the study considers two modified airfoils with different combinations of amplitude and wavelength. The unsteady analysis, including the reduced-order modeling, i.e. 3D Proper orthogonal decomposition (POD), characterizes the dominant vortical structure of the flow to evaluate the improvement in the aerodynamic performance of the modified airfoil. The model decomposition for flow over airfoil helps to provide a deeper understanding of the flow control phenomenon.

研究の動機と目的

• NACA0021翼型の空力的性能に及ぼす先端部トーブルクリスの被動的流れ制御装置としての影響を分析すること。
• 遷移乱流数条件下（Re = 120,000）における前スタールおよび後スタール領域の流れ行動を調査すること。
• 特に振幅および波長の組み合わせを含むトーブルクリスの幾何形状が、流れ分離の遅れおよびスタール特性の改善に与える影響を評価すること。
• 3次元固有直交分解（POD）を用いて非定常な流れ構造を特徴づけ、渦動力学の理解を深めること。
• 揚力、抗力、圧力分布性能の向上を図るためのトーブルクリス構成の最適化を行うこと。

提案手法

• Re = 120,000における非定常乱流の解明を目的とした、kT-kL-ωに基づく遅れ付き分離済み乱流乱流法（DDES）モデルを用いた数値シミュレーション。
• 前スタールおよび後スタール領域における、変更なしのNACA0021翼型とトーブルクリス付翼型の流れ場を比較した。
• 主要な渦構造および流れのダイナミクスを抽出するための低次元モデリングとして、3次元固有直交分解（POD）を適用した。
• 幾何的影響を評価するため、トーブルクリスの振幅および波長を体系的に変化させた。
• 性能向上の定量的評価のため、圧力、揚力、抗力、および摩擦抵抗係数を含む平均流れ特性を分析した。
• トーブルクリスと主な流れのスパン方向の流れの相互作用を評価し、渦の生成および分離遅延のメカニズムを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 先端部トーブルクリスは、Re = 120,000におけるNACA0021翼型の流れ分離の発生および進行にどのように影響を与えるか？
• RQ2 トーブルクリスの幾何形状（振幅および波長）は、翼型のスタール行動および空力的性能にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 トーブルクリスが生成するスパン方向の渦は、後スタール領域における非定常な流れ構造をどのように変化させるか？
• RQ4 トーブルクリス構成は、変更なしの翼型と比較して、乱流分離をどの程度遅らせるか？
• RQ5 3次元固有直交分解（POD）は、トーブルクリスによって誘発される主要な流れ構造をどの程度的確に捉え、特徴づけられるか？

主な発見

• トーブルクリス付翼型は、変更なしの翼型が示す急激で急峻なスタールとは対照的に、段階的なスタール行動を示した。
• トーブルクリス付翼型では、乱流分離が顕著に遅れ、スタール後の性能が向上した。
• スパン方向の流れの相互作用および安定化された渦構造のおかげで、揚力および抗力係数が向上した。
• 最適なトーブルクリスの幾何形状（特に振幅と波長の組み合わせ）は、圧力分布の改善および摩擦抵抗の低減に寄与した。
• 3次元固有直交分解（POD）は、主要な渦構造を的確に同定し、それらが流れ制御および分離遅延に果たす役割を裏付けた。
• kT-kL-ωに基づくDDESモデルは、非定常な遷移乱流の特徴を的確に捉えており、被動的流れ制御装置の分析に有効であることが検証された。