[論文レビュー] Numerical Investigation of the Effect of Airfoil Thickness on Onset of Dynamic Stall

Anupam Sharma, Miguel R. Visbal|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2017

Fluid Dynamics and Turbulent Flows被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、Re = 200,000で壁に解像度のある大規模渦シミュレーション（LES）を用いて、翼型の厚さが動的スタールの発生に与える影響を調査している。その結果、薄い翼型では乱流境界層分離の前触れとして層流分離バブル（LSB）の破裂が発生するが、厚い翼型では乱流尾縁分離とLSBの相互作用が発生し、従来の先縁スタール対尾縁スタールの分類が曇るようになることが判明した。

ABSTRACT

Effect of airfoil thickness on onset of dynamic stall is investigated using large eddy simulations at chord-based Reynolds number of 200,000. Four symmetric NACA airfoils of thickness-to-chord ratios of 9%, 12%, 15%, and 18% are studied. The 3-D Navier Stokes solver, FDL3DI is used with a sixth-order compact finite difference scheme for spatial discretization, second-order implicit time integration, and discriminating filters to remove unresolved wavenumbers. A constant-rate pitch-up maneuver is studied with the pitching axis located at the airfoil quarter chord point. Simulations are performed in two steps. In the first step, the airfoil is kept static at a prescribed angle of attack ($=4^\\circ$). In the second step, a ramp function is used to smoothly increase the pitch rate from zero to the selected value and then the pitch rate is held constant until the angle of attack goes past the lift stall point. Comparisons against XFOIL for the static simulations show good agreement in predicting the transition location. FDL3DI predicts two-stage transition for thin airfoils (9% and 12%), which is not observed in the XFOIL results. The dynamic simulations show that the onset of dynamic stall is marked by the bursting of the laminar separation bubble (LSB) in all cases. However, for the thickest airfoil tested, the reverse flow region spreads over most of the airfoil and reaches the LSB location immediately before the LSB bursts and dynamic stall begins, suggesting that stall could be triggered by the separated turbulent boundary layer. The results suggest that the boundary between different classifications of dynamic stall, particularly leading edge stall versus trailing edge stall are blurred. The dynamic stall onset mechanism changes gradually from one to the other with a gradual change in some parameters, in this case, airfoil thickness.

研究の動機と目的

• 中程度のレイノルズ数における翼型厚さが動的スタール発生メカニズムに与える影響を調査すること。
• 動的スタールが主に層流分離バブル（LSB）の破裂によって引き起こされるのか、それとも乱流境界層分離と相互作用することによって引き起こされるのかを特定すること。
• 遷移、LSB形成、DSV生成といった非定常な流れの順序が翼型厚さにどのように変化するかを評価すること。
• 従来の動的スタール分類（例：先縁スタール対尾縁スタール）が、厚さのスケールにわたって有効かどうかを検証すること。

提案手法

• 6次精度コンパクト有限差分法を用いた空間離散化と2次精度時間積分を用いた大規模渦シミュレーション（LES）を実施。
• 対称NACA翼型（9%、12%、15%、18% 厚さ比）を用い、Re_c = 200,000でシミュレーションを実施。
• 1/4弦長にピッチ軸を置き、一定速度のピッチアップ運動をシミュレートするため、段階的関数を用いてピッチ速度を滑らかに増加させた。
• 高次ローパスフィルタを用いた空間フィルタリングにより、未解像な波数を除去し、サブグリッドスケール応力の暗黙的モデル化を実施。
• 静的シミュレーション（α = 4°）をXFOILとの比較により検証し、遷移および圧力係数（Cp）の予測精度を確認。
• スパン方向コherー二ョス解析により、10%弦長のスパン長さが、スパン方向非一様性を顕著に示さない範囲でスタール発生を捉えるのに十分であることが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 翼型厚さが動的スタール発生メカニズムに与える影響、特に層流分離バブル（LSB）の破裂と乱流境界層との相互作用の役割は何か。
• RQ2 壁に解像度のあるLESにおいて、遷移プロセス（特に2段階遷移）が翼型厚さにどのように変化するか。
• RQ3 動的スタール渦（DSV）の生成と伝播速度が翼型厚さに依存するか。
• RQ4 スタール発生直前の境界層における逆流の広がりが翼型厚さとどのように相関するか。
• RQ5 従来の動的スタール分類（例：先縁スタール対尾縁スタール）は、厚さの増加に伴い維持できるのか、それとも曇るのか。

主な発見

• NACA-0009およびNACA-0012では、FDL3DIはXFOILが捉えられない2段階遷移を予測しており、薄翼型の遷移物理学に高解像度シミュレーションが敏感であることを示している。
• 全翼型において、動的スタール発生直前に層流分離バブル（LSB）の破裂が発生しており、LSBが普遍的な予兆であることが確認された。
• NACA-0018では、乱流境界層分離領域が吸気面の50%以上に及び、スタール直前にLSB位置にまで達しており、相互作用によって引き起こされるスタール発生の可能性が示唆された。
• 最大吸気圧力係数（Cp）は翼型厚さに伴い増加し、最も厚い翼型（NACA-0018）で最大値に達した。
• 動的スタール渦（DSV）の伝播速度は、最も厚い翼型（NACA-0018）で最も高く、非定常渦度ダイナミクスが強まっていることを示している。
• 摩擦係数（Cf）はスタール直前に急激に上昇し、Cp_rmsとの空間相関関係から、Cp_rmsが遷移およびスタール発生を効果的に検出可能であることが確認された。