[논문 리뷰] Investigation of passive flow control over an airfoil using leading edge tubercles

Alok Mishra, Ashoke De|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 16.

Fluid Dynamics and Turbulent Flows참고 문헌 72인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 전이 레이놀즈 수(Re = 120,000)에서 NACA0021 날개에 대한 수류 제어를 위해 앞면에 고리형 돌기(튜버클)를 적용한 수류 제어 기법을 kT-kL-ω 기반 지연 분리 난류 해석(DDES)을 통해 분석한다. 튜버클은 난류 난류 분리 시기를 연기하고 급격한 스탈을 억제하며, 점진적인 스탈 거동을 유도하고 난류 구조를 안정화시켜 후기 스탈 영역에서의 항공역학적 성능을 향상시킨다. 최적화된 튜버클 기하 구조는 양력과 항력 특성을 향상시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 앞면에 튜버클을 적용한 수류 제어 장치가 NACA0021 날개의 항공역학적 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 전이 레이놀즈 수 조건(Re = 120,000) 하에서 전기 스탈 및 후기 스탈 영역의 유동 거동을 조사하기 위해.
• 특히 진폭과 파장 조합을 포함한 튜버클 기하 구조의 효과를 평가하여 유동 분리 지연 및 스탈 특성 향상 여부를 분석하기 위해.
• 3차원 적절한 직교 분해(POD)를 활용하여 불안정한 난류 구조를 특성화하여 소용돌이 역학에 대한 이해를 심화하기 위해.
• 더 높은 양력, 항력 및 압력 분포 성능을 확보하기 위한 튜버클 구성 최적화를 위해.

제안 방법

• Re = 120,000 조건에서 비정상적 난류 유동을 해석하기 위해 kT-kL-ω 기반 지연 분리 난류 해석(DDES) 모델을 사용한 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
• 전기 스탈 및 후기 스탈 영역에서 튜버클가공되지 않은 NACA0021 날개와 튜버클가공된 날개의 유동장 비교 분석을 수행하였다.
• 주요 소용돌이 구조와 유동 역학을 추출하기 위해 3차원 적절한 직교 분해(POD)를 활용한 저차원 모델링을 적용하였다.
• 기하적 영향을 평가하기 위해 튜버클의 진폭과 파장을 체계적으로 변화시켜 분석하였다.
• 성능 향상을 정량화하기 위해 평균 유동 특성 분석을 수행하였으며, 이는 압력, 양력, 항력 및 난류 마찰 계수를 포함한다.
• 튜버클과 주 유동 간의 스트립 방향 유동 상호작용을 분석하여 소용돌이 생성 및 분리 지연 메커니즘을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Re = 120,000 조건에서 앞면에 튜버클이 가공된 NACA0021 날개에서 유동 분리의 시작 및 진행에 튜버클이 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 튜버클 기하 구조(진폭 및 파장)가 날개의 스탈 거동 및 항공역학적 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 튜버클에 의해 생성된 스트립 방향 소용돌이가 후기 스탈 영역의 비정상적 유동 구조에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 튜버클 구성이 기존 날개에 비해 난류 분리를 얼마나 지연시키는가?
• RQ5 3차원 적절한 직교 분해(POD)는 튜버클에 의해 유도된 주요 유동 구조를 얼마나 효과적으로 파악하고 특성화하는가?

주요 결과

• 튜버클가공된 날개는 기존 날개에서 관찰된 급격하고 급격한 스탈과는 달리 점진적인 스탈 거동를 보였다.
• 튜버클가공된 날개에서는 난류 분리 시기가 뚜렷이 지연되어 후기 스탈 영역에서의 성능 향상이 이루어졌다.
• 스트립 방향 유동 상호작용과 안정화된 소용돌이 구조 덕분에 양력 및 항력 계수 향상이 관찰되었다.
• 최적의 튜버클 기하 구조—특히 진폭과 파장의 조합—는 개선된 압력 분포와 낮아진 난류 마찰 항력 저감 효과를 보였다.
• 3차원 적절한 직교 분해(POD)는 주요 소용돌이 구조를 성공적으로 식별하였으며, 이들이 유동 제어 및 분리 지연에 기여하는 바를 확인하였다.
• kT-kL-ω 기반 DDES 모델은 비정상적 전이 유동 특성을 정확히 포착하여, 수류 제어 장치 분석에 있어 이 모델의 타당성을 입증하였다.