“Παραγωγή ενέργειας από ταλαντούμενη υδροτομή”

Abstract

Παρατηρώντας τα έμβια , ιπτάμενα και θαλάσσια , πλάσματα οι άνθρωποι υιοθέτησαν τον μηχανισμό των ταλαντούμενων πτερύγων, οι οποίες τα τελευταία χρόνια έχουν αποσπάσει μεγάλη προσοχή από την επιστημονική κοινότητα αφού έχουν ένα πολύ πλατύ εύρος εφαρμογών. Από την παραγωγή ενέργειας από αιολικές και θαλάσσιες-παλιρροιακές πηγές μέχρι την αξιοποίηση τους για προωθητικές εφαρμογές όπως πτήση μικρών εναέριων οχημάτων ( MAV's , micro aerial vehicles ) ,οι ταλαντούμενες πτέρυγες είναι ένα ανερχόμενο μέσο αξιοποίησης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και όχι μόνο. Λόγω της αστάθειας και πολυπλοκότητας του πεδίου ροής γύρω από τα σώματα αυτά, τα φυσικά φαινόμενα που τα συνοδεύουν δεν έχουν αναλυθεί και αποσαφηνιστεί πλήρως. Ο Theodorsen (1937) ασχολήθηκε από νωρίς με τη μελέτη της ροής γύρω από γωνιακά και γραμμικά ταλαντούμενη πτέρυγα αναπτύσσοντας τη θεωρία του που κάνει υπόθεση μη συνεκτικού ρευστού που ρέει γύρω από επίπεδη πλάκα .Παρά το γεγονός ότι αυτή η θεωρία κάνει κάποιες σωστές προσεγγίσεις ,αδυνατεί να δώσει σωστά αποτελέσματα σε καταστάσεις όπου το ιξώδες παίζει σημαντικό ρόλο όπως είναι η περίπτωση αποκόλλησης της ροής . Η παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζει στην υπολογιστική μελέτη μιας πτέρυγας που υπόκειται σε ημιτονοειδή-αρμονική γραμμική και γωνιακή ταλάντωση μέσα σε ρεύμα αέρα. Μελετήθηκαν τέσσερις περιπτώσεις : α) Ακίνητη πτέρυγα σε μη-μόνιμη ροή για ένα εύρος γωνιών από 0°μέχρι 18° (με βήμα 1°) β) Συμφωνία φάσης γωνιακής και γραμμικής ταλάντωσης γ) Διαφορά φάσης π/2 (με την γωνιακή να προηγείται) μεταξύ των δυο κινήσεων και τέλος δ) Αμιγώς γωνιακή ταλάντωση. Για την προσέγγιση του πειράματος υπολογιστικά χρησιμοποιήθηκε κώδικας υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD) FLUENT 15.0. Για την μοντελοποίηση της ροής και την εύρεση των απαραίτητων μεταβλητών χρησιμοποιήθηκε η υπόθεση στρωτής ροής (Laminar) και το μοντέλο τύρβης Realizable k-e .Μελετήθηκαν οι ασταθείς δυνάμεις που ασκούνται πάνω στη πτέρυγα κατά τη διάρκεια της ταλάντωσης της και το πεδίο ροής γύρω από αυτή. Η γεωμετρία του πειράματος μοντελοποιήθηκε σε δυο διαστάσεις για εξοικονόμηση υπολογιστικών πόρων. Παρά το γεγονός ότι τα τρισδιάστατα φαινόμενα είναι σημαντικά για την πρόβλεψη των αεροδυναμικών χαρακτηριστικών μιας ταλαντούμενης αεροτομής, τα δισδιάστατα πειράματα και υπολογισμοί όντως παρέχουν σημαντικές πληροφορίες για την κατανόηση των ασταθών φυσικών φαινομένων της ροής που σχετίζονται με τις ταλαντούμενες αεροτομές (Shyy et al.). Η διατομή της πτέρυγας είναι η ΝΑCA 64418 και λειτουργεί σε αριθμό Reynolds ίσο με 0,85x106 ενώ η ταχύτητα του ρεύματος αέρα μέσα στο οποίο λειτουργεί η πτέρυγα είναι 26,4 m/s . Προκειμένου να διαπιστωθεί η ευστάθεια των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης γίνεται σύγκριση με τα αποτελέσματα του ίδιου πειράματος που πραγματοποιήθηκε στην μεγάλη αεροδυναμική σήραγγα κλειστού κυκλώματος του ΤΜΜ του ΕΜΠ από τους Μαθιουλάκη, Γκιόλα και Γιασεμίδη [26] .

In this study we conduct computational simulations of a NACA64418 wing (c=0.5) immersed in an airflow stream at Re=0,85x106. We take a deeper insight at the physics of the flow around the wing by examining the vorticity and pressure field around it while comparing these with drag, lift and pressure coefficients. The modes of the wing motion that were put into perspective are the following: i) Stationary wing at different angles of attack, α=0-18°, ii) Heaving and Pitching oscillating wing with zero phase difference between the two movements iii) Heaving and Pitching with pi/2 phase difference iv) Pure pitching motion. The flow was modeled in two different ways by using the Realizable k-ε model and the Laminar condition. For the first two of the motion modes additional experiments were carried out in order to emphasize-clarify the importance of the temporal discretization scheme (first & second order) while alternating the time step size. As for the computational field it was divided in two separate regions: i) a rigid-sliding mesh which allows for the movement of the wing and captures the flow around it and a ii) deformable mesh which surrounds the sliding. Time step and grid independence tests were carried out in order to ensure the accuracy of the results. An explanation of the energy-producing capabilities is given for the oscillatory situations in comparison with the resulted coefficients and phase difference. Finally we discuss about the advantages and disadvantages between the turbulence model and the Laminar condition for the given flow. The CFD code used to simulate the experiment was Fluent 15.0 and the results from this thesis were compared with the equivalent-real experiment: An experimental flow study over a periodically moving wing by Giolas, Giasemidis, Mathioulakis [26].