Experimental and computational study of three-dimensional separation and its control using passive vortex generators

Abstract

The present thesis deals with the issue of three-dimensional separation of the Stall Cell type on rectangular unswept wings and also the control of Stall Cells using passive vortex generators. The problem was approached experimentally and computationally. Flow visualization tests, pressure measurements and Stereo Particle Image Velocimetry (PIV) experiments were conducted at the small test section of the National Technical University of Athens wind tunnel. On the computational side, an in-house solver of the unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes equations was used.The dynamic nature of Stall Cells was confirmed by the tuft flow visualization experiments and it was found that the inherent instability can be suppressed by means of a large enough spanwise disturbance. Computational data revealed the complex vortical structure inside a Stall Cell which was confirmed by the experimental results. A Stall Cell consists of three different types of vortices which strongly interact with each other: a) The counter rotating Stall Cell vortices that start normal to the wing surface within the separation line and extend downstream; b) The Separation Line Vortex that runs along the wing span; c) The Trailing Edge Line Vortex that also runs parallel to the wing trailing edge, but has vorticity of opposite sign compared to the Separation Line Vortex. The study of the turbulence characteristics of the flow reveals a highly anisotropic flow. Finally, based on the combined results a SC generation mechanism is suggested.As far as separation control is concerned, it was found that Stall Cell formation can be suppressed by means of passive vortex generators in the form of triangular vanes. Depending on the vortex generators position and the wing angle of attack, flow instability or bifurcation can appear. It was also shown that results from a computational approach that cannot predict Stall Cell formation (e.g. very small aspect ratio simulations) should be treated with caution. The Stereo PIV study of the vortex generator induced flow revealed that turbulent interaction between the vortex generator vortices and the underlying flow is strong closer to the generators while further downstream diffusion becomes the main mechanism that governs the flow.The present investigation comes in support of previous studies that highlighted the need to be cautious when using wind tunnel data, especially in the post stall region. The widely used assumption of two-dimensional flow over a two-dimensional airfoil set up is not valid when Stall Cells form. For the correct interpretation of experimental data it is vital to know how the tests were carried and what state of the flow was actually measured. Furthermore, the three-dimensionality of the flow should be taken into account when it comes to separation control.

Η συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή ασχολείται με την τρισδιάστατη αποκόλληση σε αεροτομές και συγκεκριμένα με την αποκόλληση όπου εμφανίζονται κυψέλες ανακυκλοφορίας (Stall Cells). Μελετάται τόσο η φύση της αποκόλλησης όσο και η δυνατότητα ελέγχου αυτής με παθητικές γεννήτριες στροβιλότητας (passive Vortex Generators).Το πρόβλημα προσεγγίστηκε τόσο πειραματικά όσο και υπολογιστικά. Στην αεροσήραγγα του ΕΜΠ εκτελέστηκαν πειράματα οπτικοποίησης της ροής, μετρήσεις πιέσεων και μετρήσεις Stereo Particle Image Velocimetry (SPIV). Υπολογιστικά, χρησιμοποιήθηκε ο κώδικας MaPFlow, ένας επιλυτής των μη μόνιμων εξισώσεων Reynolds Averaged Navier-Stokes.Ο ασταθής χαρακτήρας των Stall Cells επιβεβαιώθηκε μέσω πειραμάτων με νημάτια (tufts) και βρέθηκε ότι η εγγενής αστάθεια των δομών αυτών μπορεί να κατασταλεί με χρήση αρκετά μεγάλων μόνιμων διαταραχών κατά το εκπέτασμα της πτέρυγας. Τα υπολογιστικά αποτελέσματα αποκάλυψαν μία σύνθετη δομή στροβίλων στο εσωτερικό των Stall Cells, μία δομή η οποία επιβεβαιώθηκε από τις πειραματικές μετρήσεις. Ένα Stall Cell αποτελείται από στροβίλους τριών διαφορετικών τύπων: Τους Stall Cell στροβίλους που αρχικά ξεκινούν κάθετα από την επιφάνεια της πτέρυγας στην περιοχή ανακυκλοφορίας και στη συνέχεια εκτείνονται στον ομόρρου, παράλληλα με την ελεύθερη ροή. Τον στρόβιλο της γραμμής αποκόλλησης που εκτείνεται παράλληλα με το εκπέτασμα της πτέρυγας. Τον στρόβιλο της ακμής εκφυγής που επίσης εκτείνεται παράλληλα με το εκπέτασμα της πτέρυγας, αλλά έχει περιστροφή από τον στρόβιλο της γραμμής αποκόλλησης.Η μελέτη των χαρακτηριστικών της τύρβης της ροής δείχνει πως η ροή στο εσωτερικό ενός Stall Cell είναι έντονα ανισότροπη. Το γεγονός πως τα υπολογιστικά αποτελέσματα προβλέπουν τη ροή ποιοτικά σωστά, παρ' όλο που αδυνατούν να προλέξουν ορθά τις λεπτομέρειες της τύρβης, αποδίδεται στο γεγονός ότι το ισότροπο μοντέλο τύρβης που χρησιμοποιήθηκε δίνει ποιοτικά σωστά τις διατμητικές τάσεις. Τέλος, ένας μηχανισμός δημιουργίας των Stall Cells προτείνεται βασισμένος στην συνολική έρευνα.Σχετικά με τον έλεγχο της τρισδιάστατης αποκόλλησης βρέθηκε ότι αύτη μπορεί να κατασταλεί με χρήση τριγωνικών passive Vortex Generators (VGs). Παρατηρήθηκε ακόμα ότι ανάλογα με τη γωνία πρόσπτωσης της πτέρυγας και με τη θέση των VGs είναι δυνατόν να εμφανιστούν φαινόμενα αστάθειας της ροής. Επίσης, αποδείχθηκε ότι υπολογισμοί σε πτέρυγες με πολύ χαμηλό λόγο επιμήκους αδυνατούν να προλέξουν την εμφάνιση των Stall Cells και δίνουν παραπλανητικά αποτελέσματα όσον αφορά την απόδοση των VGs. Οι μετρήσεις SPIV έδειξαν ότι κοντά στα VGs είναι έντονη η τυρβώδης αλληλεπίδραση μεταξύ των στροβίλων ενώ σε μεγαλύτερη απόσταση η διάχυση γίνεται ο κυρίαρχος μηχανισμός στη ροή.Συνολικά, η έρευνα αυτή έρχεται σε συνέχεια προηγούμενων που σημείωναν την ανάγκη προσεκτικής ανάγνωσης των πειραματικών δεδομένων, ειδικά στην περίπτωση της αποκολλημένης ροής. Η συνήθης υπόθεση της δισδιάστατης ροής γύρω από αεροτομή δεν ισχύει στην περίπτωση που δημιουργούνται Stall Cells. Επιπλέον, το τρισδιάστατο της αποκολλημένης ροής θα πρέπει να λαμβάνεται υπ' όψιν σε σχέση με τον έλεγχο της ροής.