جلسه دفاع پایان¬نامه کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک- گرایش تبدیل انرژی

موضوع:  بهینه‌سازی ترکیبی ایرفویل در رینولدز فوق پایین برمبنای طراحی معکوس، مدل جایگزین و الگوریتم ژنتیک در زاویه حمله بهینه به‌همراه ابداع ایرفویل حفره‌دار هندسه متغیر در زوایای حمله بالا

استاد راهنما:  دکتر مهدی نیلی احمدآبادی

استادان داور:  دکتر محسن ثقفیان -  دکتر علی انصاری

چکیده

این پژوهش به بهینه‌سازی هندسه و بهبود عملکرد ایرفویل‌ها در رژیم جریان با عدد رینولدز فوق پایین (1000) می‌پردازد، و به دو بخش کلی: 1- بهینه‌سازی هندسه ایرفویل در یک زاویه حملۀ خاص (زاویه حملۀ 7 درجه) و 2- بهبود عملکرد ایرفویل در زوایای حملۀ 12 تا 26 درجه به منظور بهبود مانورپذیری ایرفویل، تقسیم می‌شود. در بخش اول، به منظور بهینه‌سازی هندسه در زاویه حملۀ 7 درجه، از طراحی معکوس به‌وسیلۀ الگوریتم پوسته الاستیک برمبنای تنش برشی برای ایجاد مجموعۀ داده اولیه و سپس الگوریتم ژنتیک برای انجام فرآیند بهنیه‌سازی استفاده شد. در بخش دوم، اصلاحات هندسیِ خط جریانی در زوایای حملۀ 12 تا 26 درجه، به منظور کنترل جریانِ ناپایدار و جداشده از روی ایرفویل، انجام شد. 

در بخش اول پژوهش، نخست با استفاده از الگوریتم طراحی معکوسِ پوسته الاستیک بر مبنای تنش برشی و ارتقای آن (آزادی جابجایی عمودی گره‌های ابتدایی و انتهایی تیر) برای ایجاد هندسه‌های متفاوت و دلخواه، یک مجموعه دادۀ گسترده از هندسه‌های مختلف به همراه ضرایب آیرودینامیکی متناظر آن‌ها تولید گردید. استفاده از تنش برشی در طراحی معکوس برای این رژیم جریان، به دلیل ‌اینرسی کم و حساسیت پایین پارامتر فشار دراین رژیم جریان بود. پس از تولید مجموعۀ داده، یک مدل جایگزین (مدل رگرسیون تعاملی) جهت نگاشت مستقیم هندسه به ضرایب آیرودینامیکی بر روی این مجموعه داده، آموزش داده شد. پیش‌بینی‌ ضرایب آیرودینامیکی از مشخصه‌های هندسی از مزیتِ حساسیت بالا به تغییرات هندسی و درک تاثیرات آن به صورت مستقیم در مقادیر آیرودینامیکی برخوردار بوده و قادر به تحلیل و تفکیک هندسه‌های انبوه و متنوع می‌باشد. از این رو، نگاشت مستقیم هندسه به ضرایب آیرودینامیکی گزینۀ مطلوبی برای بهینه‌سازی و کاوش در رژیم‌ جریان‌های ناشناخته است. در مرحلۀ بعد، ترکیب این جمعیت داده و مدل جایگزین در الگوریتم بهینه‌سازیِ ژنتیک، با دو تابعِ هدفِ افزایش نسبت ضریب لیفت به درگ و کاهش ضریب درگ با لیفت ثابت، به منظور دست‌یابی به ایرفویل‌هایی با ضرایب آیرودینامیکی بهتر و همچنین اعمال قید ضخامت برای جلوگیری از نازک شدن بی‌اندازۀ هندسه، مورد استفاده قرار گرفت. به‌طور خلاصه، نتایج این بخش با تابع هدف افزایش نسبت ضریب لیفت به درگ و تابع هدف کاهش ضریب درگ با لیفت ثابت به ترتیب شامل، افزایش 24.83 درصدی و کاهش 6.27 درصدی، می‌باشد. 

در بخش دوم، عملکرد آیرودینامیکی سه ایرفویل (ناکا4404 و دو هندسۀ بهینه‌شده از بخش اول با دو تابع هدف یادشده)‌ در زوایای حملۀ 12 تا 26 درجه، با ایجاد اصلاحات هندسیِ خط جریانی روی سطح مکشی، بهبود یافت. در این اصلاح هندسی، هدف محبوس کردن گردابه‌های ناشی از جدایش جریان در حفره‌ای در پشت ایرفویل و جلوگیری از وقوع جدایش جریان پیش از حفرۀ یادشده می‌باشد. این اصلاح هندسی با کنترل نوسانات ناپایدارِ ناشی از جدایش جریان و بهره‌گیری از گردابه‌های آن در جهت بهبود ضرایب آیرودینامیکی، موجب افزایش ضریب لیفت و کاهش ضریب درگ شد. برای تحقق این امر و دست‌یابی به بهترین مقادیر آیرودینامیکی، در هر زاویۀ حمله اندازۀ حفره و به دنبال آن هندسۀ سطح مکشی به صورت پیوسته تغییر کرد. به همین دلیل، در این پژوهش به این نوع ایرفویلِ اصلاح‌شده، نام ایرفویلِ حفره‌دارِ هندسه متغیر اطلاق می‌شود. میزان بهبود عملکرد آیرودینامیکی (نسبت ضریب لیفت به درگ) به صورت میانگین در تمام زوایای حملۀ 12 تا 26 درجه نسبت به هندسۀ اصلاح نشده تقریبا 40% می‌باشد.