موضوع: بهینه‌سازی الحاقی-مبنا بال‌های موج‌دار سه‌بعدی در شرایط طراحی و خارج طراحی
ارائه دهنده: عباس حاجی‌حیدری ورنوسفادرانی
استادان راهنما: دکتر مهدی نیلی احمدآبادی
استادان داور: دکتر احمدرضا پیشه‌ور، دکتر محمدرضا توکلی
چکیده:
بهینه‌سازی هندسی در حوزۀ آیرودینامیک با هدف ارتقاء عملکرد سیستم سیالاتی موردنظر و افزایش راندمان آن صورت میگیرد. انتخاب روش بهینه‌سازی مناسب برای مسئله موردنظر، از اهمیت زیادی برخوردار است و بر روی هزینه محاسبات و دقت جواب حاصل از بهینه‌سازی مؤثر است. در این پژوهش، از روش معادلات الحاقی که یک روش گرادیانی میباشد، استفاده شده است. روشهای گرادیانی از مشتق تابع هدف نسبت به متغیرهای طراحی برای بهینه‌سازی استفاده میکنند و قادرند بهینه محلی را با دقت مناسب به دست آورند. مزیت روش معادلات الحاقی در مقایسه با سایر روشهای گرادیانی، استقلال هزینه محاسبات نسبت به تعداد متغیرهای طراحی است و در نتیجه برای مسائل بهینه‌سازی هندسی که عموماً تعداد متغیرهای طراحی زیاد است، مناسب میباشد. در پژوهش حاضر، از ماژول الحاقی موجود در نرم افزار انسیس فلوئنت برای بهینه‌سازی آیرودینامیکی بال موج‌دار سه‌بعدی استفاده شد و برای پارامتری کردن هندسه، منحنی بی‌اسپلاین و چند جمله‌ای برنشتاین به کار رفت. حل عددی معادلات حاکم بر جریان توسط نرم افزار انسیس فلوئنت صورت گرفت. جریان به صورت لزج در نظر گرفته شد و از مدل آشفتگی 
استفاده شد. مفهوم ترکیب برجستگی‌های مواج در لبه جلویی بال، با الهام از برجستگی‌های لبه جلویی باله‌های سینه‌ای نهنگ گوژپشت، معروف به توبرکل، قبلاً مورد مطالعه قرار گرفته است. در این پژوهش، کانتور مواج بال از لبه جلویی بال شروع شده، در امتداد وتر امتداد یافته و به لبه انتهایی ختم میشود. سه بال موج‌دار مختلف با مقاطع ایرفویل متقارن و نامتقارن ایجاد شد و نمایۀ شکل موج‌دار در طول وتر بال از طریق فرآیند بهینه‌سازی بهینه شد تا تأثیر مفیدی بر میدان جریان سه‌بعدی در اطراف بال داشته باشد. دو تابع هدف افزایش نسبت لیفت به درگ و کاهش درگ با لیفت ثابت در نظر گرفته شد و تمام گره‌های روی سطح بال به عنوان پارامترهای متغیر طراحی برای بهینه‌سازی در نظر گرفته شدند. برای کاهش هزینه‌های محاسباتی، تنها یک طول موج از بال موج‌دار سه‌بعدی با استفاده از شرایط مرزی پریودیک شبیه‌سازی شد. در بخش اول، بهینه‌سازی بر روی دو بال موج‌دار با دامنه زاویه‌ای 2 درجه با مقاطع ایرفویل متقارن و نامتقارن انجام شد. فرآیند بهینه‌سازی در نقطه طراحی با تابع هدف نسبت لیفت به درگ باعث افزایش تابع هدف به ترتیب، به میزان 66 و 11 درصد گردید؛ که بهبود قابل توجهی در عملکرد بال‌های بهینه شده، هم در شرایط قبل و هم در شرایط پس از استال نشان داد. همچنین، زاویه استال بال با ایرفویل متقارن، 1 درجه به تعویق افتاد. در بخش دوم این پژوهش، بهینه‌سازی بر روی بال موج‌دار با دامنه زاویه‌ای 6/5 درجه، با مقطع ایرفویل نامتقارن انجام شد. فرآیند بهینه‌سازی در نقاط طراحی و خارج طراحی (شرایط استال) با استفاده از دو تابع هدف ذکر شده انجام شد. نتایج مربوط به نقطه طراحی نشان میدهد که توابع هدف اول و دوم به ترتیب، 21/1 و 12 درصد افزایش و کاهش یافته است. همچنین توابع هدف اول و دوم در نقطه خارج طراحی، به ترتیب، 15/38 و 26/5 درصد افزایش و کاهش یافته است. با مقایسه منحنی عملکرد هندسه‌های بهینه شده در این حالت، می‌توان نتیجه گرفت که برای بهینه‌سازی در نقاط طراحی و خارج طراحی، به ترتیب استفاده از توابع هدف اول و دوم مناسب‌تر میباشد. همچنین نتایج بهینه‌سازی هر سه بال حاکی از ایجاد برآمدگی‌های موضعی روی سطح مکشی است که باعث کنترل گرادیان فشار و جدایش جریان میشود. علاوه بر آن، فرورفتگی‌های موضعی بر روی سطح فشاری نزدیک لبه انتهایی ایجاد میشوند که باعث افزایش بارگذاری و لیفت بال میشود. مقایسه میدان جریان پشت بال اصلی و بهینه شده نشان میدهد درحالیکه اندازه و فاصله بین گردابه‌های ساعتگرد و پادساعتگرد موجود در ناحیه دنباله بال بهینه کاهش یافته است، همچنین قطر و سیرکولاسیون آن‌ها نیز کاهش یافته است. در نهایت، مقایسه نتایج بهینه‌سازی این سه بال نشان میدهد که بال نهایی بهینه شده با دامنه زاویه‌ای 2 درجه با مقطع ایرفویل نامتقارن نسبت به هندسه‌های بهینه‌ی دو بال دیگر، از راندمان آیرودینامیکی بالاتری برخوردار است.
کلمات کلیدی: بهینه‌سازی، روش الحاقی، آیرودینامیک، بال موج‌دار، دینامیک سیالات محاسباتی، نسبت لیفت به درگ، کاهش درگ با لیفت ثابت
