Generowanie drobnych wirów na powierzchniach dużych płatów

Korygowanie przepływu powietrza po łopatach helikoptera może zmniejszać opór powietrza, a tym samym również zużycie paliwa i emisje. W przypadku łopat turbin wiatrowych aktywna kontrola przepływu może znacząco zwiększyć sprawność generowania energii.

Finansowany ze środków UE projekt STA-DY-WI-CO (Static and dynamic piezo-driven streamwise vortex generators for active flow control) miał na celu opracowanie technik aktywnej kontroli przepływu w takich zastosowaniach z wykorzystaniem symulacji numerycznych i testów doświadczalnych.

Generatory wirów to niewielkie urządzenia umieszczane na płatach w celu wytwarzania w warstwie granicznej (tuż przy powierzchni płata) ruchów wirowych zapobiegających rozdzieleniu przepływu, czyli sytuacji, w której przepływ przestaje podążać za powierzchnią. Badacze skoncentrowali się na generatorze wirów wykorzystującym siłownik mikroelektromechaniczny poruszający membranę piezoelektryczną. Materiały piezoelektryczne reagują przemieszczeniem fizycznym na przyłożenie sygnału elektrycznego.

Wstępne modele numeryczne umożliwiły zaprojektowanie dwóch siłowników, po czym poddano opracowane generatory wirów testom w tunelu aerodynamicznym. Wyniki doświadczeń potwierdziły potencjał ograniczania rozdzielenia przepływu. Przy swojej niewielkiej masie i niskim poborze energii siłowniki piezoelektryczne mają ogromny potencjał zmniejszania oporu powietrza i zużycia paliwa.

Badacze przeprowadzili też analizę akustyczną i analizę flatteru (trzepotania), czyli szybkich, nieregularnych ruchów łopat helikoptera wprowadzających niestabilność dynamiczną. W symulacjach dowiedziono możliwości używania narzędzia do analizy akustycznej do rejestrowania propagacji fal dźwiękowych w polu bliskim i lokalizowania elementów najbardziej przyczyniających się do generowania hałasu. Zaawansowane techniki analizy flatteru oparte na obliczeniowej dynamice płynów potwierdziły, że nieefektywna kontrola przepływu prowadzi do niestabilnego flatteru, co z kolei zmniejsza żywotność łopaty.

W innych badaniach wykorzystano stanowisko do testowania elementów obrotowych oraz modele numeryczne, aby poznać dynamikę strukturalną układów nieliniowych. Dzięki temu badacze zidentyfikowali nieliniowe charakterystyki tłumienia i sztywności.

Wszystkie modele podzespołów zintegrowano w ramach jednej platformy numerycznej implementowanej na superkomputerze o dużej mocy obliczeniowej.

Projekt STA-DY-WI-CO opracował technikę aktywnej kontroli przepływu wraz z zaawansowanymi kodami symulacji wielofizycznych, kierowaną do projektantów tworzących nowej generacji łopaty do samolotów i turbin wiatrowych. W przypadku helikopterów nowe techniki pozwolą zmniejszyć zużycie paliwa, poziom emisji i hałas wytwarzany podczas lotu, a w przypadku turbin wiatrowych zwiększą sprawność generowania energii.