Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/13733
Title: Υπολογιστική αεροδυναμική μελέτη μονοφασικής και διφασικής ροής γύρω από μικρό μονοκινητήριο αεροσκάφος σε διάφορους αριθμούς Reynolds και σε διάφορα μοντέλα τύρβης και σύγκριση με αποτελέσματα πειραματικής μελέτης σε αεροσήραγγα
Other Titles: Computational aerodynamic study of one-phase and two-phase flow over small one-engine aircraft in several Reynolds numbers and turbulence models and comparison with experimental wind tunnel results
Authors: Τζογάνης, Ευάγγελος
Keywords: Υπερελαφρό αεροσκάφος
Διφασική ροή
Μοντέλα τύρβης
Αεροσήραγγα
Keywords (translated): Ultralight aircraft
ANSYS-FLUENT
Discrete phase model
Turbulence models
Wind tunnel
Abstract: Η παρούσα διπλωματική εργασία απαρτίζεται από δύο αντικείμενα μελέτης ροών γύρω από αεροσκάφος. Το πρώτο είναι η μελέτη της υπολογιστικής προσομοίωσης της μονοφασικής ροής αέρα γύρω από το μοντέλο αεροσκάφους Sonerai σε κανονικές διαστάσεις με τρία μοντέλα τύρβης Spalart-Allmaras, Realizable k-ε και Standard k-ω και σε διάφορα προφίλ ταχυτήτων. Το δεύτερο είναι η μελέτη της υπολογιστικής προσομοίωσης της μονοφασικής και διφασικής ροής αέρα-νερού γύρω από το υπό κλίμακα (0.0275) μοντέλο Sonerai στο μοντέλο τύρβης Realizable k-ε καθώς και η πειραματική προσομοίωση σε αεροσήραγγα του ίδιου μοντέλου κατόπιν δημιουργίας του από τον τρισδιάστατο εκτυπωτή (3D-printer) του εργαστηρίου. Η ανάπτυξη των θεμάτων γίνεται σε 8 κεφάλαια. Για αρχή γίνεται μια σύντομη αναφορά στις αεροτομές, τα γεωμετρικά τους χαρακτηριστικά και τις κατηγοριοποιήσεις που τις διέπουν ενώ δίνονται πληροφορίες για την αεροτομή που επιλέχθηκε για το υπό μελέτη αεροσκάφος. Επιπλέον παρέχονται γενικές πληροφορίες για την οικογένεια των ακροβατικών αεροσκαφών (ultralight) και πιο συγκεκριμένα για την οικογένεια των αεροσκαφών Sonerai. Ακολούθως παρουσιάζονται τα βασικά μεγέθη της αεροδυναμικής και χαρακτηριστικά της μηχανικής των ρευστών. Πιο συγκεκριμένα περιγράφονται έννοιες όπως ο αριθμός Reynolds, η Άντωση, η Αντίσταση και το Οριακό στρώμα. Κατόπιν αναπτύσσονται οι εξισώσεις Navier-Stokes που περιγράφουν το ροϊκό πεδίο και οι αριθμητικοί μέθοδοι επίλυσης αυτών και συγχρόνως παρουσιάζονται τα τρία μοντέλα τύρβης που χρησιμοποιήθηκαν (Spalart-Allmaras, Realizable k-ε και Standard k-ω) με τις ακριβείς μαθηματικές τους εκφράσεις. Στη συνέχεια περιγράφεται αναλυτικά η προσέγγιση Euler-Lagrange που χρησιμοποιούνται για την μοντελοποίηση της διφασικής ροής, το μοντέλο διακριτής φάσης (Discrete Phase Model) που χρησιμοποιείται για την δημιουργία του φαινομένου της βροχής, καθώς και το μοντέλο Taylor Analogy Breakup – ΤΑΒ για την μοντελοποίηση της διάσπασης των σταγονιδίων. Δίνονται βασικές πληροφορίες για το ρόλο του φιλμ νερού και τις φυσικές σχέσεις που το χαρακτηρίζουν. Ύστερα, πραγματοποιείται η αναλυτική παρουσίαση της πορείας που ακολουθήθηκε για τη διεξαγωγή των προσομοιώσεων από την αρχική γεωμετρία έως την επίλυση. Αρχικά η δημιουργία του αεροσκάφους στο σχεδιαστικό πρόγραμμα AutoCAD2018 σύμφωνα με τη λογική του conceptual design και τις βασικές αρχές της αεροδυναμικής και έπειτα η πλεγματοποίηση αυτού με αποδεκτές τιμές σε skewness και orthogonal quality και η εισαγωγή του σε τρισδιάστατο ορθογωνικό όγκο ελέγχου. Σειρά έχει η προσομοίωση της μονοφασικής ροής αέρα με τη βοήθεια των τριών μοντέλων τυρβώδους ροής σε διάφορα προφίλ ταχυτήτων (7,15,25,35,40,50) m/s. Επιτελείται μελέτη μονοφασικής ροής σε σταθερή ταχύτητα (7 m/s) και μεταβλητή γωνία προσβολής (-8,-4,0,4,8,12,16 μοίρες) για το υπό κλίμακα μοντέλο στο Realizable k-ε. Έπειτα ακολουθεί βήμα βήμα η μοντελοποίηση της διφασικής ροής αέρα-νερού στο υπό κλίμακα αεροσκάφος σε 0 και 8 μοίρες και σε ταχύτητα 7 m/s με τη χρήση του DPM. Παρουσιάζεται η εξαγωγή των αποτελεσμάτων για τους αεροδυναμικούς συντελεστές καθώς και η δημιουργία του φιλμ νερού με δύο μεθόδους (Eulerian Wall Film και απλό Wall Film). Ακολουθεί η παρουσίαση της πειραματικής διαδικασίας για όλες τις υπολογιστικές προσομοιώσεις μονοφασικής και διφασικής ροής του υπό κλίμακα αεροσκάφους. Τα αποτελέσματα των υπολογιστικών και πειραματικών διαδικασιών παρουσιάζονται στο έβδομο κεφάλαιο ενώ στο όγδοο κεφάλαιο γίνεται ένας συνοπτικός σχολιασμός και παρατηρήσεις των αποτελεσμάτων καθώς και μια σειρά από προτάσεις για βελτίωση της υπάρχουσας εργασίας σε μελλοντικό στάδιο.
Abstract (translated): This dissertation consists of two flow study objects around an aircraft. The first is the study of the computational simulation of single-phase airflow around the Sonerai aircraft model in normal dimensions with three turbulent flow models, Spalart Allmaras, Realizable k-e and Standard k-ω and in various speed profiles. The second is the study of the computational simulation of the single-phase and two-phase air-water flow around the Sonerai scale model (0.0275) in the Realizable k-e turbulent flow model as well as the experimental simulation in an air tunnel of the same model after its creation by the 3D printer of the laboratory. The development of the topics is done in 8 chapters. For a start, a brief reference is made to the spoilers, their geometric features and the categorizations that govern them, while information is given about the spoiler selected for the aircraft under study. In addition, general information is provided about the family of ultralight aircraft and more specifically about the family of Sonerai aircraft. The following are the basics of aerodynamics and fluid mechanics. More specifically, concepts such as the Reynolds number, the Flow, the Resistance and the Boundary layer are described. Then the Navier-Stokes equations describing the flow field and the numerical methods of solving them are developed and at the same time the three models of turbulent flow (Spalart-Allmaras, Realizable k-ε and Standard k-ω) are presented with their exact mathematical expressions. The following is a detailed description of the Euler-Lagrange approach used to model biphasic flow, the Discrete Phase Model used to create the rain effect, and the Taylor Analogy Breakup-TAB model for its modeling droplet decay. Basic information is given about the role of water film and the natural relationships that characterize it. Then, a detailed presentation of the course followed to conduct the simulations from the initial geometry to the solution is performed. Initially the creation of the aircraft in the design program AutoCAD2018 according to the logic of conceptual design and the basic principles of aerodynamics and then its griding with acceptable prices in skewness and orthogonal quality and its introduction in three-dimensional rectangular control volume. The simulation of single-phase air flow with the help of the three models of turbulent flow in various speed profiles (7,15,25,35,40,50) m/s has a turn. A single-phase flow study is performed at constant speed (7 m/s) and variable angle of attack (-8,-4,0,4,8,12,16 degrees) for the scale model in Realizable k-ε. Afterwards, the modeling of the two-phase air-water flow in the aircraft in scale at 0 and 8 degrees and at a speed of 7 m/s using DPM is done. The results are presented for the aerodynamic coefficients as well as the creation of the water film with two methods (Eulerian Wall Film and simple Wall Film). Following is the presentation of the experimental process for all computational simulations of single-phase and two-phase flow of the aircraft on a scale. The results of the computational and experimental processes are presented in the seventh chapter, while in the eight chapter a brief commentary and observations of the results are made.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικ. (ΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
DT_M_Ευάγγελος_Τζογάνης_246836.pdf8.97 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.