مجله علمی صوت و ارتعاش

مجله علمی صوت و ارتعاش

بررسی توانمندی مدل‌های رَنز در ‌پیش‌بینی رفتار گردابه‌ها در محیط اطراف ایرفویل نوسانی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
حمیدرضا کاویانی
استادیار گروه مکانیک دانشگاه ملایر
چکیده
ایرفویل‌ها بطور گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند و در شرایط کاری خود حرکت نوسانی را تجربه می‌کنند. دستیابی به روشی که بتواند جریان آشفته اطراف این ایرفویل‌ها را با دقت مناسب و هزینه کم مدل کند، یک چالش در دینامیک سیالات محاسباتی محسوب می‌شود. در این پژوهش به بررسی توانمندی مدل‌های مختلف پیش‌بینی رفتار گردابه‌ها در معادلات ناویر-استوکس متوسط‌گیری شده یا رَنز پرداخته شده است. برای این منظور از مدل‌های شناخته شده‌ای نظیر اسپالارت-آلماراس، k-ω SST،IDDES به همراه مدل جدید گیکو[v] استفاده شده است. در ابتدا جریان استاتیک در اطراف ایرفویل اس-809 در زاویه حمله 20 درجه شبیه‌سازی شده است. اعتبارسنجی انجام شده با استفاده از داده‌های تونل باد برتری مدل گیکو را نشان می‌دهد. پس از آن برای افزایش دقت محاسبات، ضریب جدایش در مدل گیکوکالیبره شده است. براساس نتایج بدست آمده، ضریب جدایش برابر با 5/2 بهترین تخمین را برای ضرایب آیرودینامیکی در شرایط واماندگی ارایه می‌دهد. سپس مدل کالیبره شده برای پیش‌بینی جریان واماندگی دینامیک حول ایرفویل نوسانی اس-809 استفاده شده است. مشاهده شد که با افزایش فرکانس نوسانات ایرفویل از 61/0 به 83/1 هرتز اختلاف ضریب برآ در رفت و برگشت ناشی از اثر هیسترزیس در حدود 60 درصد افزایش می‌یابد. سطح فشار صوت نیز با افزایش فرکانس نوسانات از 61/0 به 83/1 افزایش یافت. مقدار این افزایش برا یSPL در حدود 55/2 دسیبل بدست آمد. در پایان می‌توان گفت که مدل گیکو با قابلیت کالیبراسیون ضریب جدایش می‌تواند گزینه مناسبی برای حل جریان در فیزیک‌های نوسانی و ارتعاشی باشد.
کلیدواژه‌ها
ایروآکوستیک
ایرفویل
هیسترزیس ایرودینامیکی
مدل گیکو
موضوعات

عنوان مقاله English

Performance Assessment of RANS Turbulence Models for Vortex Dynamics in Oscillating Airfoil Flows

نویسنده English

Hamidreza Kaviani
Assistant Professor, Mechanical Engineering Department. Malayer University
چکیده English

Airfoils are widely used in various industries and often experience oscillatory motion during operation. Developing a method to accurately and cost-effectively model turbulent flow around these airfoils remains a challenge in computational fluid dynamics (CFD). This study examines the capability of different models to predict vortex behavior in Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations. The research employs well-established models, including Spalart-Allmaras, k-ω SST, IDDES, and the new GEKO (Generalized K-Omega) model. The study begins with a static flow simulation around an S-809 airfoil at 20° angle of attack. Validation using wind tunnel data demonstrates the superior performance of the GEKO model. The GEKO model's separation coefficient was calibrated to enhance computational accuracy. Results indicate that a separation coefficient of 2.5 provides the optimal estimation for aerodynamic coefficients under stall conditions. The calibrated model was then applied to predict dynamic stall flow around the oscillating S-809 airfoil. Findings reveal that as the oscillation frequency increases from 0.61 Hz to 1.83 Hz: 1- The difference in Cl coefficient between upstroke and downstroke increases by approximately 60%, and 2- The sound pressure level shows a corresponding increase, with OASPL rising by about 2.55 dB. In conclusion, it can be said that the Gecko model with coefficient calibration capability can be a suitable option for solving flow in oscillatory physics.

کلیدواژه‌ها English

Aeroacoustics
Airfoil
Aerodynamic Hysteresis
GEKO model
[1]  Adibi, Tohid, Seyed Esmail Razavi, Shams Forruque Ahmed, Hussein Hassanpour, Suvash C. Saha, and S. M. Muyeen. "Predicting airfoil stalling dynamics using upwind numerical solutions to non-viscous equations." Results in Engineering 20 (2023): 101472.
[2]  Zakir, Jawad, Muhammad Hasnain Quraishi, Usman Zia, Jehanzeb Masud, and Muhammad Muneeb Safdar. "Investigation of High Angle of Attack Characteristics of Blended Wing Body Configurations." In AIAA SCITECH 2024 Forum, p. 0304. 2024.
[3]  Ouchene, S., A. Smaili, and H. Fellouah. "Assessment of Turbulence Models for Unsteady Separated Flows Past an Oscillating NACA 0015 Airfoil in Deep Stall." Journal of Applied Fluid Mechanics 16, no. 8 (2023): 1544-1559.
[4]  Voevodin, A. V., A. A. Efremov, and V. G. Soudakov. "Numerical and experimental study of the aerodynamics of a civil-aircraft model at high angles of attack and during rotation." Thermophysics and aeromechanics 30, no. 1 (2023): 1-12..
[5]  Kaviani, Hamidreza, and Ehsan Bashtalem. "Investigating the effect of modeling and simulation of vortices on aeroacoustic calculations in homogeneous shear flow." Modares Mechanical Engineering 23, no. 11 (2023): 615-626.
[6]  Kaviani, H. R., and Ehsan Bashtalam. "Investigating the Effect of Icing on Aerodynamics and Aeroacoustics of an Airfoil." Modares Mechanical Engineering 23, no. 8 (2023): 455-465.
[7]  Luttenberger, Lidija Runko, and Ivana Gudelj. "Impact and Control of Environmental Noise." In Aural Experience and Soundscape Management, pp. 33-77. Jenny Stanford Publishing, 2024.
[8]  Di Fabbio, Tony, Karthick Rajkumar, Eike Tangermann, and Markus Klein. "Towards the understanding of vortex breakdown for improved RANS turbulence modeling." Aerospace Science and Technology 146 (2024): 108973.
[9]  Madaliev, Erkin Urinboevich, Murodil Erkinjon Ugli Madaliev, Ikrom Isroiljonovich Mullaev, Mardon Akhmadjon Ugli Shoev, and Abdulfatto Rahimjon Ugli Ibrokhimov. "Comparison of Turbulence Models for the Problem of an Asymmetric Two-Dimensional Plane Diffuser." Middle European Scientific Bulletin 18 (2021): 119-127.
[10]      Sogukpinar, Haci, and Ismail Bozkurt. "Implementation of different turbulence model to find proper model to estimate aerodynamic properties of airfoils." In AIP conference proceedings, vol. 1935, no. 1, p. 020003. AIP Publishing LLC, 2018.
[11]      Singh, Anugya, S. Aravind, K. Srinadhi, and B. T. Kannan. "Assessment of turbulence models on a backward facing step flow using OpenFOAM®." In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 912, no. 4, p. 042060. IOP Publishing, 2020.
[12]      Thies, Andrew T., and Christopher KW Tam. "Computation of turbulent axisymmetric and nonaxisymmetric jet flows using the K-epsilon model." AIAA journal 34, no. 2 (1996): 309-316.
[13]      Langley Research Center. "Turbulence Modeling Resource." https://turbmodels.larc.nasa.gov/naca0012_val.html
[14]      Menter, F. R., R. Lechner, and A. Matyushenko. "Best practice: generalized k-ω two-equation turbulence model in ANSYS CFD (GEKO)." ANSYS Germany GmbH 107 (2019): 108.
[15]      Kaviani, Hamidreza. "Computational Analysis of the Effect of Leading Edge Erosion Intensity on Aerodynamic Noise." Journal of Vibration and Sound 13, no. 26 (2025): 141-158.
[16]      Williams, JE Ffowcs, and David L. Hawkings. "Sound generation by turbulence and surfaces in arbitrary motion." Philosophical Transactions for the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences (1969): 321-342.
[17]      Kaviani, Hamid R., and Mohammad Moshfeghi. "Power Generation Enhancement of Horizontal Axis Wind Turbines Using Bioinspired Airfoils: A CFD Study." Machines 11, no. 11 (2023): 998.
[18]      D. Somers, "Design and experimental results for the S809 airfoil NREL," sr-440-6918. Tech. rep., NREL1997.
[19]      Kaviani, H. R., and A. Nejat. "Aerodynamic noise prediction of a MW-class HAWT using shear wind profile." Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 168 (2017): 164-176.
[20]      Ramsay, R. Reuss, M. Hoffmann, and G. Gregorek. "Effects of grit roughness and pitch oscillations on the S809 airfoil: airfoil performance report." NREL Contract Report DE-AC36-83CH10093, National Renewable Energy Laboratory [NREL] (1999).
[21]      Gharali, Kobra, and David A. Johnson. "Numerical modeling of an S809 airfoil under dynamic stall, erosion and high reduced frequencies." Applied Energy 93 (2012): 45-52.