دسته‌بندی کاربردی عملگرهای کنترل جریان و چالش‌های موجود در صنعت هوایی

نوع مقاله: مقاله علمی ترویجی

نویسنده

پژوهشگاه فضایی ایران

چکیده

عملگرها مبدل‌هایی هستند که یک سیگنال الکتریکی را به یک اندازه فیزیکی مطلوب تبدیل می‌کنند. عملگرهای کنترل فعال جریان به‌وسیلة ایجاد یک اغتشاش قابل کنترل الکترونیکی جریان را اصلاح می‌کنند. زمینة کنترل فعال جریان طی دهة اخیر شاهد رشد چشمگیر عملگرها بوده است که این سندی بر اهمیت و چالش‌های مربوط به طراحی عملگرهاست. این مقاله چارچوبی برای بحث دربارة ویژگی‌های عملگرها، مشخصات، انتخاب، طراحی و دسته‌بندی آنها در کاربردهای علوم و صنایع هوایی فراهم می‌کند. در مقالة حاضر، اصول کاری عملگرها تشریح و انواع عملگرهای مشهور در جریان‌های سرعت پایین تا سرعت متوسط شامل عملگرهای سیالی، سطح متحرک و پلاسمایی توصیف می‌شوند. همچنین توانمندی‌ها و نواقص اجتناب‌ناپذیر هر کدام از عملگرها و مسیرهای تحقیقاتی آتی، که نیازمند تحقیقات هستند، ارائه می‌شود. تعداد نمونه‌هایی از عملگرهای کنترل فعال جریان که از نمونة آزمایشگاهی به کاربردهای هوایی واقعی انتقال پیدا کرده‌اند اندک است. در اینجا اصول طراحی عملگر و ارزیابی آن به‌منظور انتخاب مناسب عملگر ارائه می‌شود. فناوری‌های مختلف برای آشکارشدن توانایی‌ها و محدودیت‌ها مقایسه می‌شوند. در نهایت سیر طراحی جدید و مسیرهای ممکن تحقیقات آتی شناسایی و بحث می‌شوند.

کلیدواژه‌ها


 
[1] M. Gad-el-Hak, Flow Control, Cambridge University Press, 2000.

[2] S. Miranda, Active Control of Separated Flow over a Circular-Arc Airfoil, M.S. Thesis, Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University, pp. 2-4, May, 2000.

[3] D. G. MacMynowski, D. R. Williams, Flow control terminology, See Joslin & Miller, pp. 59–72 , 2009.

[4] V. Theofilis, Role of instability theory in flow control, See Joslin & Miller, pp. 73–114, 2009.

[5] C. W. Rowley, B. A. Batten, Dynamic and closed-loop control, See Joslin & Miller, pp. 115–48, 2009.

[6] L. N. Cattafesta, M. Sheplak, Actuators for Active Flow Control, Annu. Rev. Fluid Mech., Vol. 43, pp. 247–72, 2011.

[7] A. Glezer, M. Amitay, Synthetic jets, Annu. Rev. Fluid Mech., Vol. 34, pp. 503–29, 2002.

[8] K. Mohseni, R. Mittal, Synthetic Jets: Fundamentals and Applications, CRC Press, 2014.

[9] A. Seifert, T. Bachar, D. Koss, M. Shepshelovich, I. Wygnanskil, Oscillatory blowing: a tool to delay boundary-layer separation, AIAA J., Vol. 31, pp. 2052–2060, 1993.

[10] H. Viets, Flip-flop jet nozzle, AIAA J., Vol. 13, pp. 1375–79, 1975.

[11] T. M. Crittenden, A. Glezer, R. Funk, D. Parekh, Combustion-driven jet actuators for flow control, Presented at AIAA Fluid Dyn. Conf., 31st Anaheim, Calif., AIAA Pap. 2001-2768, 2001.

[12] F. S. Alvi, C. Shih, R. Elavarasan, G. Garg, A. Krothapalli, Control of supersonic impinging jet flows using microjets, AIAA J., Vol. 41, pp. 1347–55, 2003.

[13] G. B. Schubauer, H. K. Skramstad, Laminar-boundary-layer oscillations and transition on a flat plate, Tech. Rep., 909, NACA, 1948.

[14] Y. Katz, B. Nishri, I.J. Wygnanski, The delay of turbulent boundary layer separation by oscillatory active control, Phys. Fluids A, Vol. 1, pp. 179–81, 1989.

[15] L. Cattafesta, S Garg, M. Choudhari, F. Li, Active control of flow-induced cavity resonance, Presented at AIAA Fluid Dyn. Conf., 28th Snowmass, Colo., AIAA Pap. 1997-1804, 1997.

[16] A. Seifert, S. Eliahu, D. Greenblatt, I.J. Wygnanski, Use of piezoelectric actuators for airfoil separation control, AIAA J., Vol.  36, pp. 1535–1537, 1998.

[17] C. Kim, W. P. Jeon, J. Park, H. Choi, Effect of a localized time-periodic wall motion on a turbulent boundary layer flow, Phys. Fluids, Vol. 15, pp. 265–68, 2003.

[18] A. Bar-Sever, Separation control on an airfoil by periodic forcing, AIAA J., Vol. 27, pp. 820–21, 1989.

[19] H. Viets, M. Piatt, M. Ball, Boundary layer control by unsteady vortex generation, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., Vol. 7, pp. 135–44, 1981.

[20] C. Thill, J. Etches, I. Bond, K. Potter, P.Weaver, Morphing skins, Aeronaut. J., Vol. 112, pp. 117–39, 2008.

[21] E. Moreau, Airflow control by non-thermal plasma actuators, J. Phys. D Appl. Phys., Vol. 40, pp. 605–36, 2007.

[22] T. Corke, M. Post, D. Orlov, SDBD plasma enhanced aerodynamics: concepts, optimization and applications, Prog. Aerosp. Sci., Vol. 43, pp. 193–217, 2007.

[23] T. C. Corke, C.L. Enloe, S.P.Wilkinson, Dielectric barrier discharge plasma actuators for flow control, Annu. Rev. Fluid Mech., Vol. 42, pp. 505–29, 2010.

[24] M. Samimy, L. Adamovich, B. Webb, J. Kastner, J. Hileman, Development and characterization of plasma actuators for high-speed jet control, Exp. Fluids, Vol. 37, pp. 577–88, 2004.

[25] S. H. Popkin, T. M. Taylor, B. Z. Cybyk, Development and Application of the Sparkjet Actuator for High-Speed Flow Control, JOHNS HOPKINS APL TECHNICAL DIGEST, VOLUME, Vol. 32, No. 1, 2013.

[26] V. Narayanaswamy, L. L. Raja, N. T. Clemens, Characterization of a high-frequency pulsed-plasma jet actuator for supersonic flow control, AIAA J., Vol. 48, pp. 297–305, 2010.

[27] A. Shams Taleghani, A. Shadaram, M. Mirzaei, Experimental Investigation of Active Flow Control for Changing Stall Angle of a NACA0012 Airfoil Using Plasma-Actuator, Fluid Mechanics and Aerodynamics Journal, Vol. 1, pp. 89-97, 2012.

[28] M. Seyhan, Y. E. Akansu, F. Karakaya, C. Yesildag, H. Akbiyik, Effect of the duty cycle on the spark-plug plasma synthetic jet actuator, EPJ Web of Conferences 114, 02104, 2016.

[29] K. McManus, J. Magill, Separation control in incompressible and compressible flows using pulsed jets, Presented at AIAA Fluid Dyn. Conf., 27th New Orleans, AIAA Pap. 1996-1948, 1996.

[30] M. Papila, M. Sheplak, L. Cattafesta, Optimization of clamped circular piezoelectric composite actuators, Sens. Actuators A Phys., Vol. 147, pp. 310–23, 2008.

[31] S. Prasad, Q. Gallas, S. Horowitz, B. Homeijer, B.V. Sankar, An analytical electroacoustic model of a piezoelectric composite circular plate, AIAA J., Vol. 44, pp. 2311–18, 2006.

[32] A. Seifert, Closed-loop active flow control systems: actuators, Active Flow Control, Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, pp. 85–102., Vol. 95. Berlin: Springer, 2007.

[33] D. V. Roupassov, A. A. Nikipelov, M. M. Nudnova, A.Y. Starikovskii, Flow separation control by plasma actuator with nanosecond pulsed-periodic discharge, AIAA J., Vol. 47, pp. 168–85, 2009.

[34] R. Holman, An experimental investigation of flows from zero-net mass-flux actuators, PhD thesis, Univ. Florida, Mech. Aerosp. Eng., 2006.

[35] R. Raju, E. Aram, R. Mittal, L. Cattafesta, Simple models of zero-net mass-flux jets for flow control simulations, Int. J. Flow Control, Vol. 1, pp. 179–97, 2009.

[36] J. E. Cater, J. Soria, The evolution of round zero-net-mass-flux jets, J. Fluid Mech., Vol. 472, pp. 167–200, 2002.

[37] B. Smith, A. Glezer, The formation and evolution of synthetic jets, Phys. Fluids, Vol. 10, pp. 2281–97, 1998.