ژانویه 21, 2021

دبی جریان

‏شکل (1-11) نمای دیگری از جهت دهی بردار نیروی پیشران توسط جت ترکیبی را نشان می دهد
Main Flow
Main Flow
Synthetic Jet
Main Flow
Main Flow
Synthetic Jet
جهت دهی بردار نیروی پیشران با استفاده از جت ترکیبی
شکل فوق تصویر شماتیک مربوط به آزمایش یک نازل مستطیلی با نسبت منظری بالاست. سیال بالای خروجی بوسیله جت ترکیبی شتاب داده می شود و در این حالت فشار بالا کاهش می یابد و گرادیان فشار منجر به حرکت جت اصلی به سمت بالا می شود.
روش جریان همراستا
جهت دهی بردار نیروی پیشران به شیوه دمش جریان همراستا مبنی بر پدیده ای شناخته شده بنام تأثیر کواندا بنا نهاده شده است. این پدیده که بنام مخترع رومانیایی آن؛ هنری ماری کواندا (کسی که در سال 1930 اثرات این پدیده را در کاربردهای هوانوردی پیشنهاد نمود) نام نهاده شده است [28و29]. اثر کواندا تمایل طبیعی از سیالات چه گازی و چه مایع، برای چسبیدن به یک مرز جامد محدب که در نزدیکی آن حرکت می کنند می باشد، که با توجه به فشار کم ایجاد شده در سطح بوجود می آید بطوریکه سرعت جریان بر روی آن سطح افزایش می یابد [30]. در این روش در شکافی که در مجاورت جریان اولیه قرار دارد و توسط یک سطح کواندا پوشیده شده است جریانی همراستا با جریان اولیه دمیده می شود و هنگامی که جریان از روی دیواره عبور می کند، تشکیل لایه مرزی باعث کاهش فشار محلی در این منطقه گردیده و لذا گرادیان فشار بوجود آمده نه تنها جریان ثانویه بلکه جریان اولیه را از جهت محوری خارج نموده و به سمت سطح دیواره می کشد. عملکرد نازل جریان همراستا و یکپارچه شدن آن با موتور میکروجت در ‏شکل (1-12) به صورت شماتیک نشان داده شده است.
نمایش مفهومی کنترل بردار پیشران به روش جریان همراستا
این پدیده در اثر تعادل نیروهای گریز از مرکز ( اینرسی) و نیروهای مرتبط با گرادیان فشار در نزدیکی سطح به وجود می آید [30]. از طرف دیگر با توجه به قانون بقای ممنتوم هنگامی که جریان بر روی یک سطح حرکت میکند سرعت آن در نزدیکی سطح کاهش یافته و این کاهش سرعت تا جایی ادامه مییابد که لزجت سیال انرژی آنرا مستهلک کرده و باعث جدایی آن گردد. تعمیم این قانون به یک سطح خمیده منجر به چرخش جریان حول آن سطح می‌گردد [31]. تحقیقات بر روی روش جهت دهی سیال به صورت همراستا، پارامترهای طراحی بحرانی هندسه نازل را بهبود داده است و این عمل به طور بالقوه، افت فشار ناشی از مجرای جریان ثانویه را کاهش می دهد [32]. سیستم جهت دهی بردار نیروی پیشران به شیوه جریان همراستا اغلب برای استفاده از وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین در رژیم پرواز مادون صوت توسعه یافته است. اگرچه در این نازل زوایای جهت دهی بردار پیشران نسبتاً کوچک می باشد.
روش جریان غیر همراستا
جهت دهی بردار نیروی پیشران به شیوه جریان غیر همراستا مبنی بر استفاده از اصل کواندا، یک رویکرد متفاوت در کنترل بردار پیشران سیالی است. این مفهوم برای اولین بار در سال 1993 توسط استیروکوسکی و کروتاپالی به عنوان یک کاربرد عملی از استراتژی جدید کنترل جریان ارائه شده است و به عنوان لایه برشی جریان متقابل مطرح شد [33]. بدین صورت که لایه برشی جریان مخالف به جای تزریق یک جریان هوای ثانویه از مکش برای به وجود آوردن جریان ثانویه غیر همراستا استفاده می کند. ایده استفاده از سطوح منحنی برای کنترل مسیر یک جت جدید نیست. اثر مشهور کواندا یک مثال از انحراف جت است که در اثر نزدیکی به یک سطح منحنی به وجود آمده است. این روش همانند روش جریان همراستا بر پایه پدیده ایی به نام تأثیر کواندا بنا نهاده شده است و همان طور که در روش جریان همراستا توضیح داده شد، بیانگر تمایل سیالات، چه گازی و چه مایع، در چسبیدن به سطح محدبی است که از مرز آن عبور میکنند و به علت موازنه نیروهای گریز از مرکز (یا اینرسی) و نیروهای مرتبط با گرادیان فشار در نزدیکی سطح به وجود میآید. این پدیده به دلیل ایجاد لایه مرزی به وجود آمده ناشی از عبور جریان از روی دیواره باعث ایجاد کاهش فشار محلی در این ناحیه گردیده و لذا گرادیان فشار بوجود آمده جریان را به سمت سطح دیواره میکشد. شماتیکی از مفهوم اثر کواندا به کار برده شده در این روش در ‏شکل (1-13) نشان داده شده است.
شماتیک مفهوم اثر کواندا
جنبه نوآوری و ابتکار این مفهوم به این صورت است که لایه های برشی جریان مخالف با یک سطح منحنی (کولار) ترکیب شده اند تا کنترل و جهت دهی جریان اصلی را بدست آورند. در این روش از طریق شکافی که در مجاورت جریان اولیه قرار دارد و توسط یک سطح کولار مکشی به منظور استفاده از تاثیر کواندا پوشیده شده است، خلاء ایجاد می شود. این خلاء سبب به وجود آمدن یک لایه جریان ثانویه معکوس در دیواره کولار مکشی و در مجاورت جت اولیه می شود که باعث ایجاد اختلاط لایه های برشی بین دو جریان مخالف شده و این ناحیه اختلاط توسط سطوح کولار که به عنوان یک مانع از ادامه جریان عمل می کند محصور گشته و در نتیجه منجر به کشیده شدن جرم از سیال اولیه و لذا جهت گیری آن می شود. به این ترتیب با مکش جریان ثانویه از روی سطح محدب، جریان در نزدیکی سطح منحنی شتاب می گیرد و باعث ایجاد یک افت فشار در سطوح منحنی می شود که سبب جذب جریان اصلی به سمت خود می گردد. ‏شکل (1-14) در این سیستم مقدار مکش (خلاء) به کار برده شده به عنوان یک کنترلر ورودی و انحراف جریان اصلی (زاویه جهت دهی) به عنوان خروجی مورد نظر لحاظ شده است.
نمایش مفهومی جهت دهی سیالی به روش جریان غیر همراستا [34]
در تحلیل عملک
رد این روش باید موارد مهمی از جمله پارامتر های هندسی و سیالی متفاوتی را مد نظر قرار داد، که از جمله مهمترین آنها می توان به ارتفاع شکاف مکشی، طول کولار، ارتفاع کولار، زاویه قطع کمان کواندا، نرخ جریان جرمی اولیه و فشار مکشی جریان ثانویه اشاره کرد. مطالعات پایداری پیش بینی می کند که یک لایه برشی جریان مخالف، یک ناحیه با قابلیت کنترل بزرگتر از جریان همراستا فراهم می کند [35] به همین دلیل انتظار می رود مقدار کمتری از جریان ثانویه برای جهت دهی جت اصلی در این روش نیاز باشد. برای این روش می توان مزایایی را نسبت به روش های سیالی دیگر برشمرد که از جمله مهمترین آنها پایداری بیشتر نسبت به کنترل جریان در روش همراستا می باشد. و از سوی دیگر این واقعیت که هوای محیط به عنوان کنترل کننده مجبور به ورود به سیستم جهت دهی جریان مخالف می باشد انتظار می رود که یک مزیت اضافی دیگری را به این تکنیک در مقایسه با روش های سیالی دیگر بدهد. زمانیکه هوای محیط با دمای پایین به سمت سیستم خلاء حرکت می کند از مجاورت
قطعات سیستم جریان غیر همراستا عبور کرده و می تواند نقش خنک کنندگی قطعات را نیز بر عهده بگیرد. از اینرو این عمل سبب می شود که دمای خروجی موتور در تراز قابل قبولی باقی بماند. از دیگر ویژگی های مهم این روش می توان به قابلیت اعمال درجریان مادون صوت و مافوق صوت، افت نیروی پیشران مناسب در تغییر زاویه های نسبتا بالا، کاهش صدای جت و نیاز به دبی جریان جرمی ثانویه کمتر به دلیل افزایش اختلاط و رفتار دوپایای آن اشاره نمود [5و36].
رفتار دوپایا که در این روش مشاهده می‌شود به این مفهوم است که از زمانی که جریان ثانویه با استفاده از مکش آغاز می شود، جریان اصلی شروع به تغییر جهت به سمت دیواره می‌کند. این رفتار تا قبل از اینکه جریان اولیه کاملا به سطح چسبیده و راه جریان ثانویه را ببندد، ادامه پیدا می‌کند. حال اگر در اثر مکش بیش از حد، مقدار بیشتری از جریان معکوس گردد باعث می شود که جریان اصلی جت بیش اندازه به سمت دیواره کولار منحرف شود و در نهایت با آن برخورد کند و از اینرو منجر به انسداد مسیر جریان مخالف ثانویه می شود و در این حالت، جریان اصلی به داخل نازل ثانویه کشیده شده و سرعت مکش کاهش مییابد. این پاسخ جت اصلی به جریان مخالف نشان دهنده یک حلقه هیسترزیس همانند ‏شکل (1-15) می باشد. در این شکل تغییرات زاویه انحراف جریان در مقابل نسبت تغییر سرعت جریان ثانویه به سرعت جریان اصلی خروجی از موتور نشان داده شده است.
بررسی رفتار شماتیک دوپایا ( چسبندگی و جدایش) در کنترل جریان غیر همراستا