The effect of leading-edge tubercles on airfoil aerodynamic performance

Mehregan, Payam (2022). The effect of leading-edge tubercles on airfoil aerodynamic performance. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In this research, the effect of leading-edge tubercles on the aerodynamic performance of symmetric NACA 0010 and high-cambered RAF-19 airfoils (2D wings) is numerically analyzed using the software ANSYS/CFX and the k-ɛ turbulence modeling at the Reynolds number of 2.5 × 105 .

On the NACA 0010 airfoil, these tubercles cause to reduce the pre-stall lift coefficient while improving the post-stall lift coefficient. Besides, the airfoils with the largest wavelength and amplitude sizes of tubercles are shown to have the highest value of lift coefficient at post-stall angles of attack. However, on the modified RAF-19 airfoils, the performance improvements in the case of lift coefficient are only observed in the shortest wavelength and amplitude airfoils which could increase the CLmax, as well as the pre-and post-stall lift coefficient. On both airfoil types, the leading-edge tubercles cause the increase in drag coefficients on all the modified airfoils.

The wall shear stresses and streamwise vortices results show that on all the modified airfoils, the boundary layer is energized by the counter-rotating streamwise vortices generated by the tubercles. In this research, the effect of amplitude, wavelength, and amplitude to wavelength ratio size of tubercles on the strength and interaction of the streamwise vortices and consequently their effect on the lift and drag coefficient of the modified airfoils are discussed. It is concluded that while increasing the amplitude of tubercles causes to increase the strength of the streamwise vortices, increasing the wavelength of tubercles causes to reduce the intensity of interaction of the streamwise vortices. Thus, between the modified NACA 0010 airfoils with close values of amplitude and wavelength ratio sizes, higher values of lift coefficient are observed at post-stall angles of attack on airfoils having larger-amplitude and wavelength of tubercles.

In this research, the relation between the streamwise vortices and the separated flow regions generated behind the trough section of the modified airfoils at pre-stall angles of attack are also discussed. These separated flow regions are responsible for the lift coefficient reduction on the modified airfoils at pre-stall angles of attack.

Moreover, in this study, the effect of spanwise bumps generated along the chord of the modified airfoils and their influence on the interaction of the streamwise vortices are discussed. These spanwise bumps are generated due to preserving the thickness to chord ratio while designing the modified airfoils.

Titre traduit

L’effet des tubercules du bord d'attaque sur les performances aérodynamiques des profils

Résumé traduit

Dans cette recherche, l’effet des tubercules, situés au niveau du bord d’attaque, sur les performances aérodynamiques des profils NACA 0010 symétrique et RAF-19 à forte cambrure (aile 2D) est analysé numériquement en utilisant le logiciel ANSYS/CFX et le modèle de turbulence k-ɛ, au nombre de Reynolds de 2.5 × 105.

Sur le profil NACA 0010, ces ondulations tendent à réduire le coefficient de portance prédécrochage tout en améliorant le coefficient de portance post-décrochage. De plus, en augmentant la longueur et l’amplitude d’onde des ondulations, le coefficient de portance s’améliore pour des angles d’attaque au-delà du décrochage. Cependant, sur les profils RAF19 modifiés, les améliorations de performance concernant le coefficient de portance sont uniquement observées pour les profils dont la longueur et l’amplitude d’onde sont les plus courts, ce qui pourrait augmenter la CLmax, ainsi que le coefficient de portance avant et après décrochage. Pour chaque type de profils, les ondulations de bord d’attaque tendent à augmenter les coefficients de traînée de tous les profils modifiés.

Les résultats concernant les contraintes de cisaillement de la paroi et les tourbillons dans le sens du courant montrent que pour tous les profils modifiés, la couche limite est dynamisée par les tourbillons contrarotatifs générés par les ondulations. Dans cette recherche, l'effet de l'amplitude, de la longueur d'onde et du rapport amplitude/longueur d'onde des tubercules sur la force et l'interaction des tourbillons dans le sens du courant par conséquent, leurs effets sur les coefficients de portance et de traînée des profils modifiés sont discutés.

On en conclut qu'alors que l'augmentation de l'amplitude des tubercules entraîne une augmentation de la force des tourbillons dans le sens du courant, l'augmentation de la longueur d'onde des tubercules entraîne une réduction de l'intensité de l'interaction des tourbillons dans le sens du courant. Ainsi, entre les profils NACA 0010 modifiés avec des rapports d'amplitude et de longueur d'onde proches, des valeurs plus élevées du coefficient de portance sont observées aux angles d'attaque post-décrochage sur les profils dont la longueur et l’amplitude d’onde est plus grand.

Dans cette recherche, la relation entre les tourbillons dans le sens de l'écoulement et les régions d'écoulement séparées, générées derrière la section en auge des profils modifiés aux angles d'attaque avant décrochage, est également discutée. Ces régions d'écoulement séparées sont responsables de la réduction du coefficient de portance sur les profils modifiés aux angles d'attaque avant décrochage.

De plus, durant cette étude, l'effet des bosses générés le long de la corde des profils modifiés et leur influence sur l'interaction des tourbillons dans le sens du courant sont discutés. Ces bosses dans le sens de l'envergure sont générées en raison de préserver le rapport épaisseur/corde lors de la conception des profils modifiés.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 189-193).
Mots-clés libres:	tubercules du bord d'attaque, aérodynamique, tourbillons dans le sens du courant, la force et l'interaction des tourbillons dans le sens du courant
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Dufresne, Louis
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	01 déc. 2022 17:00
Dernière modification:	01 déc. 2022 17:00
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3110

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