كتبه آدم كهرامان
تُعد الطبقة الحدودية عنصرًا أساسيًا في الأداء الديناميكي الهوائي للمروحة، لكنها قد تكون مفهومًا يصعب فهمه.
عندما يمر تيار من الهواء بسرعة عالية بجانب شفرة المروحة، تكون سرعة جزيئات الهواء الملامسة لسطحها مباشرة سرعة نسبية صفرية. وفي منطقة رقيقة بالقرب من سطح الشفرة، تزداد سرعة الهواء تدريجيًا حتى تقترب من سرعة تدفق الهواء المحيط. تُعرف هذه المنطقة بالطبقة الحدودية.
تؤثر هذه المنطقة الرقيقة على احتكاك سطح الطائرة، وانفصال التدفق، والرفع، والدفع، واستهلاك الطاقة. ولتحسين الأداء الديناميكي الهوائي، يضيف مصممو الطائرات أحيانًا ميزات سطحية مثل النقر أو مولدات الدوامات على الأجنحة. ومع ذلك، فإن الميزة التي تحسن الأداء في تصميم ما قد تقلله في تصميم آخر.
إذن، ما الذي يحدد ما إذا كانت ميزات السطح الديناميكية الهوائية تساعد أم تعيق أداء الطائرة؟ وكيف يمكن أن يساهم ذلك في تصميم أفضل للطائرات المسيّرة؟
أجرى باحثون في جامعة خولنا للهندسة والتكنولوجيا تجربة باستخدام أجنحة طائرة معدلة لاستكشاف هذا السؤال تحديدًا. أخذوا جناح طائرة من طراز NACA-4415 وأضافوا نقرًا سداسية إلى السطح لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم تأخير انفصال التدفق. وهذا بالضبط ما وجدوه - فقد أدت النقر إلى تأخير انفصال التدفق وتحسين الأداء الديناميكي الهوائي عند زوايا هجوم أعلى (المصدر).
الشكل 1: نموذج جناح طائرة مصنوع بنقر سداسية من موستاك وآخرون (المصدر)
مستلهمين من هذا العمل، أردنا استكشاف تعديل سطحي مماثل، ولكن على جهاز آخر مولّد للرفع - المروحة. هل يمكن لسطح معدّل أن يحسن أداء المروحة؟
في تجربتنا، تم اختبار مروحتين مطبوعتين بتقنية ثلاثية الأبعاد لهما نفس الهندسة الأساسية. كانت إحداهما ذات سطح أملس بينما كانت الأخرى مزودة بميزات بارزة على طول الحافة الأمامية على الجانب الشفّاط (العلوي) للشفرة. يُعرض في الشكل 2 أدناه رسم ثلاثي الأبعاد لهاتين المروحتين مع توضيح للتدفق.
تم تصميم المراوح بزاوية ميل شفرات مرتفعة نسبيًا لاستكشاف الأداء في الظروف التي قد يحدث فيها الانفصال.
الشكل 2: رسم توضيحي ثلاثي الأبعاد لكيفية توقع سلوك التدفق بين المروحة الملساء والمروحة المعدلة (المصدر: Tyto Robotics)
كانت الفرضية المختبرة هي أن الميزات البارزة ستنشّط الطبقة الحدودية، وتؤخر الانفصال، وتساعد المروحة المعدلة على العمل بكفاءة أكبر. نتائجنا المفاجئة موصوفة في القسم 7.
ولكن أولًا، لفهم سبب احتمال أن يكون هذا التصميم مفيدًا، نحتاج إلى النظر في كيفية تشكل الطبقة الحدودية.
جدول المحتويات
- مقدمة
- ما هي الطبقة الحدودية؟
- الطبقة الحدودية وتوليد الرفع
- كيفية تأخير انفصال الطبقة الحدودية؟
- لماذا لا تُغطى أجنحة الطائرات بالنقر؟
- كيفية تحسين التصاق الطبقة الحدودية بالمراوح
- نتائج الاختبار والتجربة
- الخلاصة
ما هي الطبقة الحدودية؟
الطبقة الحدودية هي المنطقة الرقيقة من الهواء بجوار السطح حيث تزداد سرعة تدفق الهواء تدريجيًا من صفر بالنسبة إلى السطح إلى سرعة التدفق الحر. على شفرة المروحة، يكون للهواء الملامس مباشرة للسطح سرعة نسبية صفرية بسبب حالة عدم الانزلاق. وبالابتعاد عن الشفرة، تزداد سرعة الهواء تدريجيًا حتى تقترب من سرعة تدفق الهواء المحيط.
رقم رينولدز هو كمية بلا أبعاد تقارن تأثيرات القوى العطالية واللزوجة، وهو أحد العوامل التي تؤثر على سلوك الطبقة الحدودية. تدعم أرقام رينولدز المنخفضة عمومًا التدفق الصفائحي، بينما تجعل أرقام رينولدز الأعلى الانتقال إلى التدفق المضطرب أكثر احتمالًا. يمكن أن يؤثر خشونة السطح، واضطرابات التدفق، والهندسة، وعوامل أخرى أيضًا على توقيت حدوث هذا الانتقال. يوضح الشكل أدناه الفرق بين الطبقات الحدودية الصفائحية والمضطربة بالقرب من سطح جسم ما.
الشكل 3: تشكل الطبقة الحدودية مع التدفقات الصفائحية والمضطربة (المصدر)
الطبقة الحدودية وتوليد الرفع
يولد جناح الطائرة الرفع من خلال خلق فرق ضغط حول أسطحه وتحويل تدفق الهواء أثناء مروره فوق الجناح. تُعد الطبقة الحدودية جزءًا من هذه العملية لأنها تؤثر على مدى اتباع تدفق الهواء لشكل الجناح. طالما تظل الطبقة الحدودية ملتصقة، يمكن لتدفق الهواء الاستمرار في اتباع السطح ودعم توزيع الضغط الذي ينتج الرفع.
إذا لم تعد الطبقة الحدودية قادرة على البقاء ملتصقة، ينفصل تدفق الهواء عن السطح. يغير هذا توزيع الضغط حول الجناح، مما قد يحد من الرفع ويؤدي إلى الانهيار.
يتأثر موقع انفصال الطبقة الحدودية عن الجناح بعدد من العوامل، بما في ذلك زاوية الهجوم، وشكل الجناح، ورقم رينولدز، وخشونة السطح. زاوية الهجوم هي الزاوية بين خط الوتر لجناح الطائرة واتجاه تدفق الهواء القادم. يمكن أن تخلق زاوية هجوم أعلى تدرج ضغط معاكسًا أقوى، مما يجعل من الصعب على تدفق الهواء البقاء ملتصقًا بالسطح. يمكن أن يتسبب هذا في انفصال الطبقة الحدودية، ومع اتساع الانفصال، يؤدي في النهاية إلى الانهيار. يوضح الشكل 4 أدناه مثالًا لجناح طائرة في نفق هوائي عند زاوية هجوم منخفضة مقارنة بنفس الجناح عند زاوية هجوم أعلى، حيث يتعرض للانهيار.
الشكل 4: الجناح الموجود على اليسار له زاوية هجوم منخفضة، مما يسمح لتدفق الهواء بالبقاء ملتصقًا بالسطح لفترة أطول. الجناح الموجود على اليمين له زاوية هجوم أعلى، مما يتسبب في انفصال تدفق الهواء وانهيار الجناح (المصدر)
كيفية تأخير انفصال الطبقة الحدودية؟
هل تساءلت يومًا لماذا تُغطى كرة الجولف بالنقر؟ بينما من الصحيح أن التدفق الصفائحي حول جسم ما ينتج سحب احتكاك سطحي أقل، فإنه يمتلك أيضًا زخمًا أقل بالقرب من السطح ويمكن أن ينفصل مبكرًا عن جسم منحني مثل كرة الجولف. يمكن أن يخلق هذا الانفصال المبكر أثرًا كبيرًا وزيادة في سحب الضغط. بالنسبة لكرة الجولف، يحدث سحب الضغط عندما يخلق أثر الضغط المنخفض خلف الكرة قوة تسحبها إلى الخلف، مما يبطئها.
هنا يأتي دور النقر. تخلق النقر على كرة الجولف اضطرابات صغيرة تجعل الطبقة الحدودية تنتقل إلى التدفق المضطرب. يجلب الخلط المضطرب هواءً ذو زخم أعلى بالقرب من السطح، مما يساعد الطبقة الحدودية على البقاء ملتصقة لفترة أطول. يؤخر هذا الانفصال، ويقلل من حجم الأثر، ويقلل في النهاية من إجمالي سحب الكرة. يوضح الشكل 5 أدناه الفرق في الأثر الناتج عن كرة جولف بنقر وبدون نقر.
الشكل 5: ديناميكا كرة الجولف بنقر وبدون نقر (المصدر)
ومع ذلك، هناك مقايضة في هذا التصميم. تخلق الطبقة الحدودية المضطربة سحب احتكاك سطحي أكبر، لكن الأثر الأصغر يقلل بشكل كبير من سحب الضغط. النتيجة هي سحب إجمالي أقل، مما يسمح للكرة بالسفر لمسافة أبعد مما لو كان سطحها أملس.
إذن، لماذا لا تُغطى الأجنحة بالنقر إذا كان بإمكانها بالفعل زيادة الكفاءة الديناميكية الهوائية الإجمالية؟
لماذا لا تُغطى أجنحة الطائرات بالنقر؟
على عكس كرات الجولف، أجنحة الطائرات انسيابية ومصممة خصيصًا لتوليد الرفع مع الحفاظ على تدفق الهواء ملتصقًا على معظم نطاق تشغيلها. لذلك، فإن إضافة المزيد من الاضطرابات على جناح الطائرة قد يسبب ضررًا أكثر مما ينفع. ومع ذلك، ليس هذا هو الحال دائمًا.
مولدات الدوامات هي شفرات صغيرة مثبتة على أجنحة الطائرة تقوم عمدًا باضطراب الطبقة الحدودية من خلال توليد دوامات صغيرة داخل التدفق. يوضح الشكل 6 أدناه جناح طائرة صغيرة مزود بمولدات دوامات. تخلط هذه الدوامات هواءً ذو زخم أعلى في الهواء الأبطأ حركة بالقرب من السطح، مما يساعد الطبقة الحدودية على مقاومة الانفصال. وبسبب الاضطراب الذي تسببه مولدات الدوامات، فإنها أيضًا تسبب سحبًا إضافيًا.
يمكن أن تكون مولدات الدوامات ذات جدوى عندما تفوق التحسينات في الرفع أو سلوك الانهيار أو فعالية التحكم عقوبة السحب الخاصة بها.
الشكل 6: مولدات دوامات دقيقة على جناح طائرة صغيرة (المصدر)
تشمل بعض سيناريوهات الطيران التي قد تحسن فيها مولدات الدوامات الأداء:
- السرعات المنخفضة
- زوايا الهجوم العالية
- الإقلاع
- الاقتراب
- المناورة عالية السرعة
كيفية تحسين التصاق الطبقة الحدودية بالمراوح
يمكن أن يؤدي إضافة اضطرابات صغيرة عمدًا إلى سطح ديناميكي هوائي أملس إلى تحسين الأداء أحيانًا من خلال المساعدة في بقاء تدفق الهواء ملتصقًا. وقد استكشف هذا المفهوم من قبل باحثين في جامعة خولنا للهندسة والتكنولوجيا، الذين أضافوا نقرًا سداسية إلى جناح طائرة لتأخير انفصال التدفق عند زاوية هجوم عالية (المصدر).
أظهرت نتائجهم أن اضطراب التدفق عمدًا يمكن أن يحسن الأداء الديناميكي الهوائي. مع السطح العادي، أفاد المؤلفون أن انفصال التدفق حدث عند زاوية هجوم تبلغ 12 درجة. ومع النقر السداسية، تأخر الانفصال حتى 16 درجة. يوضح الشكل 7 أدناه توزيع ضغط السطح للأجنحة المختبرة في الورقة البحثية. يشير الخط الرأسي المنقط إلى معامل الضغط في نفس الموقع على كل جناح. يوضح الرسم البياني أن الجناح ذي النقر السداسية له معامل ضغط أكثر سلبية على الجانب الشفّاط للجناح مقارنة بالجناح العادي.
الشكل 7: توزيع ضغط السطح للجناح العادي مقابل الجناح ذي النقر السداسية عند زاوية هجوم 12 و16 درجة (المصدر)
مستلهمين من نتائج هذه الورقة، أردنا استكشاف مفهوم مماثل باستخدام مراوح الطائرات المسيّرة - هل يمكن لمولدات الدوامات أن تساهم في تحسين الأداء؟
لاختبار ذلك، قمنا بطباعة مروحتين 4 بوصة بتقنية ثلاثية الأبعاد لهما نفس هندسة الشفرة. الفرق الوحيد كان أن إحدى المروحتين كانت مزودة بمولدات دوامات صغيرة على طول الحافة الأمامية، بينما لم يكن لدى الأخرى أي تعديلات سطحية. تم اختبارهما تحت نفس الظروف حتى يمكن مقارنة أدائهما مباشرة. يوضح الشكل 8 أدناه صورة للمراوح المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد.
كانت فرضيتنا أن المروحة المعدلة ستؤدي أداءً أفضل من المروحة غير المعدلة، مقاسًا بالكفاءة الإجمالية. وكان المنطق هو أنه إذا كان بإمكان الاضطرابات الصغيرة إطالة الطبقة الحدودية والحفاظ عليها وتقليل الأثر، فإن هذا سيقابل تحسنًا في الأداء.
الشكل 8: مراوحنا المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد بسطح أملس ومع مولدات دوامات (المصدر: Tyto Robotics)
نتائج الاختبار والتجربة
تم تركيب المراوح على منصة قياس دفع سيريز 1585 أمام 2x2 WindShaper لاختبار أدائها في ثلاث حالات: بدون رياح، تدفق صفائحي، وتدفق مضطرب. تم تسجيل البيانات باستخدام برنامج منصة فلايت ستاند.
تم استخدام ميزة التحكم التلقائي للبرنامج لإنشاء اختبار خطوات الخانق من 1,000 ميكروثانية إلى 1,750 ميكروثانية، بإجمالي سبع خطوات للخناق. كانت أعلى خطوة تقابل سرعة قصوى تبلغ حوالي 12,000 دورة في الدقيقة. وقد وفر هذا نطاق تشغيل عملي لاختبار مروحة 4 بوصة.
تم الحفاظ على WindShaper عند إعداد ثابت طوال الاختبار، حيث بلغ متوسط سرعة الرياح 8 م/ث (28.8 كم/س) لكل من حالتي التدفق الصفائحي والمضطرب. تم تسجيل الدفع والعزم وسرعة الدوران وكفاءة الدفع الإجمالية طوال الاختبار. تم تصدير البيانات إلى .CSV للتحليل.
لم يتم قياس انتقال الطبقة الحدودية وانفصالها مباشرة، لذا تظل بعض التفسيرات أدناه فرضيات.
الدفع
أولًا، أنتجت المروحة الملساء دفعًا أكبر طوال معظم نطاق دورات في الدقيقة المختبر. عند حوالي 11,700 دورة في الدقيقة، أنتجت المروحة المعدلة دفعًا أقل بنسبة 5.8% إلى 7.4% من المروحة الملساء عبر الحالات الثلاث.
يوضح الشكل 9 الدفع الناتج عن المراوح الملساء والمعدلة تحت كل حالة رياح. في حالة عدم وجود رياح، أنتجت المروحتان دفعًا مماثلًا عند سرعات دوران أقل، لكن الفرق زاد مع زيادة دورات في الدقيقة، حيث أنتجت المروحة الملساء دفعًا أكبر عند السرعات الأعلى. لوحظ اتجاه مماثل تحت التدفق الصفائحي، على الرغم من أن الفرق بين المروحتين ظل أصغر إجمالًا. تحت التدفق المضطرب، كان الفرق أكثر وضوحًا عبر معظم نطاق دورات في الدقيقة المختبر، حيث أنتجت المروحة الملساء باستمرار دفعًا أكبر من المروحة المعدلة.
قد يكون التشابه بين نتائج عدم وجود رياح والتدفق الصفائحي مرتبطًا بالظروف المستقرة نسبيًا التي مرت بها كلتا المروحتين. في كلتا الحالتين، سيظل التحميل الديناميكي الهوائي على الشفرات متسقًا نسبيًا، بينما يجلب التدفق المضطرب تقلبات في سرعة الهواء القادم واتجاهه.
الشكل 9: الدفع الناتج عن المروحة الملساء والمروحة المعدلة تحت كل حالة رياح (المصدر: Tyto Robotics)
العزم
يوضح الشكل 10 العزم المطلوب للمروحتين الملساء والمعدلة تحت كل حالة رياح. في حالة عدم وجود رياح، كان العزم المطلوب للمروحتين متطابقًا تقريبًا عبر معظم نطاق دورات في الدقيقة المختبر.
تحت التدفق الصفائحي، احتاجت المروحة المعدلة إلى عزم أكبر بشكل متزايد مع زيادة سرعة الدوران، مما أنتج أكبر فرق بين المروحتين. عند 11,700 دورة في الدقيقة، احتاجت المروحة المعدلة إلى عزم أكبر بنسبة 3.7% بدون رياح، و11.2% أكثر تحت التدفق الصفائحي، و7.9% أكثر تحت التدفق المضطرب مقارنة بالمروحة الملساء.
قد يكون العزم الأكبر المطلوب للمروحة المعدلة ناتجًا عن زيادة السحب التي تسببها مولدات الدوامات، مما يتطلب عزمًا أكبر للحفاظ على نفس سرعة الدوران.
الشكل 10: عزم الدوران المطلوب للمراوح الملساء والمعدلة تحت كل حالة رياح (المصدر: Tyto Robotics)
الكفاءة
يوضح الشكل 11 الكفاءة الإجمالية لكلا المروحتين، والتي تُعرّف بأنها قوة الدفع بالجرام-قوة المتولدة لكل واط من الطاقة المزوّدة للنظام، تحت كل حالة رياح. لم تُعرض القياسات التي تقل عن 2,000 دورة في الدقيقة حتى يسهل رؤية الفروق عند السرعات الأعلى. تظل هذه القياسات ضمن مجموعة البيانات.
لم تكن كفاءة المروحتين متقاربة نسبيًا طوال معظم نطاق التشغيل تحت أي من حالات الرياح. وعند حوالي 11,700 دورة في الدقيقة، كانت المروحة المعدلة أقل كفاءة بنسبة 9.2% من المروحة الملساء. ينبغي تفسير الفروق الأكبر الملاحظة عند أدنى سرعات الدوران بحذر، لأن كلًا من قوة الدفع والطاقة يقتربان من الصفر في هذا النطاق، مما يجعل الكفاءة المحسوبة شديدة الحساسية لتقلبات القياس الصغيرة.
لوحظ اتجاه مماثل تحت التدفق الصفائحي. وبمجرد وصول المراوح إلى نطاق التشغيل العادي، ظلت منحنيات الكفاءة متقاربة نسبيًا، على الرغم من أن المروحة المعدلة أصبحت أقل كفاءة عند سرعات الدوران الأعلى. وعند حوالي 11,700 دورة في الدقيقة، كانت المروحة المعدلة أقل كفاءة بنسبة 11.1% من المروحة الملساء.
تحت التدفق المضطرب، كان الفرق بين المروحتين أكثر وضوحًا عبر النطاق المختبر. أظهرت المروحة المعدلة كفاءة أقل، لا سيما عند سرعات الدوران المنخفضة، على الرغم من أن الفرق انخفض مع زيادة عدد الدورات في الدقيقة. وعند حوالي 11,700 دورة في الدقيقة، كانت المروحة المعدلة أقل كفاءة بنسبة 14.9% من المروحة الملساء، وهو ما يمثل أكبر فرق في الكفاءة بين المروحتين عند سرعة الدوران هذه.
الشكل 11: الكفاءة الإجمالية للمراوح الملساء والمعدلة تحت كل حالة رياح، مع عدم عرض القياسات التي تقل عن 2,000 دورة في الدقيقة في الرسم البياني (المصدر: Tyto Robotics)
تتغير قيم الكفاءة بشكل حاد عند أدنى نقاط لعدد الدورات في الدقيقة لأن كلًا من قوة الدفع والطاقة يقتربان من الصفر. تبدأ منحنيات المروحة الملساء والمعدلة في التقارب عند حوالي 4,500 دورة في الدقيقة تحت ظروف التدفق المضطرب. ومن حوالي 6,500 إلى 12,000 دورة في الدقيقة، تظل الكفاءة مستقرة نسبيًا لكلا المروحتين في جميع ظروف التدفق، مع تفوق المروحة غير المعدلة بكفاءة أعلى قليلًا عبر النطاق بأكمله. وفوق 10,000 دورة في الدقيقة، تبدأ كفاءة كلتا المروحتين في الانخفاض قليلًا.
تساعد نتائج الكفاءة في تفسير سبب عدم تطابق اتجاهات عزم الدوران مباشرة مع اتجاهات الأداء الإجمالي. يعني عزم الدوران الأعلى عمومًا أن المحرك يتعين عليه بذل جهد أكبر واستخدام المزيد من الطاقة للحفاظ على نفس عدد الدورات في الدقيقة، لكن الكفاءة تعتمد أيضًا على مقدار قوة الدفع المفيدة المتولدة من تلك الطاقة. تحت التدفق الصفائحي، احتاجت المروحة المعدلة إلى عزم دوران أكبر، لكن قوة دفعها ظلت قريبة نسبيًا من المروحة الملساء، لذا ظلت الكفاءة الإجمالية مماثلة. تحت التدفق المضطرب، كان فرق عزم الدوران أقل، لكن المروحة المعدلة فقدت قوة دفع أكبر، مما يعني أنها أنتجت ناتجًا مفيدًا أقل مقابل الطاقة المستخدمة. ولهذا السبب ظهر أكبر فرق في الكفاءة تحت التدفق المضطرب بدلًا من التدفق الصفائحي.
لم تدعم النتائج الفرضية الأصلية، إذ لم تتفوق المروحة المعدلة على المروحة الملساء تحت أي من الظروف المختبرة. وعند حوالي 11,700 دورة في الدقيقة، أنتجت المروحة المعدلة قوة دفع أقل بنسبة 5.8% إلى 7.4% بينما احتاجت إلى عزم دوران أكبر بنسبة 3.7% إلى 11.2%، حسب حالة الرياح. وكانت كفاءتها الإجمالية أيضًا أقل بنسبة 9.2% في حالة عدم وجود رياح، وأقل بنسبة 11.1% في التدفق الصفائحي، وأقل بنسبة 14.9% في التدفق المضطرب.
لماذا كان أداء المروحة المعدلة أسوأ؟
تظهر النتائج أن تأثير مولدات الدوامات كان يعتمد بقوة على حالة الرياح الواردة. أنتجت المروحة المعدلة عمومًا قوة دفع أقل، بينما كان الارتفاع في عزم الدوران المطلوب أكثر وضوحًا تحت التدفق الصفائحي. ورغم هذه الفروق، أظهرت المروحتان كفاءة إجمالية متطابقة تقريبًا في حالة عدم وجود رياح وفي الظروف الصفائحية طوال نطاق التشغيل ذي الأهمية، بينما لوحظ انخفاض أوضح في كفاءة المروحة المعدلة تحت التدفق المضطرب. ويمكن تفسير ذلك بعدة عوامل.
موقع غير مناسب لمولدات الدوامات
نُسب الأداء المحسن الملاحظ في الورقة إلى النقر السداسية التي تؤخر انفصال الطبقة الحدودية وتقلل تكوّن الأثر خلف الجناح عند زوايا الهجوم الأعلى. وفي حالتنا، ربما لم تحقق المروحة المعدلة التأثير نفسه بسبب موقع مولدات الدوامات. فعندما يُضاف عنصر غير مدبب بالقرب من الحافة الأمامية، يمكن أن يخل بالتدفق ويخلق اضطرابًا في الأثر، مما يسبب انفصالًا مبكرًا وسحبًا إضافيًا بدلًا من تحسين الأداء.
كانت مولدات الدوامات كبيرة جدًا
عند النظر إلى أجنحة الطائرات، تكون مولدات الدوامات صغيرة نسبيًا مقارنة بالحجم الإجمالي للجناح. وعادة ما يبلغ ارتفاعها جزءًا من البوصة وطولها بضعة بوصات. على سبيل المثال، تستخدم طائرة بوينغ 767 سبعة مولدات دوامات على كل جناح، بارتفاع 19.05 مم، وهو ما يعادل حوالي 0.316% من وترها الديناميكي الهوائي البالغ 6.03 م (المصدر). كانت مولدات الدوامات على المروحة المعدلة مقاس 4 بوصات بارتفاع 1 مم، وهو ما يعادل حوالي 5% من وتر الشفرة. ورغم صغرها، كانت هذه الميزات كبيرة نسبيًا مقارنة بالشفرة، وقد تكون قد أخلت بتدفق الهواء وزادت السحب وقللت الكفاءة.
اختلاف سرعة الهواء على طول المروحة
يواجه الجناح الهوائي الثابت أمام جدار رياح تدفقًا هوائيًا شبه ثابت على طول الجناح. وبما أن المروحة تدور حول محورها، فإن طرفها يتحرك بسرعة هواء أعلى مقارنة بشفرة المروحة الأقرب إلى المحور. وهناك عامل آخر وهو أن زاوية الشفرة المحلية تتغير من الجذر إلى الطرف. ويجب أن يأخذ حجم وموقع مولدات الدوامات هذا التباين في الاعتبار. ومع ذلك، في تصميمنا للمروحة المعدلة، وُضعت مولدات الدوامات بالتساوي على طول الحافة الأمامية، دون أي تباين في ارتفاعها أو طولها أو بعدها عن الحافة الأمامية.
القوة الطاردة المركزية وتأثيرات كوريوليس
يمكن للقوة الطاردة المركزية أن تدفع الهواء إلى الخارج على طول الشفرة الدوارة نحو طرفها. وتأثير كوريوليس هو الانحراف الجانبي للهواء المتحرك عند النظر إليه من الشفرة الدوارة. ويحدث ذلك لأن الشفرة تدور بينما يتحرك الهواء بالنسبة إليها. وفي بعض الحالات، يمكن أن يحسن هذا التصاق الطبقة الحدودية ويساعد على منع الانهيار حتى بدون مولدات دوامات. ومع ذلك، عند إضافة مولدات دوامات، يمكن أن تتداخل مع الالتصاق الناتج بالفعل عن تأثير كوريوليس وتخل بالتدفق بدلًا من تحسينه.
كيفية تحسين الاختبار التالي
في نسخة ثانية من هذا الاختبار، يمكن تحسين تصميم المروحة المعدلة من خلال تحديد مكان حدوث انفصال الطبقة الحدودية. وبمجرد معرفة نقطة الانفصال، يمكن إجراء التغييرات التالية:
- وضع مولد الدوامات مباشرة قبل نقطة الانفصال.
- حصر مولدات الدوامات في مناطق الشفرات التي يحدث فيها الانفصال، لتجنب السحب الإضافي حيث يظل التدفق ملتصقًا بالفعل.
يمكن اختبار تغييرات تصميمية أخرى بشكل مستقل:
- الاختبار عند زوايا هجوم مختلفة
- زوايا ريش مختلفة مع أزواج دوارة عكسيًا
- الاختبار باستخدام مراوح أكبر
- استخدام نُقر غائرة بدلًا من ريش بارزة
ينبغي تحديد ارتفاع مولدات الدوامات بناءً على الحجم النسبي لطول المروحة ووترها. ولأنها مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، ينبغي أيضًا اختبار عينات متعددة لمراعاة عيوب الطباعة ثلاثية الأبعاد وتبايناتها.
الخلاصة
الطبقة الحدودية ظاهرة مهمة تفسر كيفية تفاعل الهواء مع أسطح مثل المراوح والأجنحة الهوائية. ويمكن أن يؤدي تغيير كيفية تفاعل تلك الطبقة الرقيقة مع السطح إلى تحسين الأداء، لكن كل ميزة سطحية تخلق سحبها الخاص أيضًا. ويصبح هذا بمثابة عملية موازنة دقيقة لتغيير السطح بما يكفي لتحسين الأداء دون إعاقة تدفق الهواء بما يكفي لخلق سحب إضافي.
هدفنا في هذه الدراسة كان تحديد ما إذا كانت مولدات الدوامات يمكن أن تحسن أداء المروحة. أنتجت المروحة المعدلة عمومًا قوة دفع أقل واحتاجت إلى عزم دوران أكبر عند عدد دورات مماثل. وتتوافق هذه النتائج مع خسارة ديناميكية هوائية ناتجة عن الميزات المضافة، لكن الاختبار لم يقس تأثيرها مباشرة على انفصال الطبقة الحدودية.
ورغم أن هذا الاختبار يوضح تحديات تعديل سلوك الطبقة الحدودية على المروحة، فإنه يسلط الضوء أيضًا على إمكانية تحسين الأداء الديناميكي الهوائي من خلال ميزات سطحية مصممة بعناية.