The airfoil thickness effects on wavy leading edge phenomena at low Reynolds number regime.

• Main Author: Paula, Adson Agrico de
• Other Authors: Meneghini, Julio Romano
• Format: Doctoral or Postdoctoral Thesis
• Language: English
• Published: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP 2016
• Subjects: Aerodinâmica; Aeronaves (Projeto e Construção); Escoamento (Controle); Túneis de vento (Simulação numérica); Aerodynamics; Aircraft (Design and build); Flow (Control); Wind tunnels (Numerical simulation); Humpback Whale
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3150/tde-27092016-153422/; https://doi.org/10.11606/T.3.2016.tde-27092016-153422

Recently, the wavy leading edge airfoils, inspired by the humpback whale´s flipper, have been investigated, as flow control mechanisms, at low Reynolds numbers in order to improve aerodynamic performance in this particular flow regime. The overall aim of this work is to investigate the airfoil geometric effects on wavy leading edge phenomena in the low Reynolds number regime. Experimental investigations were carried out correlating force measurements with mini-tuft and oil visualizations in order to understand the airfoil thickness effects on wavy leading edge phenomena. Three sets of airfoil thickness were tested (NACA 0012, NACA 0020 and NACA 0030), each set consisting of smooth plus three wavy configurations (A=0.11c, ?=0.40c; A=0.03c, ?=0.40c and A=0.03c, ?=0.11c); Reynolds number was varied between 50,000 and 290,000. The results present many findings that were not possible in previous studies due the fact that these investigations were constrained to specific geometries and/or flow conditions. At higher Reynolds number, the decrease in airfoil thickness leads the airfoils to leading edge stall characteristics causing the lowest aerodynamic deterioration for the thinnest wavy airfoil as compared to smooth configuration in the pre-stall regime. In addition, the results show impressive tubercle performance in the lowest Reynolds number. For any tubercle geometry and airfoil thickness, the wavy leading edge airfoils present higher maximum lift values as compared to smooth configurations showing an unprecedented increase in performance for a full-span model tested in the literature. The flow visualizations present two flow mechanisms triggered by secondary flow: three-dimensional laminar separation bubbles and vortical structures. Regarding three-dimensional laminar bubbles, the results confirm some of the few previous experimental and numerical studies, and presents for the first time these structures as a very efficient flow control mechanism in the post-stall regime justifying the impressive increase in maximum lift in the lowest Reynolds number. Besides that, two characteristics of laminar bubbles, \"tipped-bubbles\" and \"elongated-bubbles\", are identified with different effects in the pre-stall regime. This thesis presents higher tubercle performance for thinner airfoils (NACA 0012) and/or lower Reynolds number conditions (Re=50,000) showing clearly that an optimum performance lead the \"tubercles\" to operate under conditions of leading edge flow separation conditions. Therefore, a design space for tubercles conducted to leading edge stall characteristics confirming the hypothesis of Stanway (2008) eight years before. Recentemente, aerofólios com bordo de ataque ondulados, inspirados na nadadeira da baleia jubarte, tem sido investigados como mecanismo de controle de escoamento para baixo número de Reynolds com a finalidade de se aumentar o desempenho aerodinâmico neste específico regime de escoamento. O objetivo geral deste trabalho é investigar os efeitos geométricos do aerofólio nos fenômenos do bordo de ataque ondulado na condição de baixo número de Reynolds. Investigações experimentais foram realizadas correlacionando medições de forças com visualizações de lã e óleo a fim de compreender os efeitos da espessura do aerofólio sobre os fenômenos de bordo de ataque ondulado. Três conjuntos de espessura de aerofólios foram testados (NACA 0012, NACA 0020 e NACA 0030) na faixa de número de Reynolds entre 50,000 e 290,000, onde cada conjunto tem um aerofólio liso e três ondulados (A = 0.11c, ? = 0.40c; A = 0.03c, ? = 0.40c e A = 0.03c, 0.11c ? =0.11c). O dados experimentais mostram importantes resultados que não foram possíveis em estudos anteriores devido às investigações serem restritas à geometria ou/e condição de escoamento específicas. O resultados de medida de força mostram que a diminuição da espessura do aerofólio conduz às características de separação de escoamento de bordo de ataque que causam menor deterioração aerodinâmica nos aerofólios ondulados finos quando comparados aos lisos no regime de pré-stall. Além disso, os resultados mostram um desempenho destacado do bordo de ataque ondulado para condição de menor número de Reynolds. Em quaisquer espessuras de aerofólio, os bordos ondulados apresentam valores de sustentação máxima maiores quando comparado aos aerofólios lisos mostrando assim resultado inédito na literatura para modelos ondulados bi-dimensionais. As visualizações de óleo evidenciaram dois mecanismos de controle de escoamento desencadeadas pelo escoamento secundário: bolhas de separação laminar tridimensionais e estruturas vorticais. Os resultados confirmam alguns poucos estudos experimentais e numéricos anteriores relacionadas com bolhas tridimensionais, e apresenta pela primeira vez estas estruturas como um mecanismo muito eficiente de controle de escoamento em regime de pós-stall justificando o aumento de máxima sustentação para o menor número de Reynolds. Adicionalmente, foram identificadas duas estruturas de bolhas tridimensionais nomeados aqui como \"bolhas com pontas\" e \"bolhas alongadas\" que causam distintos efeitos no regime de pré-stall. Esta tese apresenta como resultado maior desempenho para aerofólios ondulados com menor espessura (NACA 0012) e/ou para condições de menor número de Reynolds (Re=50,000)mostrando claramente que estas características levam as ondulações a operarem em condições de stall de bordo de ataque assim tendo um desempenho superior. Portanto, um espaço de projeto para tubérculos conduz às características de stall de bordo de ataque confirmando a suposição de Stanway (2008) oitos anos antes.