تحليل تجربي و عددي ميدان جريان پايين دست يك ملخ جلوبرنده در شرايط استاتيكي با ارائه روابط نيمه‌تجربي

Experimental and Numerical Analysis of a Propeller Downstream Flow at Static Conditions and Determination of Semi-Empirical Equations

در مقاله حاضر به بررسي آزمايشگاهي ميدان جريان در پايين‌دست يك ملخ جلوبرنده در اعداد رينولدز كم و در شرايط عملكرد استاتيكي (سرعت پروازي صفر) پرداخته مي‌شود. اين ملخ، قابليت استفاده در پرنده‌هاي بدون سرنشين را دارد. قطر ملخ 56 سانتيمتر است و در دورهاي 2550 تا 5670 دور بر دقيقه مورد آزمايش قرار مي‌گيرد. نتايج آزمايش نشان مي‌دهد كه افزايش دور ملخ باعث افزايش سرعت القايي جريان مي‌شود. ضريب چرخش جريان و ضريب جريان محوري در دورهاي مختلف، با افزايش شعاع ملخ كاهش مي‌يابد. نتايج تجربي سرعت مطلق جريان چرخشي در پايين‌دست لبه فرار ايرفويل پره ملخ نشان مي‌دهد كه در شرايط استاتيكي، توزيع شعاعي سرعت با دقت مناسبي شبيه به تئوري گردابه آزاد جريان است. براي تغييرات نسبت چرخش جريان و ضريب جريان محوري در پايين دست پره ملخ در شرايط استاتيكي به ازاي r/R<0.8 روابط نيمه‌تجربي پيشنهاد شده است. همچنين ملخ به صورت عددي شبيه‌سازي شده است. درصد انحراف معيار نسبي نتايج عددي و تجربي در نيروي جلوبرنده ملخ 0/4 درصد و درصد انحراف معيار نسبي در توان مصرفي 4/1 درصد است. مقدار ضريب نمايي n براي پيش بيني عددي سرعت محوري پشت پره ملخ در شرايط استاتيكي تا محدوده 80 درصدي شعاع پره ملخ، با نتايج تجربي داراي 7/7 درصد انحراف معيار نسبي است.

In the current paper, downstream flow field of a propeller at low Reynolds numbers and at static conditions (zero flight speed) is investigated experimentally. This propeller can be utilized in UAVs. Propeller diameter is 56 centimeter and it is investigated at 2550 to 5670 rpm experimentally. Experiment results show that propeller rpm increasing, increases induction velocity. Flow swirl ratio and axial flow coefficient decrease along propeller radius at different propeller rpm. Experimental results of absolute velocity of swirl flow at the propeller airfoil trailing edge downstream is fairly similar to the free vortex flow theory at static condition along the blade radius. At static condition for r/R<0.8, semi-empirical equations are suggested for variation of flow swirl ratio and axial flow coefficient at downstream of propeller. The propeller is also simulated with numerical simulations. Relative standard deviation of numerical and experimental results for propeller thrust and power are 0.4 and 4.1, respectively. The exponential coefficient (n) which predicts numerical axial flow downstream of propeller for r/R<0.8 has a 7.7 relative standard deviation with experimental results at static condition.