| Name: | Description: | Size: | Format: | |
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| 58.28 MB | Adobe PDF |
Advisor(s)
Abstract(s)
Vertical/short take-off and landing aircrafts at their hovering phase of flight create a three
dimensional flowfield between lift jet streams, the airframe surface and the ground. The
flowfield surrounding the aircraft during transition from hover to wing borne flight is of
particular importance. During the transitional flight phase, the jets in crossflow phenomenon
represent the most relevant configuration due to the complex flowfield that is created
beneath the aircraft. The wall jets created by the impingement on the ground of the
individual turbulent jet flow meet at a stagnation line and form an upwards flowing
“fountain” that interacts with the airframe. Sometimes the fountain can provide a beneficial
lift – generating ground cushion. Although, in most of the cases the fountain flow created
generates a variety of undesirable characteristics, such as, hot gas ingestion, pressure,
thermal and acoustic loads, change of the lift forces, lifting losses and the fuselage skin raise.
The wall jet created by the jets impingement on the ground interacting with the free stream,
results in a formation of a ground vortex far upstream of the impingement jet. This resulting
ground vortex shape is strongly affected and the corresponding induced suckdown effect
tends to be reduced by the upload produced by the fountain.
During the past three decades, the flowfield characteristics associated with this type of
aircraft have been studied extensively. However, the complexity of the new VSTOL
configurations with the very stringent requirements demands more investigation. The
continued development of a VSTOL aircraft with an increasing reliance on computational
design techniques is dependent on a better understanding of aerodynamics of the lift jets of
an aircraft in ground effect.
This work is dedicated to the continuation of the experimental study began during the
master’s thesis, i.e., a detailed analysis of the complex flowfield of two in-line turbulent
circular air jets with a low velocity crossflow impinging on a flat surface perpendicular to the
geometrical jet nozzle axis. The jets exit conditions are changed along the study to provide a
better understanding of the flowfield. To complete this analysis and in order to validate the
experimental results a detailed numerical study is also presented, where all the features of
the experimental flow are maintained.
The numerical results extend the experimental study, revealing that the deflection of the
rear jet is due to the competing influences of the wake, the shear layer, the downstream wall
jet of the first jet and the crossflow. The first jet deflection and the location of the ground
vortex depend on the velocity ratio between the jet exit and the crossflow as well as the
impingement height used. Through the rear jet velocity change, it is possible to verify the
quick deflection of the second jet, never reaching the ground directly, i.e., the downstream
jet is entrained by the upstream jet and not by the crossflow itself. Through the impingement height change, it is possible to observe the absence of upwash fountain formation in the
region between the impingement jets, as it was expected. In this region, it is unexpectedly
observed the formation of a second ground vortex, something not yet reported in the
literature.
Durante a fase em que uma aeronave de descolagem rápida/vertical e aterragem vertical paira no ar, um campo de escoamento tridimensional é criado entre o escoamento dos jatos de elevação, a superfície inferior da aeronave e o solo. O escoamento em torno da aeronave durante a fase de transição de voo pairado para voo convencional é de particular importância. Essa fase é dominada pelos fenómenos provocados pela interação dos jatos de elevação com o escoamento cruzado, devido ao aparecimento de um escoamento complexo na parte inferior da aeronave. Os jatos de parede, criados devido ao impacto de cada um dos jatos de elevação no solo, convergem para a linha de estagnação, formando um escoamento ascendente, como um “repuxo”, que interage com a aeronave. Por vezes, este escoamento ascendente fornece benefícios contribuindo para os efeitos de elevação da aeronave. No entanto, e na maior parte dos casos, o escoamento ascendente resultante produz características indesejáveis para este tipo de aeronave, entre elas a ingestão de gases quentes nas tubeiras de admissão, aumentos de pressão, temperatura e ruído, mudanças das forças de elevação, perdas de elevação e aumento de temperatura na fuselagem. A interação do jato de parede, resultante do impacto dos jatos de elevação no solo, com o escoamento livre leva à formação de vórtice de parede a montante do jato incidente. A forma do vórtice de solo resultante é fortemente afetada pelas condições do campo de escoamento e, devido ao escoamento ascendente, o efeito induzido de suckdown tende a ser reduzido. Passadas três décadas, as características do campo de escoamento associado a este tipo de aeronave tem sido exaustivamente estudada. Mas devido à grande complexidade das novas configurações das aeronaves VSTOL juntamente com requisitos muito rigorosos é de máxima importância a continuação da investigação deste tipo de escoamentos. Com o contínuo desenvolvimento das aeronaves VSTOL e a crescente dependência de técnicas de design computacional, é imperativo o melhoramento do conhecimento da aerodinâmica inerente à aeronave, mais propriamente aos jatos de elevação, quando esta opera com efeito de solo. Este trabalho é assim dedicado à continuação do trabalho experimental iniciado no decurso da tese de mestrado, ou seja, a análise detalhada do complexo campo de escoamento originado por dois jatos circulares de ar turbulentos em linha com um escoamento cruzado de baixa velocidade, incidentes numa superfície plana perpendicular ao eixo geométrico do bocal de saída do jato. As condições de saída do jato são mudadas no decurso do trabalho, de modo a entender o comportamento do campo de escoamento. De forma a completar a análise experimental e validar os seus resultados é também efetuado um estudo numérico detalhado, mantendo-se todas as condições que foram utilizadas no estudo experimental. Os resultados numéricos validam os resultados obtidos experimentalmente e revelam que a deflexão do segundo jato é devida às influências concorrentes da esteira, da camada de corte, do jato de parede a montante resultante do primeiro jato e do escoamento cruzado. A deflexão do primeiro jato e a localização do centro do vórtice de parede é dependente da razão de velocidades entre a saída do jato e da alteração da altura de impacto e o escoamento cruzado. Através da alteração da velocidade de saída do segundo jato é possível verificar a sua rápida deflexão, nunca tocando diretamente no solo, ou seja, o jato a jusante é arrastado pelo jato a montante (primeiro jato) e não pelo escoamento cruzado, como seria de esperar. Através da alteração da altura de impacto é possível observar a ausência de escoamento ascendente na região entre jatos de impacto, como era esperado. Nesta região inesperadamente é observada a formação de um segundo vórtice de solo, algo ainda não reportado na literatura.
Durante a fase em que uma aeronave de descolagem rápida/vertical e aterragem vertical paira no ar, um campo de escoamento tridimensional é criado entre o escoamento dos jatos de elevação, a superfície inferior da aeronave e o solo. O escoamento em torno da aeronave durante a fase de transição de voo pairado para voo convencional é de particular importância. Essa fase é dominada pelos fenómenos provocados pela interação dos jatos de elevação com o escoamento cruzado, devido ao aparecimento de um escoamento complexo na parte inferior da aeronave. Os jatos de parede, criados devido ao impacto de cada um dos jatos de elevação no solo, convergem para a linha de estagnação, formando um escoamento ascendente, como um “repuxo”, que interage com a aeronave. Por vezes, este escoamento ascendente fornece benefícios contribuindo para os efeitos de elevação da aeronave. No entanto, e na maior parte dos casos, o escoamento ascendente resultante produz características indesejáveis para este tipo de aeronave, entre elas a ingestão de gases quentes nas tubeiras de admissão, aumentos de pressão, temperatura e ruído, mudanças das forças de elevação, perdas de elevação e aumento de temperatura na fuselagem. A interação do jato de parede, resultante do impacto dos jatos de elevação no solo, com o escoamento livre leva à formação de vórtice de parede a montante do jato incidente. A forma do vórtice de solo resultante é fortemente afetada pelas condições do campo de escoamento e, devido ao escoamento ascendente, o efeito induzido de suckdown tende a ser reduzido. Passadas três décadas, as características do campo de escoamento associado a este tipo de aeronave tem sido exaustivamente estudada. Mas devido à grande complexidade das novas configurações das aeronaves VSTOL juntamente com requisitos muito rigorosos é de máxima importância a continuação da investigação deste tipo de escoamentos. Com o contínuo desenvolvimento das aeronaves VSTOL e a crescente dependência de técnicas de design computacional, é imperativo o melhoramento do conhecimento da aerodinâmica inerente à aeronave, mais propriamente aos jatos de elevação, quando esta opera com efeito de solo. Este trabalho é assim dedicado à continuação do trabalho experimental iniciado no decurso da tese de mestrado, ou seja, a análise detalhada do complexo campo de escoamento originado por dois jatos circulares de ar turbulentos em linha com um escoamento cruzado de baixa velocidade, incidentes numa superfície plana perpendicular ao eixo geométrico do bocal de saída do jato. As condições de saída do jato são mudadas no decurso do trabalho, de modo a entender o comportamento do campo de escoamento. De forma a completar a análise experimental e validar os seus resultados é também efetuado um estudo numérico detalhado, mantendo-se todas as condições que foram utilizadas no estudo experimental. Os resultados numéricos validam os resultados obtidos experimentalmente e revelam que a deflexão do segundo jato é devida às influências concorrentes da esteira, da camada de corte, do jato de parede a montante resultante do primeiro jato e do escoamento cruzado. A deflexão do primeiro jato e a localização do centro do vórtice de parede é dependente da razão de velocidades entre a saída do jato e da alteração da altura de impacto e o escoamento cruzado. Através da alteração da velocidade de saída do segundo jato é possível verificar a sua rápida deflexão, nunca tocando diretamente no solo, ou seja, o jato a jusante é arrastado pelo jato a montante (primeiro jato) e não pelo escoamento cruzado, como seria de esperar. Através da alteração da altura de impacto é possível observar a ausência de escoamento ascendente na região entre jatos de impacto, como era esperado. Nesta região inesperadamente é observada a formação de um segundo vórtice de solo, algo ainda não reportado na literatura.
Description
Keywords
VSTOL Jatos de impacto através de escoamento cruzado Efeito de solo Validação numérica Vórtice de parede