Control of flow around a low Reynolds number airfoil using longitudinal strips

Abstract

본 연구에서 종방향 스트립을 익형의 표면에 설치하여 실속을 제어하였다. 종방향 스트립에 의한 실속 지연과 유동 제어 메커니즘을 실험적으로 규명하였다. 익형은 SD7003이며, 자유류 속도와 익형 코드 길이를 기준으로 하는 레이놀즈 수는 60,000과 180,000이다. 스트립이 있는 경우와 없는 경우 각각에 대해 받음각을 0°에서 16° 까지 변화시키며 양력과 항력을 직접 측정하였다. 스트립의 최적 형상은 반응표면법(Response surface method)에 의해 얻어졌다. 스트립이 없는 경우에, 레이놀즈 60,000과 180,000에서 급격한 실속이 각각 11°와 13°에서 일어났다. 반면, 최적 형상을 갖는 strip이 설치되었을 때 이러한 급격한 실속이 발생되지 않는다. 이러한 스트립에 의해 실속 이후 양력 계수는 현저히 증가되었으며, 항력 계수는 감소되었다. 코너 볼텍스가 익형의 선단 부근의 strip의 양 코너에서 발생함을 확인하였다. 시계방향 및 반시계 방향의 유선형 볼텍스가 각각 스트립의 왼쪽 및 오른쪽 코너에서 발생하였으며, 이는 하류로 이동함에 따라 점차 모서리에서 멀어지게 된다. 이러한 볼텍스들은 익형의 흡입면에 추가적인 모멘텀을 공급하여 결과적으로 스트립에서의 부착유동을 유지하게 함과 동시에 익형 위에서의 선단 유동 박리를 재부착시키게 된다. 이러한 종방향 스트립은 이전의 낮은 레이놀즈 수 조건에서 실속을 제어하기 위한 제어장치인 와류 발생기나, 트립 와이어, 버스트 제어판(Burst control plate) 등과 차별점을 갖는다. 즉, 스트립은 상대적으로 매우 작은 높이 (경계층 높이보다 작은)를 가짐과 동시에 전체 익형 표면에 설치됨으로써 효과적인 실속 제어 효과를 가짐에도 실속 이전의 낮은 받음각에서의 공력 성능 에 크게 영향을 주지 않게 된다. 종방향 스트립의 실제 적용 가능성을 확인하기 위해 스트립을 수직축 풍력 발전기(VAWT) 모델에 적용하여 실험적으로 발전 성능의 향상을 확인하였다. 이 때, 수직축 풍력 발전기에서 익형은 주기적인 받음각의 변동을 겪기에 일반적으로 대칭 익형을 사용하게 된다. NACA0018 익형이 널리 쓰이며, 이에따라 실제 수직축 풍력 발전기에 스트립을 적용하기 전에 NACA0018 익형에 스트립을 적용하여 양력 및 항력을 측정함으로써 실속 제어 효과를 조사하였다. SD7003에서와 동일하게 급격한 실속 현상이 스트립에 의해 사라지며 그 결과 실속 이후의 높은 받음각에서 매우 향상된 양항비를 가짐을 확인하였다. VAWT 모델에 스트립을 적용하여 발전 성능을 측정한 결과, 스트립에 의해 성능 계수가 상승함을 확인하였으며, 이는 스트립의 실속 제어 장치로서의 실제적 가능성을 보여준다 할 수 있다.

We suggest longitudinal strips attached to an airfoil surface as a new stall control device. Their effects on the stall delay and flow modifications are experimentally investigated. The airfoil considered is SD7003 and the Reynolds numbers are Re = 60,000 and 180,000 based on the chord length and freestream velocity. The drag and lift forces on the airfoil are measured by varying the angle of attack from α = 0° to 16° with and without strips. The optimal strip configuration is determined using a response surface method. Without strip, an abrupt stall occurs at α = 11° and 13° for Re = 60,000 and 180,000, respectively, whereas the abrupt stall disappears with optimal strips. The lift and drag coefficients are significantly increased and decreased by the strips, respectively, at post-stall angles of attack. A corner vortex is generated at each corner of strip near the leading edge. Clockwise and counter-clockwise streamwise vortices are generated at the left- and right-facing corners, respectively, and they slowly move away from the corners while travelling downstream. These vortices provide additional momentum to the airfoil suction surface, resulting in fully attached flow above the strips and reattachment of flow above grooved surface. The longitudinal strips presented here are different from other devices such as the vortex generator, trip wire and burst control plate used for the stall control of low Reynolds number airfoil, in that the strips are installed nearly on the whole airfoil surface but with their heights lower than the boundary layer thickness, and produce positive control effects at post-stall angles of attack but little affect the aerodynamic performance at pre-stall angles of attack. To examine the applicability of the strips, we installed the strips to the vertical axis wind turbine (VAWT) model. For VAWTs a symmetric airfoil is commonly used because of the periodic change of angle of attack (minus to plus). NACA0018 airfoil is widely used, then we investigate the stall control effect of the strips by directly measuring drag and lift forces. The abrupt stall is modified to a broad stall and the lift-to-drag ratio in a post-stall region is significantly enhanced with the strips. In a VAWT models, the strips also increasing the performance of the wind turbine model showing that the applicability of the strips as a stall control devices.