فرادرسایرفویل (Airfoil) چیست؟ – از صفر تا صد
پیش‌تر در وبلاگ فرادرس به بررسی مفاهیم اولیه آیرودینامیک و انجام آزمایش‌های تجربی در تونل باد پرداخته شد. همانطور که اشاره شد، ممکن است بال هواپیما و یا پره توربین‌های باد، سطح مقطع‌های متفاوتی در طول خود داشته باشند. این سطح مقطع‌ها، ایرفویل نامیده می‌شوند. در واقع ایرفویل، سطح مقطع بال هواپیما و پره انواع مختلف توربوماشین‌ها مانند توربین‌ها، پمپ‌ها و کمپرسورها است که برای تولید نیروهای آیرودینامیکی مانند لیفت و درگ طراحی شده است.
این مطلب ابتدا به تعریف ایرفویل و بررسی پارامترهای مختلف هندسی آن می‌پردازد. در ادامه تعاریفی مانند مرکز فشار و مرکز آیرودینامیکی به صورت دقیق مورد مطالعه قرار می‌گیرند و در انتهای مطلب نیز انواع مختلف ایرفویل مورد استفاده در صنایع مختلف، معرفی می‌شوند. همچنین انواع ایرفویل‌های ناکا در مطلب «ایرفویل های ناکا (NACA Airfoils) — از صفر تا صد» مورد بررسی قرار گرفته است.
ایرفویل چیست؟
همانطور که اشاره شد، سطح مقطع بال هواپیما، پره توربین باد و هلیکوپتر را ایرفویل می‌نامند. ایرفویل‌ها می‌توانند هندسه‌های متفاوتی داشته باشند. همچنین برای ساخت یک بال هواپیما از ایرفویل‌های مختلفی استفاده می‌شود. انتخاب مناسب این ایرفویل‌ها برای کاربردهای مختلف به ویژگی‌های آیرودینامیکی ایرفویل بستگی دارد.
برای مقایسه بهتر و تمیز دادن ساختار انواع ایرفویل‌ها، نا‌م‌گذاری‌های معینی برای ایرفویل‌های مختلف انجام شده است و این نام‌گذاری‌ها به عنوان یک قرارداد در علم آیرودینامیک مورد استفاده قرار می‌گیرد.
شکل بالا یک ایرفویل نامتقارن را به تصویر کشیده است. اجزای مختلف نشان داده شده در شکل بالا شامل، «لبه فرار» (Trailing Edge)، «لبه حمله» (Leading Edge)، «خط انحنا» (Camber Line) یا کمبر، «وتر» (Chord Line) ایرفویل، سطح بالا و پایین، بیشترین انحنا و ضخامت و «زاویه حمله» (Angle of Attack) هستند و در ادامه به معرفی آن‌ها پرداخته می‌شود.
وتر ایرفویل
وتر ایرفویل خطی است که لبه حمله و لبه فرار آن را به یکدیگر متصل می‌کند. در واقع این عبارت، فاصله مستقیم بین لبه حمله و لبه فرار ایرفویل‌ها را نشان می‌دهد. این طول کاربرد بسیار زیادی در توربوماشین‌ها و علم هوافضا دارد. برای مثال در این مسائل از طول وتر ایرفویل برای تعریف عدد رینولدز به شکل زیر استفاده می‌شود.
در این رابطه c طول وتر ایرفویل را نشان می‌دهد و ρ ،V و μ نیز به ترتیب نمایش دهنده سرعت جریان ورودی، چگالی و ویسکوزیته هستند.
لبه حمله
لبه حمله، قسمتی از ایرفویل است که اولین ذرات سیال برای اولین بار با ایرفویل برخورد می‌کنند. لبه حمله یکی از حساس‌ترین نقاط ایرفویل‌ها در تحلیل‌های آیرودینامیکی به کمک معادلات ناویر استوکس در نظر گرفته می‌شود و شبیه‌سازی درست جریان در این نقطه، چالش اساسی در پمپ‌ها و کمپرسورهای گریز از مرکز است.
زمانی که ایرفویلی به صورت متقارن داشته باشیم و زاویه حمله در آن برابر صفر درجه باشد، نقطه سکون، دقیقا روی لبه حمله قرار می‌گیرد و سرعت در آن نقطه برابر با صفر است.
لبه فرار
لبه فرار نقطه انتهایی ایرفویل‌ها را نشان می‌دهد. این نقطه آخرین نقطه‌ای از ایرفویل است که ذرات سیال با آن برخورد می‌کنند. لبه فرار نیز مانند لبه حمله، یکی از نقاط حساس در ایرفویل‌ها است که باعث ایجاد یک ناپیوستگی در انتهای ایرفویل می‌شود. این ناپیوستگی به عنوان منبع اصلی نویزهای آیرودینامیکی در توربین‌های باد عمل می‌کند. شکل زیر نویز منتشر شده از لبه فرار یک ایرفویل را به تصویر کشیده است.
نکته دیگر این است که محاسبه صحیح پارامترهای مختلف جریان سیال اطراف ایرفویل‌ها، نیازمند رعایت «شرط کوتا» (Kutta Condition) در لبه فرار است. در واقع بدون رعایت شرط کوتا، معادلات ناویر استوکس چندین جواب اطراف ایرفویل‌ها را ارائه می‌دهند و این شرط، حل صحیح را از بین تمام حل‌های موجود انتخاب می‌کند.
سطح پایینی و بالایی ایرفویل
سطح کلی ایرفویل به دو بخش کلی تقسیم می‌شود. سطحی که در قسمت پایین بین لبه حمله و لبه فرار، قرار گرفته را سطح پایینی ایرفویل می‌نامند و سطح بالایی ایرفویل، قسمت بالایی بین لبه حمله و لبه فرار در نظر گرفته می‌شود.
زمانی که ایرفویل زاویه حمله مثبت (مطابق شکل 1) دارد، فشار در سطح پایین ایرفویل زیاد است و این قسمت، «سطح فشار» (Pressure Surface) نامیده می‌شود. در این شرایط، فشار در سطح بالا، مقدار کمی دارد و این قسمت، «سطح مکش» (Suction Surface) نامیده می‌شود. در واقع نیروی لیفت، نیرویی است که جهت آن از سمت فشار به سمت مکش ایرفویل در نظر گرفته می‌شود. این دو سطح در شکل زیر به تصویر کشیده شده‌اند.
خط انحنا
خط انحنا نشان داده شده در شکل ۱ را «خط انحنا متوسط« (Mean Camber Line) نیز می‌نامند. این خط، لبه حمله و لبه فرار را طوری به یکدیگر وصل می‌کند که تمام نقط آن در میانه سطح بالا و پایین ایرفویل قرار گرفته باشد.
در واقع این خط، حاصل اتصال نقاط میانه سطح مکش و فشار ایرفویل به یکدیگر است. نکته مهمی که باید به آن اشاره کرد این است که در ایرفویل‌های متقارن، خط انحنا میانگین و خط وتر روی یکدیگر قرار می‌گیرند. شکل زیر یک ایرفویل متقارن ناکا 0012 با به تصویر کشیده است.
بیشترین انحنا و بیشترین ضخامت
نقطه‌ای که در آن، فاصله بین خط وتر و خط انحنا میانگین، بیشترین مقدار ممکن است را مکان بیشترین انحنا می‌نامند و نقطه‌ای که در آن فاصله بین صفحه بالایی و پایینی بیشترین مقدار ممکن است، مکان بیشترین ضخامت نامیده می‌شود.
توجه شود زمانی که ایرفویل به صورت متقارن باشد، انحنا در تمامی نقاط برابر با صفر است ولی مکان بیشترین ضخامت نیاز به اندازه‌گیری دارد.
زاویه حمله
زاویه حمله در ایرفویل‌ها، نشان دهنده زاویه‌ای است که سرعت نسبی جریان ورودی به ایرفویل برخورد می‌کند. بنابراین زاویه بین خط وتر و سرعت نسبی جریان ورودی را زاویه حمله می‌نامند. این مورد در شکل زیر به تصویر کشیده شده است.
سرعت نسبی جریان باد
سرعت نسبی جریان باد، جریان هوا نسبت به ایرفویل را نشان می‌دهد که با حرکت ایرفویل درون هوا ایجاد می‌شود. برای مثال در توربین‌های باد، سرعت نسبی جریان هوا حاصل برآیند سرعت دورانی پره و سرعت جریان ورودی هوا است. حاصل برآیند این سرعت‌ها در رابطه رینولدز وارد می‌شود و زاویه حمله نیز با استفاده از همین سرعت برآیند محاسبه می‌شود.
سرعت نسبی کاربرد بسیار زیادی در مسائل مختلف آیرودینامیک و توربوماشین دارد، به عنوان مثال این مفهوم، پارامتر بسیار مهمی در محاسبه مثلث‌های سرعت در علم توربوماشین است.
مرکز فشار و مرکز آیرودینامیکی
یکی از مباحث بسیار مهم در آیرودینامیک ایرفویل، تعریف مرکز فشار و مرکز آیرودینامیکی و بیان تفاوت میان این دو مفهوم است. در ادامه این دو پارامتر مورد مطالعه قرار گرفته می‌شوند.
مرکز فشار
مرکز فشار، نقطه‌ای در طول خط وتر است که فرض می‌شود، برآیند تمام نیروهای آیرودینامیکی در آن نقطه وارد شده‌اند. همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده، فشار روی سطح ایرفویل متغیر است. بنابراین در مسائل مختلف، نیاز به تعریف نقطه‌ای داریم که حاصل جمع توزیع فشار، در آن نقطه اعمال می‌شود. مکان این نقطه با استفاده از رابطه انتگرالی زیر قابل محاسبه است.
همانطور که نشان داده شد، شیوه محاسبه مرکز فشار بسیار مشابه با روش محاسبه مرکز جرم است. با این تفاوت که مرکز جرم، مکان اعمال میانگین جرم را تعیین می‌کند ولی مرکز فشار، نشان دهنده مکان اعمال میانگین فشار است.
زمانی که زاویه حمله در یک ایرفویل تغییر می‌کند، نیروهای فشاری نیز جابه‌جا می‌شوند و اندازه آن‌ها در مکان‌های مختلف تغییر می‌کند، بنابراین مکان مرکز فشار با تغییر زاویه حمله جابه‌جا می‌شود. این مورد در شکل زیر به تصویر کشیده شده است.
همانطور که در شکل بالا نشان داده شده، با افزایش زاویه حمله، مرکز فشار به سمت لبه حمله حرکت می‌کند.
مرکز آيرودینامیکی
همانطور که اشاره شد، زمانی که ایرفویل از درون سیال عبور می‌کند، سرعت سیال اطراف این ایرفویل، در طول سطح متغیر خواهد بود. این توزیع متغیر سرعت، در نهایت باعث ایجاد توزیع متغیر فشار در سطح ایرفویل می‌شود. مکان میانگین تغییرات فشار، در قسمت قبل محاسبه و با نام مرکز فشار نمایش داده شد.
نکته مهم این است که این توزیع فشار اطراف ایرفویل، باعث اعمال گشتاور به جسم نیز می‌شود. در واقع اگر کنترلی روی ایرفویل وجود نداشته باشد، زمانی که این ایرفویل در جریان هوا عبور می‌کند شروع به چرخش و رقصیدن می‌کند.
همانطور که در قسمت قبل نشان داده شد، با افزایش زاویه حمله، توزیع سرعت و فشار و در نتیجه مرکز فشار تغییر می‌کند. بنابراین با توجه به تغییر مکان مرکز فشار، استفاده از آن برای تحلیل آیرودینامیکی ویژگی‌های مختلف ایرفویل، کار تحلیل را بسیار پیچیده می‌کند.
گشتاور وارد بر ایرفویل در هر نقطه دلخواهی قابل محاسبه است. نکته مهمی که باید به آن اشاره کرد این است که برآیند نیروها در یک زوایه حمله خاص ایرفویل همواره یکسان است ولی گشتاور به مکانی که نیرو بر آن وارد می‌شود بستگی دارد. بنابراین ما به دنبال تعریف نقطه‌ای برای تحلیل آیرودینامیکی نیروهای وارد بر ایرفویل هستیم که مکان آن با تغییر زاویه حمله تغییر نداشته باشد.
به صورت تئوری و آزمایشگاهی قابل اثبات است که اگر در ایرفویل‌هایی با عدد رینولدز پایین، نیروی آيرودینامیکی در نقطه‌ای به فاصله 1/4c از لبه حمله ایرفویل وارد شود (c طول وتر ایرفویل است)، اندازه گشتاور آیرودینامیکی تقریبا با تغییر زاویه حمله تغییر نمی‌کند. مهندسان مکانیک، مکانی که گشتاور آیرودینامیکی وارد بر ایرفویل ثابت باقی می‌ماند را مرکز آیرودینامیکی می‌نامند. این موضوع در شکل زیر به تصویر کشیده شده است.
انواع ایرفویل
نکته دیگر این است که ایرفویل‌ها انواع مختلفی دارند، دسته‌ای از آن‌ها برای اعداد رینولدز پایین طراحی شده‌اند. دسته‌ای دیگر از ایرفویل‌ها در هواپیماهای با سرعت بالاتر از سرعت صوت مورد استفاده قرار می‌گیرند. نوع دیگری از ایرفویل‌ها نیز وجود دارند که برای استفاده در توربین‌های باد طراحی شده‌اند. در واقع همانطور که مشاهده می‌شود، استفاده از ایرفویل در صنایع و کاربردهای مختلف، نیاز به طراحی‌های گوناگونی نیز دارد.
نکته دیگر این است که در یک پره توربین باد ممکن است یک و یا چند ایرفویل در مقاطع و فواصل مختلف مورد استفاده قرار بگیرد. به همین دلیل طراحی ایرفویل امری بسیار پیچیده در آیرودینامیک است. شکل زیر انواع ایرفویل برای کاربردهای مختلف را به تصویر کشیده است.
همانطور که مشاهده می‌شود، ضخامت ایرفویل و انحنای آن در کاربردهای مختلف، کاملا متفاوت است. برای مثال قیق بادبانی و توربوفن از ایرفویل‌های نازکی استفاده می‌کنند در حالی که پره ملخ، ایرفویل نسبتا ضخیمی را مورد استفاده قرار می‌دهد. همچنین مشاهده می‌شود که با افزایش سرعت هواپیما‌ها ضخامت ایرفویل آن‌ها نیز کاهش پیدا می‌کند.
همانطور که بیان شد تعریف دقیق مفاهیم و پارامترهای مختلف ایرفویل‌ها یکی از مباحث بسیار مهم در آیرودینامیک و توربوماشین است. ایرفویل سطح مقطع یک پره سه‌بعدی توربین باد و یا بال هواپیما را نشان می‌دهد و طراحی این ایرفویل‌ها با توجه به کاربردهای مختلفی که دارند، متفاوت است. یکی از انواع طراحی‌های ایرفویل، توسط شرکت ناسا انجام شده است. این ایرفویل‌ها تحت عنوان ایرفویل ناکا شناخته می‌شوند.
این مطلب، ابتدا تعریفی دقیق از ایرفویل و پارامترهای هندسی آن ارائه داده است. در ادامه دو پارامتر بسیار مهم یعنی مرکز فشار و مرکز آیرودینامیکی مورد بررسی قرار گرفتند و در انتهای مطلب نیز انواع گوناگون ایرفویل مورد استفاده در صنایع مختلف معرفی شدند.
در صورتی که به مباحث ارائه شده، علاقه‌مند هستید و قصد یادگیری در زمینه‌های مطرح شده در مکانیک سیالات را دارید، آموزشهای زیر به شما پیشنهاد می‌شود:
- مجموعه آموزشهای دروس مهندسی مکانیک
- مجموعه آموزشهای نرم‌افزارهای مهندسی مکانیک
- آیرودینامیک (Aerodynamics) چیست؟ — از صفر تا صد
- نیروهای آیرودینامیکی — چگونه یک جسم به پرواز در می‌آید؟
- مومنتوم زاویه‌ای (Moment of Momentum) در سیالات — آموزش سریع و ساده
- مومنتوم خطی (Linear Momentum) در سیالات — از صفر تا صد
- معادلات ناویر استوکس (Navier Stokes) — از صفر تا صد
- توربوماشین (Turbomachinery) — به زبان ساده
- ایرفویل های ناکا (NACA Airfoils) — از صفر تا صد
^^
ممنون عالی بود
بله تقریبا هر انچه خواستم فهمیدم
عالییییی ممنون از توضیحات کامل تعاریف
سلام
ممنون عالی بود
اگر کسی مدرکش دیپلم معماری باشه اما به اندازه طراح آیرودینامیک بلد باشه چجوری باید استعداد خودش نشان بده