CFD Analysis of Plunging Flat Plates at Low-Reynolds Number

Abstract

A análise aerodinâmica em regime transiente passa pelo estudo de objetos sujeitos a oscilações e rotações e, portanto, possui uma forte associação com escoamentos bioinspirados. O principal objetivo desta dissertação é o estudo das características propulsivas de duas placas planas com bordo de fuga reto e afiado para um número de Reynolds, Re de 3, 1 × 10³ . A frequência reduzida, k, é mantida entre 1, 0 e 5, 0 com uma amplitude adimensional, h, variando entre 0, 125 e 0, 500. O problema é resolvido numericamente usando Dinâmica de Fluidos Computacional (DFC), e os resultados mostram que, contrariamente ao descrito na literatura para perfis alares, o coeficiente de tração médio, C_t, não aumenta monotonamente com a frequência reduzida, reduzindo em torno de k = 3, 0 para h = 0, 250. O mesmo não se verifica para o coeficiente de potência médio, C_P , aumentando continuamente com a frequência reduzida para todo o domínio de amplitude adimensional estudado. Analisando os contornos de pressão em torno das placas planas, uma zona de baixa pressão foi detetada perto do bordo de fuga, criando um efeito de sucção naquela zona. Ao analisar os parâmetros C_P e C_t ao longo de um período foi evidenciada a influência da recirculação, apresentando um forte impacto no coeficiente de tração. Contudo, os resultados evidenciam a influência de outro fenómeno. A evolução do vórtice de bordo de ataque com k foi analizada, recorrendo a uma distancia normalizada entre o centro do vórtice e a superfície da placa plana, resultando num comportamento similar ao de C_t previamente observado. É realizada uma tentativa de relacionar os fenómenos observados com o número de Strouhal, St, identificando-se um carácter previsível dos parâmetros de desempenho no intevalo 0 ≤ St ≤ 1. A geometria do bordo de fuga aparenta ter influência nos coeficientes propulsivos obtidos, sendo, na sua generalidade, os valores de C_P mais altos e os de C_tmais baixos para a placa de bordo de fuga reto, relativamente à placa de bordo de fuga afiado.

Alternate abstract:

Unsteady aerodynamics include the study of flows that pass an object subjected to oscillations, and therefore, has a strong link with bioinspired flows and flapping airfoils. The central objective of the dissertation is to study the propulsive characteristics of two flat plates at a Reynolds number, Re, of 3.1 × 10³ with straight and sharp trailing edges. The reduced frequency, k, is kept between 1.0 and 5.0 with a nondimensional amplitude, k, ranging between 0.125 and 0.500. The problem is solved numerically using Computational Fluid Dynamics (CFD), and results show that different from what is typically observed in airfoils, the mean thrust coefficient, C_t, does not increase monotonically with the reduced frequency, for h = 0.250, having a dip around k = 3.0. The same is not verified for the mean power coefficient, CP , which increases continuously with the reduced frequency for the entire dimensionless amplitude domain studied. Through analysis of pressure contours around the flat plates, a low-pressure zone was detected near the trailing edge, creating a suction effect in that zone. By analyzing the C_P and C_t over one period, the recirculation influence was evidenced, displaying a strong effect on the thrust coefficient parameter. However, results also show the influence of another phenomenon. The LEV’s evolution with k was analyzed, via the normalized distance between its center and the surface of the plate, evidencing a behavior similar to the C_t one previously observed. An attempt to relate the phenomena with the Strouhal number, St, was made, identifying a predictable feature of the performance parameters for St ranging between 0 and 1. The trailing-edge shape revealed to influence the propulsive coefficients, being the overall C_P values higher and the C_tlower for the flat plate with a straight trailing edge, when compared to the plate with a sharp one.