Numerical investigation of the unsteady lift of an oscillating trailing-edge flap

The objective of this study is to investigate the effects of an oscillating trailing-edge flap through numerical simulation. Therefore, a 2D model of a NACA 2412 airfoil with a plain flap hinged at 80% chord length is implemented. The software ANSYS Fluent 21.2 is used for the simulations and a RANS turbulence model κ − ω SST is employed. The primary parameters under scrutiny in this research are the mean flap angle , the amplitude, and the reduced frequency k leading to 60 different configuration to study. The motivation behind this investigation lies in the fact that while there is extensive literature recognizing the correlation between an increase in lift coefficient and frequency, the underlying mechanisms are not fully understood. The numerical simulation has been developed, taking reference from the experimental setup conducted by Bremm. This allows for a direct comparison during the validation process of the results obtained in the simulation. This work indeed confirms the primary trend of increasing lift with an increase in frequency. However, an interesting observation concerning the trend of drag data has been made. In the case of a mean flap angle of 8°, it is noted that there is an enhancement in the overall efficiency of the airfoil. This is due to the fact that drag does not exhibit an increase with frequency, as observed in other configurations. To comprehend this mechanism, an analysis of the flow field has been conducted. The analysis reveals that a potential mechanism contributing to both of these observed effects is the detachment of a vortex from the hinge during each oscillation cycle. This vortex is responsible of the creation of a low-pressure region, which travels downstream at the same velocity as the flow field. As the vortex interacts with the flap surface, it affects the aerodynamic loads in different ways as the frequency and consequently, the period of oscillation decreases. In addition to the 2D URANS model, a preliminary analysis of a simulation employing the Large Eddy Simulation (LES) model has been carried out. The preliminary analysis aims to assess the feasibility of using the LES model, as well as to evaluate the potential advantages and limitations, particularly with regard to the computational resources required for implementing this type of simulation. The thesis is written in collaboration with the Institute of Aerospace Systems (ILR) of the RWTH University of Aachen.

L'obiettivo di questa tesi è quello di studiare gli effetti di un airfoil con trailing-edge flap oscillante, attraverso simulazione nuemrica. Per fare ciò è stato utilizzato un modello 2D di un profilo NACA 2412 con il flap incernierato all'80% della lunghezza della corda. Per svolgere le simulazioni viene utilizzato il software ANSYS Fluent 21.2 e il modello di turbolenza RANS κ − ω SST. I parametri principali presi in esame in questa ricerca sono: l'angolo di incidenza iniziale del flap, l'ampiezza e la frequenza ridotta k, per un totale di 60 diverse configurazioni da studiare. La motivazione di questa indagine risiede nel fatto che, sebbene esista un'ampia letteratura che riconosce la correlazione tra l'aumento del coefficiente di portanza e l’aumento della frequenza di oscillazione, i meccanismi di tale fenomeno non sono pienamente compresi. La simulazione numerica è stata sviluppata prendendo come riferimento il setup sperimentale condotto da Bremm e ciò consente un confronto diretto durante il processo di validazione dei risultati ottenuti nella simulazione. L’esito di questo lavoro conferma la tendenza primaria all'aumento della portanza all'aumentare della frequenza. Tuttavia, è stata fatta un'interessante osservazione sull'andamento dei dati di resistenza aerodinamica. Nel caso di angolo di incidenza iniziale di 8° infatti, si nota un aumento dell'efficienza complessiva del profilo alare. Ciò è dovuto al fatto che la resistenza aerodinamica in questo caso non aumenta con la frequenza, come invece si osserva in altre configurazioni. Per comprendere meglio questo meccanismo, è stata condotta un'analisi del campo di flusso. Tale analisi rivela che un potenziale meccanismo che contribuisce agli effetti osservati sui carichi aerodinamici è il distacco di un vortice dalla cerniera durante ogni ciclo di oscillazione. Questo vortice è responsabile della creazione di una regione di bassa pressione, che viaggia a valle alla stessa velocità del campo di flusso. Poiché il vortice interagisce con la superficie del flap, influisce sui carichi aerodinamici in modi diversi al diminuire della frequenza e, di conseguenza, del periodo di oscillazione. Oltre al modello URANS 2D, è stata effettuata un'analisi preliminare di una simulazione che impiega il modello Large Eddy Simulation (LES). L'analisi preliminare mira a valutare la fattibilità dell'utilizzo del modello LES, nonché a valutarne i potenziali vantaggi e limiti, in particolare per quanto riguarda le risorse computazionali necessarie per implementare questo tipo di simulazione. La tesi è stata redatta in collaborazione con l'Istituto di Sistemi Aerospaziali (ILR) dell'Università RWTH di Aachen.