Eksperymentalne i numeryczne badania opływu śmigła.... / Politechnika Lubelska

Środki finansowe przyznane przez Narodowe Centrum Nauki na realizację projektu badawczego

Tytuł projektu: Eksperymentalne i numeryczne badania opływu śmigła toroidalnego statku powietrznego z napędem jonowym

Tytuł w j. angielskim: Experimental and numerical study of toroidal propeller streamlining of ion-powered aircraft

Numer umowy: UMO-2024/53/N/ST8/04079

Okres realizacji: 10.02.2025 - 09.02.2027

Wartość projektu: 139 990,00 PLN

Wartość przyznanych środków: 139 990,00 PLN

Kierownik projektu: mgr inż. Rafał Bartłomiej Kliza

Słowa kluczowe: Napęd jonowy, mechanika jonów, symulacja elektroaerodynamiczna, śmigło toroidalne, aerodynamika

Streszczenie popularnonaukowe:

Wyładowania koronowe wokół przewodników elektrycznych są znane od początku XVIII wieku. Okazuje się bowiem, że w specyficznych warunkach, np. kiedy pomiędzy przewodami elektrycznymi linii wysokiego napięcia panuje różnica potencjałów, wyładowania koronowe na powierzchni tych przewodów powodują wytwarzanie wiatru. Powietrze przemieszcza się wtedy od przewodu o wyższym napięciu do przewodu o niższym napięciu. Taki przepływ powietrza nazywany jest wiatrem jonowym. Co prawda zaobserwowanie tego zjawiska w liniach przesyłowych przyjęto jako skutek uboczny stosowania wysokiego napięcia i uznano za niekorzystne. Jednak pojawił się pomysł, aby wykorzystać wiatr jonowy w innym– pożytecznym celu. Naukowcy na całym świecie próbują wykorzystać zjawisko wyładowań koronowych jako źródło napędu lekkich bezzałogowych statków powietrznych. Przykładem są prace prof. Adamiaka z Uniwersytetu w Ontario, który prowadząc badania stworzył lekkie urządzenie w kształcie trójkąta i nazwał je „levitation unit”. Ten mały układ składający się praktycznie tylko z elektrody koronowej i uziemionej był w stanie wygenerować na tyle duży wiatr jonowy aby unieść urządzenie. Najnowszym osiągnięciem w tej dziedzinie jest lekki bezzałogowy samolot z MIT, który do napędu również wykorzystywał siły Coulomba do generowania ciągu napędowego. Co prawda lot wykonano w sali gimnastycznej uniwersytetu i samolot leciał na dystansie 15 metrów, jednak był to kolejny krok naprzód w dziedzinie napędów wykorzystujących elektroaerodynamikę. Przedmiotem naszego projektu jest opracowanie mechatronicznego układu generowania przepływu powietrza z użyciem wysokich napięć prądu elektrycznego służącego do napędzania śmigła toroidalnego. W przeciwieństwie do obecnych badań prowadzonych na świecie, gdzie wiatr jonowy jest bezpośrednim źródłem wytwarzania ciągu, nasz projekt zakłada wykorzystanie mechaniki jonów powietrza do napędu śmigła toroidalnego. Zostanie zbudowany specjalny układ generujący wiatr jonowy będący efektem zderzeń jonów z neutralnymi elektrycznie molekułami powietrza w dedykowanym układzie elektrod pracujących w warunkach wysokiego napięcia. Celem projektu będzie zbadanie fizyki generowania przepływu powietrza za pomocą sił Coulomba oraz ich wpływ na aerodynamikę rotora nośnego. Na podstawie naszych wstępnych rozważań sformułowaliśmy hipotezę badawczą zakładającą, że w porównaniu z dotychczasowym opływem rotora nośnego statku powietrznego bez oddziaływania siły Coulomba obecność przepływu wywołanego ruchem jonów zwiększy siłę nośną działającą na rotor. Metodyka badań obejmuje swoim zakresem dwie dziedziny nauki co czyni projekt interdyscyplinarnym. Model fizyczny zjawisk zachodzących w napędzie jonowym zawiera w sobie zarówno zjawiska elektrostatyczne oraz prawa rządzące aerodynamiką. Celem projektu jest opracowanie skutecznego modelu obliczeniowego służącego do symulacji różnych rozwiązań konstrukcyjnych śmigła toroidalnego napędzanego siłami Coulomba a także wykonanie działającego modelu rzeczywistego. Planujemy skupić się na stworzeniu stanowiska badawczego ze śmigłem napędzanym wiatrem jonowym w celu zebrania niezbędnych danych eksperymentalnych. Posłużą one jako parametry wejściowe do symulacji komputerowych. Następnie przeprowadzone zostaną zaawansowane symulacje komputerowe w celu wykonania skutecznego modelu obliczeniowego w środowisku komputerowym. Symulacje posłużą do wprowadzenia poprawek w uprzednio skonstruowanym stanowisku badawczym w celu optymalizacji jego parametrów pracy. Walidacja danych z modelu badawczego oraz komputerowego modelu obliczeniowego, będzie szansą dla lepszego zrozumienia zjawisk zachodzących w badanym układzie oraz zdobycia wiedzy i umiejętności w tworzeniu zaawansowanych symulacji elektroaerodynamicznych. Do realizacji projektu zostanie użyte specjalistyczne oprogramowanie COMSOL Multiphysics będące skutecznym narzędziem obliczeniowym. Badania eksperymentalne zostaną przeprowadzone na stanowisku badawczym wykorzystującym istniejące już łopaty wykonane w technologii laminowania. Pomiary parametrów aerodynamicznych fizycznego modelu śmigła będą mogły odbyć się w tunelu aerodynamicznym wykorzystującym precyzyjną wagę pomiarową. Ponadto zmierzone zostaną wielkości elektryczne układu przy wykorzystaniu specjalistycznej aparatury pomiarowej. Specyfika elektroaerodynamiki polega na bardzo złożonych i wzajemnie zachodzących zjawiskach fizycznych. Realizacja projektu badawczego będącego przedmiotem niniejszego wniosku pozwoli na pozyskanie licznych wyników pokazujących związki pomiędzy zjawiskami elektrostatycznymi i aerodynamicznymi zachodzącymi w układzie generowania wiatru jonowego. Przeprowadzone badania pozwolą na dokładniejsze poznanie mechaniki zderzeń jonów z molekułami powietrza oraz wyznaczenie progu efektywności zastosowania takiego układu napędowego do napędu bezzałogowych statków powietrznych. Pojawi się także nowy problem naukowy związany z wpływem wiatru jonowego generowanego siłami Coulomba na aerodynamikę śmigła toroidalnego. Nikt jeszcze nie badał tego aspektu w odniesieniu do układów wyładowań koronowych. Planuje się też zbadanie nowatorskiego pomysłu wpływu rotacji układu elektrod na efektywność produkcji jonów powietrza.