vortex generator

   نویسنده : امیر علی چمن خواه 

آیا تا به حال با پدیده‌ی جریان های گردابی یا vortex generator آشناشده اید؟ در این مقاله با تاثير اثرات  مثبت و منفی آنها  بر روی پرواز هواپیما ها آشنا خواهیم شد و عملکرد تیغه های ورتکس جنریتور را مورد بررسی قرار خواهیم داد.

 ورتکس جنریتور به طور کلی ساختارهایی هستند که برای ایجاد جریان هوا یا سیال در یک شکل معین استفاده می‌شوند. این سازه‌ها در مهندسی هوافضا، خودروسازی، و صنایع دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند. به‌ طور خاص، در هوانوردی، ورتکس جنریتور برای بهبود عملکرد بال‌ها یا سطوح فشار زنی (به عنوان مثال بر روی بدنه هواپیما) استفاده می‌شوند. این ابزارها می‌توانند جریان هوا را هدایت کرده و از ایجاد توربولانس جلوگیری کنند، که به بهبود کارایی و کاهش مقاومت هوا کمک می‌کند.

 ورتکس جنریتور معمولاً از سطوح کوچک آیرودینامیکی  تشکیل شده‌اند که الگوهای ورتکسی را در جریان هوا ایجاد می‌کنند. این الگوها می‌توانند به عنوان پره‌ها، نوک‌های برش، یا تبدیل‌های مشابه عمل کنند. با ایجاد ورتکس‌های کنترل شده،‌ ورتکس جنریتور می‌توانند جریان هوا را به سمتی کنترل کنند که بهبود عملکرد سیستم مورد نظر را فراهم می‌کند. این فناوری در زمینه‌های مختلفی مانند هوافضا و هوانوردی، خودروسازی، انرژی بادی و حتی در پرواز پرنده‌هایی مانند پرنده‌ها در آسمان استفاده می‌شود. در فارسی به  vortex generator مولد گردباد گویند.

مولد گردباد اغلب برای تاخیر از جدا شدن جریان هوای سطح بال استفاده می‌شود. برای حل این مشکل مولد گردبادها را در سطح خارجی وسیله نقلیه قرار می‌دهند. در هواپیما آن‌ها در یک سوم اول بال به منظور حفظ جریان هوای پایدار بر روی سطوح کنترل لبه فرار (trailing Edge) نصب می‌کنند و عموماً مثلثی یا چهار گوش هستند که ارتفاع آن‌ها حدوداً ۸۰٪ ارتفاع لایه مرزی و در یک ردیف از طول بال نزدیک ضخیم‌ترین قسمت چیده شده‌اند. آن‌ها را می‌توان بر روی بال‌ها و قسمت عمودی دم دید. مولد گردبادها به صورت مورب قرار گرفته‌اند به‌طوری‌که به نسبت جریان هوای عبوری از آن منطقه زاویه حمله (angle of attack) تولید می‌کنند.

زمانی که به عنوان مثال دو لایه هوا بر روی يکديگر به حرکت درمی آیند هر دو لایه بر روی يکديگر سایده شده که این ساید گی باعث ایجاد نیروی اصطکاک می شود و باعث می گردد که لایه ای که دارای سرعت کمتری می باشد شتاب گرفته و لایه ای که سرعت بالایی دارد شتابی کاهنده بگیرد حال زمانی که جریان هوا از روی سطوح بال هواپیما عبور می‌کند چنین اتفاقی می‌افتد یعنی این نیرو بین سطح بال و جریان هوا بوجود می آید به گونه ای که سرعت جریان هوا بروی سطح بال برابر با صفر می‌شود. حال هرچه از سطح بال فاصله بگیریم سرعت جریان هوا افزایش می‌یابد تا جایی که برابر با سرعت جریان نسبی هوا در اطراف هواپیما می‌گردد. به این حد فاصل لایه مرزی گفته می‌شود.لایه مرزی به دو دسته آرام و متلاطم دسته بندی می‌گردد. 

زمانی که جریان هوا شروع به حرکت از روی بال هواپیما  می‌کند به دلیل کاهش فشار، هوا به سمت نقطه ای از سطح بال که دارای حداکثر انحنا می‌باشد شتاب می‌گیرد. در طول این مسیر لایه مرزی آرام می‌باشد. پس از عبور از این نقطه، فشار هوا افزایش یافته و در نتیجه جریان هوا از منطقه کم فشار به سمت منطقه پرفشار فرستاده می‌شود. 

مشکلی که به وجود می‌آید این است که طبق قانون طبیعت همیشه هوا تمایل به حرکت از منطقه پرفشار به سمت منطقه کم فشار را دارد اما در این مرحله جریان هوا از منطقه کم فشار به سمت منطقه پرفشار انتقال داده می‌شود. این امر باعث ایجاد Adverse pressure gradient شده و لایه مرزی را متلاطم می‌کند. 

زمانی که لایه مرزی متلاطم شود در حقیقت انرژی در داخل این جریان متلاطم هدر رفته و از دست می‌رود و باعث ایجاد نوعی اصطکاک به نام Skin friction drag میشود که در نهایت باعث جدا شدن جریان هوا از روی بال می‌گردد.  

این جدا شدن به خصوص در زمانی که هواپیما در حال پرواز در سرعتهای پایین می‌باشد، به عنوان مثال به هنگام تقرب نهایی جهت انجام فرود، میتواند باعث ایجاد Stall گردد. Stall یا واماندگی به معنی از دست دادن نیروی Lift می‌باشد. 

برای بالا بردن کارایی هواپیما از تیغه های کوچکی به نام Vortex generator بر روی بال هواپیماها استفاده می‌شود.