بهینه سازی آئرودینامیکی مقطع بال در زاویه حمله بالا با دمش-مکش با استفاده از الگوریتم ژنتیک

کنترل فعّال جریان سیال بر روی مقطع بال، شاخه مهمی در صنعت هوافضاست. مطالعات پیشین بر روی روند بهینه¬سازی کنترل جریان بر اساس سعی و خطا، دانش و خلاقیت طراح استوار بوده است. چنین رهیافتی نمی¬تواند در مدت زمان کم، کیفیت و سرعت طراحی را بالا برد. بهره¬مندی موفقیت آمیز از دینامیک سیالات محاسباتی، و الگوریتم جستجوی کارآمد برای بهینه¬سازی پارامترهای طراحی باعث افزایش طرح¬های متفاوت و با کیفیت بالا شده است. کاربرد همزمان دینامیک سیالات محاسباتی با الگوریتم ژنتیک، یک روش بهینه¬سازی مقتدر و کارامد است و رسیدن به جواب بهینه برای طراحی¬ پارامترهای کنترل جریان را تضمین می¬کند. بنابراین از الگوریتم ژنتیک به عنوان روش بهینه¬سازی در دامنه متغیرها استفاده شده است. بدین منظور، روش رولت برای انتخاب والدین، روش¬های ترکیب جستجوی تصادفی و مستقیم برای چینش والدین، روش نمونه¬برداری یکنواخت تصادفی برای جفت کردن والدین و روش تقاطع یک نقطه¬ای برای تولید نسل جدید بکار گرفته شده¬اند. همچنین در انتها، از جهش 20% برای افزایش شانس ژن¬های فرزندانی که حضور ندارند استفاده شده است. تابع هدف نیز بصورت نسبت ضریب برا به ضریب پسا تعریف شده است. در این بررسی، 5 حالت مورد مطالعه قرار گرفته است. در تمام مطالعات، مکش، دمش و یا ترکیبی از آنها با پهنای 2 تا 4% وتر مقطع بال بر روی سطح بالایی مقطع بال ناکا0012 قرار داده شده که کنترل دمش و مکش را در عدد رینولدز 500000 و زاویه حمله 18 درجه شبیه¬سازی می¬کنند. حدود 100 اجراء در محدوده متغیرهای طراحی (سرعت، زاویه و موقعیت جت) برای هر مورد انجام شده است. مکانیزیم فیزیکی که کنترل جریان مکش و دمش را انجام می¬دهد، محاسبه و آنالیز شده و مقادیر بحرانی سرعت، موقعیت و زاویه مکش و دمش مورد بررسی قرار می¬گیرند. همچنین بر اساس نتایج جت تنهایِ مکش/دمش بر روی مقطع بال ناکا0012، پارامترهای طراحی سیستم ترکیبی ارائه شدند. هدف الگوریتم در ارتباط با کد حل کننده جریان، هدایت حرکت دو جت بر روی سطح بالایی مقطع بال است. سپس مقادیر بهینه قابل قبول در محدوده پارامترهای کنترل محاسبه شده¬اند. مورد اول، مکش سه متغیره است که موقعیت، سرعت و زاویه مکش تحت دامنه مشخص برای هر پارامتر بهینه شده¬اند. پارامترهای بهینه برای این مورد سرعت 12.3 متربرثانیه، زاویه 60- درجه نسبت به افق و موقعیت مکش 12 تا 15% وتر مقطع بال هستند. در این مورد تابع هدف به میزان 32% افزایش یافته و ورتکس بصورت کامل از بین رفت. مورد دوم دمش با سیال مشابه است. بهینه¬سازی بر روی سرعت، موقعیت و زاویه جت دمنده شروع شد و در نهایت در 42 تا 46% وتر مقطع بال، سرعت 30.5 متربرثانیه و زاویه 16.1 درجه نسبت به افق، حل الگوریتم ژنتیک همگرا شد. در این مورد تابع هدف 24% افزایش یافت. سومین مورد، دمش با گاز سنگین¬تر از سیال عامل (زنون) بود. همان پارامترها بهینه شدند و در نهایت، سرعت 41.8 متربرثانیه، موقعیت دمش 13.4 تا 16.4% وتر مقطع بال و زاویه دمش 18.5 درجه نسبت به افق، بهترین حل برای این مورد بود. همچنین تابع هدف به میزان 17% افزایش یافت. دمش دو متغیره چهارمین مورد مطالعه بود. بخاطر جواب بدیهی سرعت مورد اول، این مورد با دبی جرمی ثابت تعریف شد. فقط دو پارامتر توسط الگوریتم ژنتیک تغییر می¬کنند و پارامتر سوم از روی نرخ دبی جرمی محاسبه می¬شود. موقعیت مکش 19.7 تا 23.1% وتر مقطع بال و زاویه مکش 97- درجه نسبت به افق، حل بهینه در این مورد بود. سرعت محاسبه شده توسط دبی ثابت و پارامترهای بهینه شده الگوریتم ژنتیک، برابر 5.91 متربرثانیه بدست آمد. در این مورد تابع هدف 53% افزایش یافت. آخرین موردی که مطالعه شد، ترکیب مکش و دمش بود. هر کدام از این سیستم¬ها سه پارامتر دارند که الگوریتم ژنتیک باید آنها را بهینه کند: سرعت، موقعیت و زاویه. در نهایت، سرعت دمش 33 متربرثانیه، زاویه دمش 15 درجه نسبت به افق، موقعیت دمش 15 تا 18% وتر مقطع بال، سرعت مکش 11 متربرثانیه، زاویه مکش 105- درجه نسبت به افق و موقعیت مکش 27 تا 30% وتر مقطع بال، بهترین حل برای این مورد بود. تابع هدف در این مورد بهترین تابع هدف است و تا 77% افزایش یافت. در نهایت بدین نتیجه رسیدیم که الگوریتم ژنتیک برای کنترل جریان مقطع بال، یک کاربرد بهینه موفقیت-آمیز است.