סילבוס הקורס בקרת זרימה של שכבות גבול - תשע"ז, פקולטה להנדסה, אוניברסיטת ת"א

שנה"ל תשע"ז

בקרת זרימה של שכבות גבול
Boundary Layer Flow Control

0540-6322-01

הנדסה


סמ' א'	1600-1900	'ב	130	וולפסון - הנדסה	שיעור	פרופ זייפרט אברהם

D:\Inetpub\shared\yedion\syllabus\05\2016\0540\0540632201_desc.txt סילבוס מקוצר 3 נ"ז, 3 שעות דרישת קדם: מכניקת זורמים 1 או מכניקת זורמים מתקדמת או מבוא לאווירודינמיקה ידע במטלב או פייטון Language: English מעבר מזרימה למינארית לטורבולנטית והינתקות שכבת גבול גורמים לירידה משמעותית בביצועי מערכות זרימה. בקרת שכבת גבול באמצעים פסיביים (ללא תוספת אנרגיה) או אקטיביים (עם תוספת אנרגיה) בעלת פוטנציאל להקטין הירידה בביצועים ובשימוש אופטימלי יכולה להביא להכפלת היעילות האנרגטית. בקורס זה המיועד ללימודי המשך ננתח שיטות לבקרת זרימה מן ההיבט התיאורטי, החישובי והניסיוני. נתחיל מסקירה היסטורית של התפתחות הידע כולל תרומה של דמויות מובילות והקשר ההיסטורי של החוקרים והמובילים, נעבור להצגת צורה עדכנית של משוואות שכבת הגבול הכוללת השפעות בקרת זרימה. נתייחס לקשר בין אי-יציבות זרימה ליעילות בקרת זרימה. ייסקרו זרימות דו- ותלת-ממדיות ושיטות בקרתן. נסקור וננתח שיטות בקרה פסיביות ומגבלותיהן. ננתח שיטות תכן ובחירה של חיישנים ומפעילי זרימה המתאימים ליישומים שונים, נסקור שיטות בקרה בחוג סגור וננתח מקרי בוחן משמעותיים. ייסקרו יישומים אווירונאוטיים, כלי תחבורה יבשתיים וטורבינות רוח. הקורס ילווה בפרויקטונים חישוביים וכן מפגשי מעבדה. הקורס יינתן בשפה האנגלית וידרוש לימוד עצמי משמעותי והשתתפות פעילה בעיצוב תכני הקורס והצגתם בכיתה. Course description Boundary layer transition and separation entails great energy losses and limits the performance of most flow-related devices. It imposes severe limitations not only on the design but it also affects the operation and performance of the devices. Therefore, the control of boundary layer transition and separation or at least its delay is warranted. Passive control techniques, such as geometrical shaping, turbulators and vortex generators or steady active methods such as transpirations through porous plates, holes, slots and slats are the most commonly used in aerospace to delay laminar-turbulent transition or control boundary layer separation. However, passive techniques are by definition “point design” and degrade performance at other operational conditions. The science and technology of unsteady Active Flow Control (AFC) are becoming more sophisticated as Fluid Dynamics, low order modelling and Control theory merge to enable the design of flow control systems capable of solving challenging real flow control problems. This graduate course will examine advanced topics in passive and active flow control, placing particular emphasis on “how to perform flow control”. Vast experimental open- and closed-loop active flow control experience using periodic excitation for transition delay and enhanced mixing and its limitations will be discussed. State-of-the-art actuator and sensor design and characterization techniques will be covered. A few closed-loop flow control applications will be analyzed. A modified version of the integral boundary layer equation model will be used to analyze various flow control methods from the point of view of overall system efficiency. Case studies will be presented that describe recent success stories about the implementation of active flow control on advanced flow related systems, not only in aerospace. The course is relevant to both graduate students and industry participants and will also be offered online. הנדסה 0540-6322-01 בקרת זרימה של שכבות גבול Boundary Layer Flow Control שנה"ל תשע"ז \| סמ' א' \| פרופ זייפרט אברהם סילבוס מפורט/דף מידע Detailed syllabus (each session will incl. 3 hours lecture) Lecture 1: Brief History of Flight and Flow Control: Defining Control Objectives, passive, active and re-active AFC. Past successes and Failures. Prandtl’s (group) contributions. Course outline and requirements. Lecture 2: Introduction to Flow Control: Theory, computations and experimentation. Leveraging and enhancing flow instabilities. Von Karman’s and Wygnanski’s contributions. Lecture 3: Governing Equations and Parameters, Scaling (Reynolds, Mach and Strouhal, numbers, mass, momentum and vorticity transport equations). Lecture 4: Passive FC methods: shaping, turbulators, VG’s, dimples, benefits and limitations, analysis and examples. Lecture 5: Sensors, Actuators and Systems: Actuator and Sensor Design, performance and Placement, controllers, systems. Lecture 6: Boundary Layer Transition Control: shaping, compliant coatings, heating/cooling, distributed suction, active means, 2D and 3D. Lecture 7: Enhanced mixing in subcritical laminar and in high Re turbulent flows. Jets AFC. Lecture 8: Boundary Layer Separation Control, the effects of pressure gradient, curvature, discontinuities, 2D, 2.5D, 3D and complex configurations. The creation of high lift. Lecture 9: Bluff Body AFC: Cylinders, Axis-symmetric, D-Shapes, Glauert airfoils, Golshmied bodies. Reducing drag and vibrations. Roshko’s contributions. Lecture 10: Flight Control without moving parts: Mechanisms for creation of forces and moments, Effective AoA range, with / without baseline separation, time and magnitude scales, system level analysis. Lecture 11: Closed Loop AFC: Dynamical Systems Modeling, experimental determination of the system “Plant”, Algorithm Selection and Performance Limitations. Examples. Session 12: (Lab session): Novel fabrication methods, characterization and applications. Demonstration of a few “living” experiments with “hands on” experience. Lecture 13: Case studies: System level analysis, the use of CFD for AFC, Heavy vehicles, Drones, helicopters, wind turbines. Conclusions, Summary, Discussion. Language: English Grade Distribution: Problem Sets (mostly Numerical, 40%) Individual Projects (2, 20% each, may be replaced by an exam) Class presentation (20%) Summary of teaching and learning methods The learning activities include: Individual reading of background material and course texts, plus work on examples and case studies. Individual numerical mini projects, Presentations preparations and individual (or small group) lab sessions Study Time Allocation: Contact Hours: 39, Private Study Hours: about 8 hours/week, Total study time: 140-150 hours

ש"ס: 3.0

סילבוס מקוצר

3 נ"ז, 3 שעות

דרישת קדם:

מכניקת זורמים 1 או מכניקת זורמים מתקדמת או מבוא לאווירודינמיקה

ידע במטלב או פייטון

Language: English

מעבר מזרימה למינארית לטורבולנטית והינתקות שכבת גבול גורמים לירידה משמעותית בביצועי מערכות זרימה. בקרת שכבת גבול באמצעים פסיביים (ללא תוספת אנרגיה) או אקטיביים (עם תוספת אנרגיה) בעלת פוטנציאל להקטין הירידה בביצועים ובשימוש אופטימלי יכולה להביא להכפלת היעילות האנרגטית. בקורס זה המיועד ללימודי המשך ננתח שיטות לבקרת זרימה מן ההיבט התיאורטי, החישובי והניסיוני. נתחיל מסקירה היסטורית של התפתחות הידע כולל תרומה של דמויות מובילות והקשר ההיסטורי של החוקרים והמובילים, נעבור להצגת צורה עדכנית של משוואות שכבת הגבול הכוללת השפעות בקרת זרימה. נתייחס לקשר בין אי-יציבות זרימה ליעילות בקרת זרימה. ייסקרו זרימות דו- ותלת-ממדיות ושיטות בקרתן. נסקור וננתח שיטות בקרה פסיביות ומגבלותיהן. ננתח שיטות תכן ובחירה של חיישנים ומפעילי זרימה המתאימים ליישומים שונים, נסקור שיטות בקרה בחוג סגור וננתח מקרי בוחן משמעותיים. ייסקרו יישומים אווירונאוטיים, כלי תחבורה יבשתיים וטורבינות רוח. הקורס ילווה בפרויקטונים חישוביים וכן מפגשי מעבדה. הקורס יינתן בשפה האנגלית וידרוש לימוד עצמי משמעותי והשתתפות פעילה בעיצוב תכני הקורס והצגתם בכיתה.

Course description

Boundary layer transition and separation entails great energy losses and limits the performance of most flow-related devices. It imposes severe limitations not only on the design but it also affects the operation and performance of the devices. Therefore, the control of boundary layer transition and separation or at least its delay is warranted. Passive control techniques, such as geometrical shaping, turbulators and vortex generators or steady active methods such as transpirations through porous plates, holes, slots and slats are the most commonly used in aerospace to delay laminar-turbulent transition or control boundary layer separation. However, passive techniques are by definition “point design” and degrade performance at other operational conditions.

The science and technology of unsteady Active Flow Control (AFC) are becoming more sophisticated as Fluid Dynamics, low order modelling and Control theory merge to enable the design of flow control systems capable of solving challenging real flow control problems. This graduate course will examine advanced topics in passive and active flow control, placing particular emphasis on “how to perform flow control”. Vast experimental open- and closed-loop active flow control experience using periodic excitation for transition delay and enhanced mixing and its limitations will be discussed. State-of-the-art actuator and sensor design and characterization techniques will be covered. A few closed-loop flow control applications will be analyzed. A modified version of the integral boundary layer equation model will be used to analyze various flow control methods from the point of view of overall system efficiency. Case studies will be presented that describe recent success stories about the implementation of active flow control on advanced flow related systems, not only in aerospace. The course is relevant to both graduate students and industry participants and will also be offered online.

הנדסה
0540-6322-01 בקרת זרימה של שכבות גבול
Boundary Layer Flow Control
שנה"ל תשע"ז | סמ' א' | פרופ זייפרט אברהם

666סילבוס מפורט/דף מידע

Detailed syllabus (each session will incl. 3 hours lecture)

Lecture 1: Brief History of Flight and Flow Control: Defining Control Objectives, passive, active and re-active AFC. Past successes and Failures. Prandtl’s (group) contributions. Course outline and requirements.

Lecture 2: Introduction to Flow Control: Theory, computations and experimentation. Leveraging and enhancing flow instabilities. Von Karman’s and Wygnanski’s contributions.

Lecture 3: Governing Equations and Parameters, Scaling (Reynolds, Mach and Strouhal, numbers, mass, momentum and vorticity transport equations).

Lecture 4: Passive FC methods: shaping, turbulators, VG’s, dimples, benefits and limitations, analysis and examples.

Lecture 5: Sensors, Actuators and Systems: Actuator and Sensor Design, performance and Placement, controllers, systems.

Lecture 6: Boundary Layer Transition Control: shaping, compliant coatings, heating/cooling, distributed suction, active means, 2D and 3D.

Lecture 7: Enhanced mixing in subcritical laminar and in high Re turbulent flows. Jets AFC.

Lecture 8: Boundary Layer Separation Control, the effects of pressure gradient, curvature, discontinuities, 2D, 2.5D, 3D and complex configurations. The creation of high lift.

Lecture 9: Bluff Body AFC: Cylinders, Axis-symmetric, D-Shapes, Glauert airfoils, Golshmied bodies. Reducing drag and vibrations. Roshko’s contributions.

Lecture 10: Flight Control without moving parts: Mechanisms for creation of forces and moments, Effective AoA range, with / without baseline separation, time and magnitude scales, system level analysis.

Lecture 11: Closed Loop AFC: Dynamical Systems Modeling, experimental determination of the system “Plant”, Algorithm Selection and Performance Limitations. Examples.

Session 12: (Lab session): Novel fabrication methods, characterization and applications. Demonstration of a few “living” experiments with “hands on” experience.

Lecture 13: Case studies: System level analysis, the use of CFD for AFC, Heavy vehicles, Drones, helicopters, wind turbines. Conclusions, Summary, Discussion.

Language: English

Grade Distribution:

Problem Sets (mostly Numerical, 40%)

Individual Projects (2, 20% each, may be replaced by an exam)

Class presentation (20%)

Summary of teaching and learning methods

The learning activities include:

Individual reading of background material and course texts, plus work on examples and case studies. Individual numerical mini projects, Presentations preparations and individual (or small group) lab sessions

Study Time Allocation:

Contact Hours: 39, Private Study Hours: about 8 hours/week, Total study time: 140-150 hours

להצהרת הנגישות