Ο σκοπός της διατριβής αυτής είναι η γενίκευση και η μελέτη των προβλημάτων ελέγχου του δυαδικού οριακού στρώματος σε ένα γενικότερο πρόβλημα στο οποίο το μαγνητικό πεδίο και η έγχυση ξένου ρευστού συνυπάρχουν και αλληλεπιδρούν, ενώ ταυτόχρονα η ροή χαρακτηρίζεται ως ροή ολίσθησης, λόγω της αραίωσης του μέσου. / --

- / -

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή ασχολείται με τη σύνθεση καθώς και τον δομικό και φυσικοχημικό χαρακτηρισμό των έξης υαλωδών συστημάτων: (α) του δυαδικού συστήματος xMgO – (1 – x)SiO2, με 0.50 ≤ x ≤ 0.667, (β) του ψευδοδυαδικού συστήματος (1 – x)[CaO:MgO] – xSiO2, με 0.333 ≤ x ≤ 0.27 και (γ) του δυαδικού συστήματος xY2O3 – (1 – x)Al2O3, με 0.24 ≤ x ≤ 0.41 και x σε mol %. Τα συστήματα αυτά παρουσιάζουν σημαντικές δυσκολίες στο να σχηματίσουν υάλους με κλασικές μεθόδους υαλοποίησης και ως εκ' τούτου τα διαθέσιμα δεδομένα αναφορικά με τα δομικά και φυσικοχημικά τους χαρακτηριστικά είναι περιορισμένα. Η σύνθεση των υάλων αυτών κατέστη δυνατή με τη μέθοδο της αεροδυναμικής ανύψωσης και της τήξης των οξειδίων με Laser CO2 (Aerodynamic levitation/CO2 laser melting techniques). Αυτή η σχετικά νέα και μη συμβατική τεχνική υαλοποίησης είναι και η μόνη διαθέσιμη έως σήμερα μέθοδος με την οποία μπορούν να συντεθούν οι περισσότεροι από τους ανωτέρω υάλους. Για το δομικό και φυσικοχημικό χαρακτηρισμό των ανωτέρω συστημάτων, χρησιμοποιήθηκαν οι φασματοσκοπικές τεχνικές Raman και NMR, ενώ ταυτόχρονα πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης, Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης, Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Φαινομένου Σήραγγας και πυκνομετρίας, καθώς και Μοριακών Προσομοιώσεων. Τα δύο πρώτα συστήματα (α-β) ανήκουν στην ευρεία οικογένεια των ανόργανων υάλων του Πυριτίου με Οξείδια των Αλκαλικών Γαιών σε συστάσεις εξαιρετικά φτωχές σε οξείδιο του Πυριτίου. Το τελευταίο αυτό χαρακτηριστικό είναι και το πιο ενδιαφέρον από πλευράς δομής και Φυσικοχημικών διεργασιών, καθώς οι ύαλοι αυτοί χαρακτηρίζονται ως «φτωχοί σχηματιστές υάλων» με αποτέλεσμα η δομή τους να χαρακτηρίζεται από ακραίο αποπολυμερισμό. Στα πλαίσια της παρούσας Διατριβής κατέστη δυνατή η σύνθεση των υάλων αυτών σε συστάσεις οι οποίες για πρώτη φορά συντίθενται σε εργαστήριο και τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τον δομικό και φυσικοχημικό τους χαρακτηρισμό, παρουσιάζονται επίσης για πρώτη φορά. Οι εξαιρετικά αποπολυμερισμένες δομές των υάλων αυτών - τους οποίους ονομάζουμε «υπο-ορθο-πυριτικούς» εξαιτίας της σύστασης τους η οποία περιέχει ποσοστό Πυριτίας λιγότερο από την Ορθο-Πυριτική σύσταση (33.3 mol % SiO2) - βρέθηκε ότι χαρακτηρίζονται από τετράεδρα πυριτίας με διαφορετικό αριθμό γεφυρωτικών οξυγόνων, με τα ελεύθερα τετράεδρα πυριτίας να κυριαρχούν στις δομές καθώς μειώνεται σταδιακά το ποσοστό του SiO2. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν αναφορικά με τα δύο πρώτα συστήματα, δίνουν για πρώτη φορά, μια εικόνα αναφορικά με την δομική και φυσικοχημική συμπεριφορά Πυριτικών υάλων με οξείδια των Αλκαλικών Γαιών, όταν το ποσοστό του κλασικού υαλοσχηματιστή φτάνει στα όρια της δυνατότητας σχηματισμού υάλων. Το τελευταίο σύστημα (γ) το οποίο μελετήθηκε στα πλαίσια της παρούσας Διατριβής, αφορά στην σύνθεση και τον δομικό-Φυσικοχημικό χαρακτηρισμό υάλων Υττρίου-Αλουμίνας σε σχέση με το εξαιρετικά ιδιαίτερο χαρακτηριστικό που παρουσιάζει το σύστημα αυτό, το οποίο αναφέρεται ευρέως ως «πολυαμορφισμός». Στο σύστημα αυτό, μελετήθηκε και παρουσιάζεται για πρώτη φορά το περιβάλλον συναρμογής των ατόμων του Υττρίου, ενώ παρέχονται επιχειρήματα ότι το φαινόμενο του πολυαμορφισμού είναι παρόν σε όλους τους υάλους που σχηματίζονται εντός του δυαδικού συστήματος αυτού. Επίσης συσχετίζονται τα δομικά χαρακτηριστικά των υάλων αυτών με την εμφάνιση του πολυαμορφισμού ενώ για πρώτη επίσης φορά μελετώνται συστηματικά οι διεγέρσεις χαμηλών συχνοτήτων, σε σχέση με την μεταβολή της σύστασης και της θερμοκρασίας. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης των διεγέρσεων χαμηλών συχνοτήτων για τα φάσματα Raman των υάλων αυτών, δείχνουν για πρώτη φορά σημαντικές εντάσεις για την κορυφή που παρατηρείται στις χαμηλές συχνότητες, ενώ αυτή παραμένει ανεπηρέαστη της σύστασης και της θερμοκρασίας. Τέλος, θα πρέπει να επισημανθεί ότι τα οξείδια τα οποία συναποτελούν το συγκεκριμένο σύστημα, δεν έχουν την δυνατότητα να σχηματίσουν υάλους αυτόνομα. / We present results from glass synthesis and the structural/physicochemical characterization from a series of glass forming systems and more specifically: (a) xMgO – (1 – x)SiO2 with 0.50 ≤ x ≤ 0.667, (b) the pseudobinary system (1 – x)[CaO:MgO] – xSiO2 with 0.333 ≤ x ≤ 0.27 and (c) the binary system xY2O3 – (1 – x)Al2O3 with 0.24 ≤ x ≤ 0.41, and x being the mol fraction. These systems exhibit significant difficulties regarding their ability to form glasses and hence the available data describing their structural and physicochemical characteristics are limited. Nevertheless, by using non-conventional glass forming techniques such as “Aerodynamic levitation/CO2 laser melting” we were able to synthesize these glasses and it is worth pointing out that this technique is the only available technique so far that glasses that belong to the above mentioned systems can be formed. For the structural and physicochemical characterization of the above mentioned systems, we used two spectroscopic techniques Raman and NMR whilst experiments using DSC, SEM, TEM, Densitometry and Molecular Dynamics simulations were also performed. The first two systems (a-b) belong in the greater family of silicate inorganic glasses mixed with Alkaline Earth oxides, in compositions significantly depleted in Silicon oxide. This last feature is the most interesting one structurally and physic-chemically wise, as these glasses are widely termed as “poor glass formers” having as a consequence their structure to be described by extreme depolymerization. In this work we were able to synthesize these glasses in a compositional range that is achieved for the very first time and the results derived from their structural and physicochemical characterization also presented for the very first time. These extensively depolymerized glass structures-whom we have termed as “Sub-Ortho-Silicates” due to their Silicate compound which is less than the Ortho-Silicate composition (33.3 mol % SiO2)-were found to be characterized by Silicate tetrahedral, having a varying number of bridging oxygens, with the “free” tetrahedral dominating the structures as the SiO2 content gradually diminishes. The conclusions derived from the first two systems, give for the first time an insight in relation with the structural and physicochemical behavior of Alkaline Earth oxide Silicate glasses when the percentage of the “classic” glassformer reaches the limits of glass formation. The last system we investigated (c) has to do with glass synthesis and structural/physicochemical characterization of Yttrium-Aluminate glasses in relation with an extremely interesting characteristic that this system exhibits, which is widely known as “polyamorphism”. In this system we investigated and present results for the very first time that reveal the coordination environment of Yttrium atoms, while we are also providing evidence that the phenomenon of polyamorphism is present in all glasses, formed within this binary system. Additionally we correlate the structural characteristics of these glasses with the appearance of polyamorphism while also for the very first time we have systematically investigated the low frequency vibrations, in relation with the variation of composition and temperature. The results derived from the analysis of the low frequency excitations exhibited in the Raman spectra of these glasses, show for the first time that the peak that makes its appearance in the low frequency region is characterized by significantly great intensity, while it also remains uninfluenced from the variation of composition and temperature. Finally, we must stress out that the oxides that constitute this specific system cannot form glasses independently.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η πειραματική και υπολογιστική διερεύνηση αεροδυναμικής συμπεριφοράς πτερύγων σε διφασική ροή αέρα–νερού και η εφαρμογή σε πτερύγια ανεμοκινητήρων. Αρχικά, γίνεται πειραματική και υπολογιστική μελέτη μονοφασικής ροής αέρα γύρω από αεροτομές, πτέρυγες και πτερύγιο ανεμοκινητήρα και στη συνέχεια μελέτη διφασικής ροής αέρα-νερού γύρω από τα ίδια σώματα. Η σύγκριση μεταξύ των αποτελεσμάτων της μονοφασικής ροής με τα αντίστοιχα της διφασικής ροής αέρα-νερού είναι αναγκαία ώστε να μελετηθούν οι επιπτώσεις της διφασικής ροής αέρα–νερού στην αεροδυναμική απόδοση. Η πειραματική ανάλυση αφορά τη διεξαγωγή πειραμάτων για τη μελέτη της αεροδυναμικής συμπεριφοράς αεροτομών και πτερύγων σε συνθήκες μονοφασικής και διφασικής ροής. Για την προσομοίωση συνθηκών διφασικής ροής αέρα-νερού τροποποιείται η αεροσήραγγα που διαθέτει ήδη το Εργαστήριο με την προσαρμογή ειδικών ακροφυσίων ψεκασμού νερού (συνθήκες βροχής). Για τις ανάγκες των πειραμάτων χρησιμοποιούνται τα μοντέλα αεροτομών και πτερύγων NACA 0012 που συνοδεύουν την αεροσήραγγα και κατασκευάζονται αεροτομή και πτέρυγες S809. Τα πειράματα μονοφασικής και διφασικής ροής γίνονται για την ίδια ταχύτητα αέρα. Για τη διφασική ροή αέρα-νερού εξετάστηκαν τέσσερις διαφορετικές πυκνότητες περιεχόμενης βροχής. Η υπολογιστική ανάλυση γίνεται με το υπολογιστικό πακέτο ANSYS CFD-Fluent. Αρχικά, γίνονται προσομοιώσεις για μονοφασική ροή αέρα γύρω από την αεροτομή NACA 0012, για την οποία υπάρχει πλήθος δημοσιευμένων αποτελεσμάτων, με τρία διαφορετικά μοντέλα τύρβης ώστε να βρεθεί το καταλληλότερο. Ο συντελεστής άνωσης υπολογίζεται με μεγάλη ακρίβεια, σε αντίθεση με το συντελεστή αντίστασης. Το πρόβλημα αυτό οφείλεται στην αδυναμία του Fluent να υπολογίσει το σημείο μετάβασης του οριακού στρώματος από στρωτό σε τυρβώδες. Κρίνεται επομένως αναγκαίο να γίνει σύγκριση του συντελεστή αντίστασης με πειραματικά δεδομένα για πλήρως τυρβώδες οριακό στρώμα. Για ακόμα πιο ακριβή αποτελέσματα αναπτύσσεται αλγόριθμος για τον υπολογισμό του σημείου μετάβασης από στρωτό σε τυρβώδες οριακό στρώμα και γίνονται προσομοιώσεις ορίζοντας την περιοχή αριστερά από το σημείο μετάβασης ως στρωτή και δεξιά από αυτό ως τυρβώδη. Υπολογίζονται οι κατανομές πίεσης και ταχύτητας γύρω από την αεροτομή, καθώς επίσης και τα σημεία ανακοπής, μέγιστης ταχύτητας, αποκόλλησης και επανακόλλησης του οριακού στρώματος. Παρουσιάζονται επίσης οι ροϊκές γραμμές και τα διανύσματα της ταχύτητας γύρω από την αεροτομή. Αντίστοιχες προσομοιώσεις γίνονται και για την αεροτομή S809. Για τη μελέτη του τρισδιάστατου χαρακτήρα της ροής, γίνονται προσομοιώσεις γύρω από πτέρυγα S809. Υπολογίζονται οι συντελεστές άνωσης και αντίστασης, τα σημεία ανακοπής, μέγιστης ταχύτητας, αποκόλλησης και επανακόλλησης του οριακού στρώματος. Επίσης παρουσιάζονται κατανομές της έντασης της τύρβης στην άνω επιφάνεια της πτέρυγας και της συνισταμένης ταχύτητας, της ταχύτητας στη z-διεύθυνση, της έντασης της τύρβης και της επιτάχυνσης της ροής πίσω από την πτέρυγα. Για τη μελέτη της ροής γύρω από περιστρεφόμενο πτερύγιο γίνονται προσομοιώσεις γύρω από το πτερύγιο Phase IV της NREL. Γίνεται μελέτη της κατανομής της αξονικής ταχύτητας πίσω από το δρομέα, της κατανομής της στατικής πίεσης και της έντασης της τύρβης πάνω στην επιφάνεια του πτερυγίου και της κατανομής της στατικής πίεσης σε διάφορα σημεία πάνω στο πτερύγιο. Η υπολογιστική μελέτη της διφασικής ροής αέρα-νερού γίνεται αρχικά για την αεροτομή NACA 0012 με πυκνότητα περιεχόμενης βροχής LWC=30 g/m³, επειδή υπάρχουν αντίστοιχα έγκυρα πειραματικά αποτελέσματα ώστε να γίνει σύγκριση για την εγκυρότητα της διαδικασίας της προσομοίωσης. Στη συνέχεια γίνονται προσομοιώσεις για διφασική ροή αέρα-νερού γύρω από την αεροτομή S809, την πτέρυγα S809 και το περιστρεφόμενο πτερύγιο Phase IV της NREL. Προσομοιώσεις γίνονται επίσης για διαφορετικές πυκνότητες περιεχόμενης βροχής για τη ροή γύρω από τις αεροτομές σε χαμηλό αριθμό Reynolds. Τα αποτελέσματα της διφασικής ροής αέρα-νερού συγκρίνονται με τα αντίστοιχα της μονοφασικής ροής ώστε να προκύψουν συμπεράσματα για τις επιπτώσεις της βροχής στην αεροδυναμική απόδοση. Γίνεται επίσης υπολογισμός του συντελεστή ισχύος του ανεμοκινητήρα σε συνθήκες μονοφασικής ροής αέρα και διφασικής ροής αέρα-νερού. Σε συνθήκες διφασικής ροής αέρα-νερού παρατηρείται υποβάθμιση της αεροδυναμικής απόδοσης, συγκεκριμένα μείωση της άνωσης με παράλληλη αύξηση της αντίστασης. Δυο είναι οι βασικοί μηχανισμοί που επικρατούν και έχουν ως αποτέλεσμα την υποβάθμιση αυτή. Στην επιφάνεια της αεροτομής δημιουργείται ανομοιόμορφο φιλμ νερού που αυξάνει την τραχύτητα και το πάχος της αεροτομής. Τα σταγονίδια καθώς προσκρούουν πάνω στο φιλμ νερού δημιουργούν «κρατήρες» αυξάνοντας την τραχύτητα της αεροτομής. Επίσης, τα σωματίδια νερού διασπώνται κατά την πρόσκρουσή τους πάνω στην αεροτομή σε άλλα σταγονίδια μικρότερης διαμέτρου και μειωμένης ταχύτητας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τα σταγονίδια αυτά, επαναεπιταχυνόμενα από τη ροή του αέρα να αποσπούν ποσό ενέργειας από το οριακό στρώμα καθιστώντας το πιο ευάλωτο σε αποκόλληση. Στόχος της μελέτης της αεροδυναμικής συμπεριφοράς των πτερυγίων σε διφασική ροή αέρα-νερού είναι η κατασκευή ανεμοκινητήρων υψηλού βαθμού απόδοσης και η παραγωγή φθηνής ενέργειας από την όσο το δυνατόν καλύτερη αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας. / The aim of the present doctoral thesis is the experimental and computational study of the aerodynamic behavior of wings in two-phase flow and the application on wind turbine blades. First of all, experimental and computational study of one-phase flow over airfoils, wings and wind turbine blade and afterwards study of two-phase flow over the same bodies is conducted. The comparison of the results between dry and wet conditions is necessary in order to show the effects of two-phase flow at the aerodynamic performance. Wind tunnel tests were conducted to show the aerodynamic behavior of airfoils and wings in one-phase and two-phase flows. To simulate two-phase flow, the wind tunnel of the Fluid Mechanics Laboratory has to be configured with adding commercial rain simulated nozzles. For the experiments NACA 0012 airfoils and wings which come along the wind turbine are utilized and airfoil and wings S809 are constructed. The experiments of one-phase flow and two-phase flow are conducted for the same air velocity. For the two-phase flow four different Liquid Water Contents are examined. For the computational analysis the commercial CFD code ANSYS Fluent is used. In first place, simulations of one-phase flow over the NACA 0012 airfoil are done with three different turbulence models. The NACA0012 airfoil is chosen because it has been studied in depth and has a precise data base to compare the results of the simulation with. The lift coefficients are computed with accuracy in contrast to the drag coefficient. The overprediction of drag is expected since the actual airfoil has laminar flow over the forward half. The turbulence models cannot calculate the transition point from laminar to turbulent and consider that the boundary layer is turbulent throughout its length. Therefore, it is necessary to compare the computational results with experimental data of a fully turbulent boundary layer. In order to get more accurate results, the computational domain could be split into two different domains to run mixed laminar and turbulent flow. The contours of pressure and velocity over the airfoil are presented, as well as stagnation, maximum velocity, detachment and reattachment points of the boundary layer are computed. Streamlines and velocity vectors over the airfoil are also presented. Similar simulations are conducted for the S809 airfoil. In order to study the tree-dimensional effects of the flow, simulations over the S809 wing are made. Lift and drag coefficients, stagnation, maximum velocity, detachment and reattachment points of the boundary layer are computed. Moreover, contours of turbulent intensity on the upper surface of the wing and velocity, z-velocity, turbulence intensity and helicity behind the wing are presented. Simulations over the Phase IV blade of NREL are also conducted. The axial velocity behind the rotor, the static pressure and the turbulence intensity contribution on the blade’s surface and the static pressure contours at several blade cross-sections are studied. First of all, the computational study of the two-phase flow over a NACA 0012 airfoil and Liquid Water Content LWC=30 g/m3 is conducted, because there are published experimental data for comparison, in order to validate the CFD developed model. After that, simulations of two-phase flow over the S809 airfoil, S809 wing and Phase IV blade are made. In addition, computational study of the effects of different Liquid Water Content on the aerodynamic performance of NACA 0012 and S809 airfoil at low Reynolds number is made. The results from two-phase flow are compared with the corresponding results from one-phase flow in order to show the effects of two-phase flow at the aerodynamic performance. The influence of two-phase flow on the power coefficient of a wind turbine is also investigated. The results show that the aerodynamic performance degrades when encountering rain, especially lift is degreased and drag is increased. The aerodynamic degradation is caused by the water film formation on the airfoil’s surface and the cratering effects from the raindrops impact. The presence of uneven water film on the airfoil surface roughens the airfoil surface and increases the airfoil thickness. The cratering effects from the water droplets impact on the water film layer increase also the airfoil thickness. Moreover, the droplets splash-back when they impact the airfoil and as a result droplets with smaller diameter and velocity are formed. The acceleration of the splashed-back droplets by the air flowfield acts as a momentum sink, deenergizing the boundary layer and leaving it more susceptible to separation. The aim of the study of the aerodynamic behavior of blades in two-phase flow is the construction of wind turbines with greater efficiency and the production of energy from wind with low cost.

Το παρόν τεύχος αποτελεί διπλωματική εργασία που αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Γενικής Ηλεκτροτεχνίας του Τομέα Συστημάτων και Αυτόματου Ελέγχου. Συνίσταται στην κατασκευή και λειτουργία μιας πειραματικής διάταξης αυτοματισμού στην οποία εφαρμόζονται τεχνικές ελέγχου για την πραγματοποίηση ελεγχόμενης αεροδυναμικής αιώρησης ελαφρών σωμάτων. Περιλαμβάνει εξοπλισμό όπως αναλογικές βαλβίδες πεπιεσμένου αέρα, αισθητήρες και έναν Προγραμματιζόμενo Λογικό Ελεγκτή (PLC) που ελέγχει τη λειτουργία της διάταξης. Η πειραματική διάταξη αυτοματισμού που κατασκευάστηκε είναι ένα σύστημα αιώρησης ελαφρών σωμάτων με χρήση πεπιεσμένου αέρα. Αισθητήρες θέσης προσφέρουν την δυνατότητα γνώσης κάθε χρονική στιγμή της θέσης του σώματος. Μέσω του Προγραμματιζόμενου Λογικού Ελεγκτή επιτυγχάνουμε αιώρηση του σώματος σε αυστηρά ελεγχόμενο ύψος κάνοντας χρήση διαφόρων μεθόδων ελέγχου (On-Off, PID). Τα αντικείμενα με τα οποία πειραματιστήκαμε ήταν κυρίως σφαίρες μικρής διαμέτρου(4-5cm) και βάρους μερικών γραμμαρίων. Κατά την διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής, έγινε προσπάθεια αιώρησης και ελέγχου επίπεδων αντικειμένων. Με το διατιθέμενο εξοπλισμό (περιορισμοί πίεσης αέρα, είδους ακροφυσίου κλπ.) κατέστη δυνατή η αιώρηση επίπεδων αντικειμένων μόνο για μικρή χρονική διάρκεια. Δοκιμάσθηκαν διάφοροι τύποι και χωρικοί συνδυασμοί ακροφυσίων για τη δημιουργία επίπεδου στρώματος “πεπιεσμένου” αέρα. Στην πράξη διαπιστώθηκε ταλαντωτική συμπεριφορά των επίπεδων αντικειμένων και ισχυρή αστάθεια του όλου συστήματος. Στο κεφάλαιο 1 παρουσιάζονται οι επικρατέστερες τεχνικές αιώρησης. Στο κεφάλαιο 2 προσεγγίζουμε θεωρητικά την αεροδυναμική αιώρηση παρουσιάζοντας τις σημαντικότερες αρχές και νόμους που περιγράφουν το φαινόμενο αυτό. Στο κεφάλαιο 3 υπάρχει μία εκτενής ανάλυση των ηλεκτροπνευματικών συστημάτων και στην συνέχεια των Προγραμματιζόμενων Λογικών Ελεγκτών (PLC) καθώς και το λογισμικό επικοινωνίας με PLC, το Step 7. Στο κεφάλαιο 4 αναλύεται ο εξοπλισμός της πειραματικής διάταξης, περιγράφονται τα πειράματα που διεξάγαμε και παρουσιάζεται και αναλύεται το πρόγραμμα που υλοποιήθηκε σε γλώσσα STL. Στο κεφάλαιο 5 συνοπτικά παρουσιάζεται το πρόγραμμα PLC Analyzer με το οποίο καταγράψαμε όλες τις πειραματικές μετρήσεις της διάταξης αιώρησης και τέλος παραθέτονται τα διαγράμματα από κάθε μία μέτρηση. / --

Αντικείμενο της εργασίας είναι η αεροδυναμική και αεροακουστική ανάλυση στροφείων ανεμοκινητήρων οριζοντίου άξονα (α-ο-α). Ο υπολογισμός του πεδίου ροής και των αεροδυναμικών συντελεστών του στροφείου ενός ανεμοκινητήρα επιτυγχάνεται κατά δύο τρόπους, με σκοπό την άμεση σύγκριση των αποτελεσμάτων με κριτήρια αφενός την ακρίβεια και αφετέρου την ευκολία ή πρακτικότητα που προσδιορίζεται κύρια σε όρους χρόνου υπολογισμού και διαθεσιμότητας υπολογιστικών πόρων. Οι δύο επιλεγμένοι τρόποι που διαφοροποιούνται στην φυσικο-μαθηματική μοντελοποίηση του προβλήματος ροής γύρω από το στροφείο του ανεμοκινητήρα, αποτελούν δύο δοκιμασμένες μεθοδολογίες ή τεχνικές ανάλυσης και σχεδιασμού περιστρεφόμενων στροφείων, τα οποία μπορούν να λειτουργούν ως κινητήριες μηχανές ή ως εργομηχανές, είναι η μέθοδος των επιφανειακών στοιχείων και η αριθμητική επίλυση των εξισώσεων Navier-Stokes. Για την αξιολόγηση των υπολογιστικών αποτελεσμάτων επιλέχθηκε ως στροφείο αναφοράς, ο πειραματικός ανεμοκινητήρας NREL phase II. Ο αλγόριθμος των επιφανειακών στοιχείων συμπλέχτηκε με ολοκληρωτικά σχήματα πρόλεξης και υπολογισμού του οριακού στρώματος με σκοπό να συμπεριληφθούν τα φαινόμενα συνεκτικότητας της ροής. Πραγματοποιήθηκε παραμετρική ανάλυση του δρομέα του ανεμοκινητήρα για διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας του. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων των συντελεστών πίεσης των περιστρεφόμενων πτερυγίων για τέσσερις θέσεις κατά το εκπέτασμα του πτερυγίου με τα πειραματικά δεδομένα δείχνει ικανοποιητική συμφωνία. Για την ανάλυση του πεδίου ροής που παράγεται γύρω από περιστρεφόμενους δρομείς α-ο-α χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD). Πραγματοποιήθηκαν RANS προσομοιώσεις για διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας του ανεμοκινητήρα και για τέσσερα διαφορετικά μοντέλα τύρβης. Το k-ω SST μοντέλο τύρβης έχει τις μικρότερες αποκλίσεις με τα πειραματικά αποτελέσματα. Η αεροακουστική ανάλυση του στροφείου ενός ανεμοκινητήρα επιτυγχάνεται με την επίλυση της ακουστικής εξίσωσης Ffowcs-Williams Hawkings, μέσω ενός υπολογιστικού κώδικα που αναπτύχθηκε γι’ αυτό το σκοπό. Από τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, φάνηκε στα ροδογράμματα κατευθυντικότητας του ήχου, τα επίπεδα της ακουστικής πίεσης να είναι υψηλότερα για θέσεις παρατηρητή ανάντη και κατάντη του ανεμοκινητήρα. / The aim of this study is to represent the aerodynamic and aeroacoustic analysis of horizontal axis wind turbine (ΗAWT) rotors. The calculation of the flow field and the aerodynamic coefficients over the wind turbine rotor are performed using two methodologies, the panel method and the numerical solution of Navier-Stokes equations. These two methodologies are differentiated in the mathematical modeling approach of the flow around the rotor and are utilized in the design and manufacturing phases of horizontal axis wind turbine rotors. Moreover, the results of these two methodologies are compared in terms of the accuracy and the computational time required. For the evaluation of the computational results the experimental wind turbine NREL phase II is chosen as the reference rotor. An invicid/viscous interaction algorithm is developed using integral boundary layer equations coupled with the low order panel method solution in order to account the viscous effects. A parametric analysis of the wind turbine rotor is conducted for different operating conditions. The comparison of the results of the pressure coefficients of the rotating blades for four spanwise positions along the blade with the experimental data shows satisfactory agreement. The analysis of the near and far flow field of HAWT is obtained via CFD by RANS simulations of four different turbulence models (Spalart-Allmaras, k-ε, k-ε RNG and k-ω SST). From the conducted study, it is confirmed the ability of analysis of a HAWT rotor flow field with the RANS equations and the good agreement of the computations with experimental data, when the k-ω SST turbulence model is used. The aeroacoustic analysis of the HAWT is based on the solution of the Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H) equation via a computer code developed for this purpose. The radiation patterns of the calculated aeroacoustic noise show that high level amplitudes are calculated for upwind and downwind positions.

Η σύγχρονη επιστήμη της εξωτερικής βλητικής έχει εξελιχθεί ως εξειδικευμένος κλάδος της δυναμικής των στερεών σωμάτων, που κινούνται υπό την επίδραση της βαρύτητας και των αεροδυναμικών δυνάμεων και ροπών. Στην παρούσα διατριβή μελετάται η προσομοίωση του δυναμικού μοντέλου ατμοσφαιρικής τροχιάς των 6 βαθμών ελευθερίας (6-DOF), εφαρμόζεται για ακριβή πρόβλεψη τροχιών από διάφορες γωνίες βολής σε μικρά και σε μεγάλα βεληνεκή και γίνεται σύγκριση με το γραμμικό μοντέλο τροχιάς, για περιστρεφόμενα ή μη περιστρεφόμενα βλήματα και σφαίρες λαμβάνοντας υπόψη τον αριθμό Mach και τις μεταβολές της συνολικής γωνίας εκτροπής σε σχέση με τους μεταβλητούς και σταθερούς αεροδυναμικούς συντελεστές. Επίσης, μελετώνται τα δύο είδη ευστάθειας του βλήματος: η στατική ή γυροσκοπική ευστάθεια που αφορά τη στατική θέση ισορροπίας του βλήματος και η δυναμική ευστάθεια που αφορά την κινητική του κατάσταση. Η λύση της διαφορικής εξίσωσης για ολοκληρωμένη ή απλοποιημένη κίνηση περιστρεφόμενων αξονοσυμμετρικών βλημάτων, μπορεί να μας περιγράψει την ακρογωνιαία φύση της επικυκλικής κίνησης των βλημάτων. Τέλος, αναπτύσσεται νέα σχέση υπολογισμού της επίδρασης του φαινόμενου της αεροδυναμικής αναπήδησης της ταχύτητας για περιστρεφόμενα βλήματα τα οποία πυροδοτούνται οριζόντια από μεταβλητές γωνίες, μέσα από ιπτάμενο όχημα (ελικόπτερο, πολεμικό αεροπλάνο). / On the battlefield, it is well known that the target effects using artillery systems diminish exponentially with the number of rounds fired at a particular target. To maximize target effects, rounds must be designed to hit a target with a minimum number of rounds that impact the target in rapid succession. The modern science of the exterior ballistics has evolved as a specialized branch of the dynamics of rigid bodies, moving under the influence of gravitational and aerodynamic forces and moments. The six degrees of freedom (6-DOF) simulation flight dynamics model is applied for the accurate prediction of short and long-range trajectories of high and low fin spin-stabilized projectiles and small bullets. Variable coefficients of aerodynamic forces, moments and Magnus effects are taken into account depending on Mach number and total angle of attack variations. The above analysis is compared to the modified linear modified simulation model for rapid trajectory predictions and high accuracy impact point computations for constant and variable aerodynamic coefficients is also applied for the accurate prediction of short and long range trajectories. The computational results of the proposed synthesized analysis give satisfactory agreement with other technical data and recognized exterior atmospheric projectile flight investigations. The variable modified atmospheric flight model can be further coupled to a suitable trajectory tracking control system for current and future control actions applied to projectiles for minimizing the estimated error to target impact area. Epicyclic motion and gyroscopic stability analysis are also examined for spinning and non-spinning projectiles. A new engineering correlation is proposed for the flat-fire disturbance due to aerodynamic jump performance firing at different angles which relative to the helicopter’s flight path motion. The computational results of the generalized aerodynamic jump formula are verified compared to McCoy’s recognized simulation modelling.