EXAMINATION OF SMALL AND LARGE AMPLITUDE AEROELASTIC OSCILLATIONS IN PITCH OF A NACA0012 AIRFOIL

Abstract

One degree of freedom aeroelastic oscillations in pitch of a NACA0012 airfoil at transitional Reynolds numbers were examined experimentally in a wind tunnel using a pitching wing whose elastic axis is at 35% of the chord length from the leading edge. It was found that over the range of airspeeds between 5.2 and 10.3 m/s (5.3 x 10^4 < Re < 11 x 10^5) two distinct limit cycle oscillation regimes existed. The large amplitude oscillation (LAO) regime was characterized by oscillation amplitudes of >25 degrees. The small amplitude oscillation regime (SAO) was characterized by oscillation amplitudes of <3 degrees. The regime that is exhibited by the system is dependent on the initial conditions. Two-dimensional unsteady Reynolds averaged Navier Stokes computations using the gamma-Re model were performed in order to gain physical insight into the flow field and aerodynamic forces at play. Examination of the flow field throughout a small amplitude oscillation cycle shows trailing edge separation which moves towards the leading edge of the wing as the AOA increases. Turbulent transition also occurs near the trailing edge. This leads to a lag between the aerodynamic moment and pitch as the wing pitches through a small amplitude oscillation cycle. It is this lag that feeds the small amplitude limit cycle oscillations by applying the pitching moment about zero degrees AOA. The power spectral density of the small amplitude oscillation computational Cm and Cl data shows frequency peaks at the fundamental frequency of the limit cycle oscillations, the third harmonic, and also a peak that corresponds to von Karman vortex shedding. Examination of the flow fi eld throughout an LAO cycle shows that trailing edge separation starts at low AOAs (~5 degrees) and quickly moves up towards the leading edge as the angle of attack increases. Counter-rotating vortices meet at the leading edge of the wing close to the maximum angle of attack leading to massive stall which causes the wing to pitch down and maintains the oscillation cycle. The power spectral density of the large amplitude oscillation computational Cm and Cl data shows only the fundamental oscillation frequency and several harmonics, indicating that flow transition is not related to the large amplitude oscillations.

Des oscillations aéroélastiques à un degré de liberté en tangage d’une aile NACA0012 à des nombres de Reynolds transitionnels sont étudiées expérimentalement dans une soufflerie à l’aide d’une aile libre dont l’axe de rotation est situé à 0.35c. On a observé que sur la gamme de vitesses de l’air entre 5.2 et 10.3 m/s (5.3 x 10^4 < Re < 11 x 10^5) deux régimes distincts de cycle limite existaient. Le régime d’oscillations à grandes amplitudes était caractérisé par des amplitudes d’oscillation >25 degrés. Le régime d’oscillations à petites amplitudes était caractérisé par des amplitudes d’oscillation <3 degrés. Le régime exhibé par le système dépend des conditions initiales. Des simulations numériques en deux dimensions de type URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes) qui utilisent le modèle gamma-Re furent entreprises afin de solidifier une compréhension physique de l’écoulement et des forces aérodynamiques en présence. L’examen de l’écoulement durant un cycle d’oscillations à petites amplitudes indique un décollement de la couche limite au bord de fuite qui remonte vers le bord d’attaque à mesure que l’angle d’attaque augmente. La transition vers la turbulence se produit aussi près du bord de fuite. Ceci amène à un retard du moment aérodynamique alors que l’aile tangue autour de son axe de rotation. C’est ce retard qui produit et maintient les oscillations à petites amplitudes. La densité spectrale de puissance des Cm et C_l provenant des simulations numériques montre des pics à la fréquence fondamentale du cycle limite, à sa troisième harmonique et aussi à des fréquences qui correspondent à des lâchers de tourbillons de type von Karman. L’examen de l’écoulement durant un cycle d’oscillations à grandes amplitudes indique un décollement de la couche limite au bord de fuite qui commence à de faibles angles d’attaque (~5 degrés) et qui remonte rapidement vers le bord d’attaque à mesure que l’angle d’attaque augmente. Des tourbillons contrarotatifs se rencontrent au bord d’attaque lorsque l’aile est près de son angle maximum amenant à un décollement massif qui cause un tangage vers le bas et le maintien du cycle d’oscillations. La densité spectrale de puissance des Cm et Cl provenant des simulations numériques montre seulement des pics à la fréquence fondamentale du cycle limite et à plusieurs de ses harmoniques, cela indiquant que la transition n’est pas reliée aux oscillations de grandes amplitudes.