Numerical Investigation of Natural Jet Flow Control on NACA 4412 Airfoil for Low Speed Aircrafts. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF thesis-Hasan-Bahadi-g202319510.pdf Restricted to Repository staff only until 11 June 2027. Download (6MB)

Arabic Abstract

تقدم هذه الرسالة دراسة عددية للتحكم الطبيعي في الجريان للهواء عبر الفتحات على جنيح NACA 4412 من خلال فتحة داخلية منحنية ومتدرجة بالعرض، بهدف تحسين الأداء الأيروديناميكي عند زوايا الهجوم العالية المرتبطة بظروف تشغيل الطائرات منخفضة السرعة. تنبع أهمية هذه الدراسة من الحاجة إلى مفاهيم تحكم طبيعي لتفادي الانفصال لجزئيات الهواء عن سطح الجناح والتي بدورها قادرة على تأخير السقوط للطائرة، وتعزيز الرفع، وتحسين الكفاءة الأيروديناميكية دون الحاجة إلى أي مصدر طاقة خارجي. وقد نُفذت الدراسة على ثلاث مراحل: تقييم مقارن للفتحة المنحنية-المتدرجة مقابل فتحة مستقيمة مرجعية، ثم دراسة بارامترية منهجية لتحسين الخصائص للفتحة، وأخيرًا تحليل موسع لمفاهيم مطورة للفتحة. أُجريت المحاكاة باستخدام معادلات نافير-ستوكس المعدلة بمتوسط رينولدز ثنائية الأبعاد وفي حالة مستقرة، مع استخدام نموذج الاضطراب SST k-ω ودقة قرب الجدار عند(y^+≈1) في الدراسة المقارنة، تم تقييم الفتحة المنحنية-المتدرجة مقارنةً بجنيح صلب وحالة مرجعية ذات فتحة مستقيمة مستندة إلى الأدبيات، وذلك ضمن مدى أعداد رينولدز Re≈1.6−2.4×106، وسرعات جريان حرة مقدارها 24 و30 و36 م/ث، وزوايا هجوم من 0° إلى 20° أظهرت النتائج أن الفتحة المنحنية زادت من الرفع، وخفضت السحب، وأخرت الانهيار من نحو 18° إلى 19° ، كما حسّنت نسبة الرفع إلى السحب بنحو 34-39% عند زوايا هجوم بين 14°و 18° مقارنةً بالحالة المرجعية ذات الفتحة المستقيمة. بعد ذلك، أُجريت دراسة بارامترية عند سرعة جريان حرة V∞=24 م/ث (Re≈1.6×106) وعند زوايا هجوم بين 12° و20°، بهدف تحسين موقع المدخل، وعرض المدخل، ونسبة التدرج، والانحناء. وتم تحديد الموقع الأمثل للمدخل عند X_i=0.42، في حين وُجد أن أفضل اقتران بين عرض المدخل ونسبة التدرج يتحقق عند W_i=0.33 و λ=0.55 كما أظهرت دراسة الانحناء أن القيمة R/c=0.5 تحقق أعلى كفاءة أيروديناميكية، مما يجعلها الأنسب لظروف الإقلاع، بينما أعطت القيمة (R/c=1) رفعًا وسحبًا أعلى قليلًا قرب الانهيار، مما يجعلها أكثر ملاءمة لظروف الهبوط. وبالمقارنة مع الجنيح الأساسي، أخرت الفتحات المثلى الانهيار من نحو 16° إلى 19°، وزادت الرفع بنسبة تتراوح بين 4% و31%، وخفضت السحب بما يصل إلى 36%، كما حسّنت نسبة (Cl /Cd) بما يصل إلى نحو 105% ضمن نطاق زوايا الهجوم العالية. وتناولت الدراسة الموسعة ثلاثة جوانب إضافية: تنعيم انحناء نهايتي الفتحة المثلى، وترتيبات الفتحتين، وتأثير سرعة الجريان الحر على الموقع المفضل لمخرج الفتحة. وقد أدى تعديل انحناء نهايتي الفتحة إلى زيادات طفيفة ولكن منتظمة في الرفع والكفاءة الأيروديناميكية دون زيادة مؤثرة في السحب. كما أن إضافة فتحة أمامية إلى الفتحة المثلى للإقلاع رفعت الأداء عند زوايا الهجوم العالية ليصل معامل الرفع إلى نحو (Cl≈2.2) قرب 20 ° ، مع وجود زيادة طفيفة في السحب عند الزوايا المنخفضة. أما إضافة فتحة خلفية فقد تبيّن أنها أكثر ملاءمة لظروف الهبوط، وكانت أفضل استجابة عند X_e=0.85 وأظهرت الدراسة المعتمدة على السرعة أن الموقع المفضل لمخرج الفتحة بقي عند X_e=0.634 ضمن مدى السرعات المدروسة 24 و36 و48 م/ث، مما يدل على أن تغيير موقع المخرج وحده غير كافٍ لتحسين الأداء تحت ظروف جريان مختلفة. بوجه عام، تُظهر النتائج أن الفتحة الداخلية السلبية المنحنية-المتدرجة، عند تصميمها بصورة مناسبة، يمكن أن تحسن بصورة ملحوظة الأداء الأيروديناميكي عند زوايا الهجوم العالية من خلال تعزيز زخم الطبقة الحدية، وتأخير الانفصال، وزيادة الكفاءة الأيروديناميكية. وتوفر هذه النتائج أساسًا مفيدًا لتوجيه تصميم تطبيقات التحكم السلبي في الجريان على الجنيحات منخفضة السرعة، ولا سيما في حالتي الإقلاع والهبوط.

English Abstract

This thesis presents a numerical investigation of passive natural-jet flow control on a NACA 4412 airfoil using a curved and tapered internal slot intended to improve aerodynamic performance at high angles of attack relevant to low-speed aircraft operation. The study is motivated by the need for passive separation-control concepts that can delay stall, enhance lift, and improve aerodynamic efficiency without external power input. The work was carried out in three stages: a comparative assessment of a curved-tapered slot against a straight-slot reference, a systematic parametric study of the slot geometry, and an extended analysis of refined slot concepts. The simulations were performed using two-dimensional steady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with the SST k-ω turbulence model and near-wall resolution of y+≈1. In the comparative study, the curved-tapered slot was evaluated against a solid airfoil and a literature-based straight-slot configuration over Re≈1.6-2.4×106, freestream velocities of 24, 30, and 36 m/s, and angles of attack from 0° to 20°. The curved slot increased lift, reduced drag, delayed stall from about 18° to 19°, and improved Cl/Cd by about 34-39% at AoA=14°-18° relative to the straight-slot baseline. A parametric study was then conducted at V∞=24 (Re≈1.6×106) over AoA=12°-20° to optimize inlet location, inlet width, taper ratio, and curvature. The optimum inlet location was identified at X_i/c=0.42, while the most favorable coupled width-taper combination was found at W_i/c=0.03 and λ=0.55. Curvature refinement showed that R/c=0.5 maximized aerodynamic efficiency, making it optimal for takeoff, whereas R/c=1 produced slightly higher lift and drag near stall, making it more suitable for landing. Relative to the baseline airfoil, the optimized configurations delayed stall from about 16° to 19°, increased lift by 4-31%, reduced drag by up to 36%, and improved C_l⁄C_d by up to about 105% in the high-incidence range. The extended study examined three additional aspects: adding fillets to the slot end of the optimum slot geometry, two-slot arrangements, and the influence of freestream velocity on the preferred slot exit location. The filleted slot-end modification produced small but consistent gains in lift and aerodynamic efficiency without a meaningful drag penalty. Adding an upstream slot to the takeoff-optimum configuration increased high-angle-of-attack lift to about Cl≈2.2 near 20°, although with a modest drag penalty at lower angles of attack. A downstream additional slot was found to be more suitable for landing, with the best response obtained at X_e=0.85. The velocity-dependent analysis showed that the preferred exit location remained at X_e=0.634 over the tested range of 24, 36, and 48 m/s, indicating that exit-location changes alone are insufficient to improve performance under varying flow conditions. Overall, the results demonstrate that a properly designed curved-tapered passive internal slot can substantially improve high-angle-of-attack aerodynamic performance by strengthening boundary-layer momentum, delaying separation, and increasing aerodynamic efficiency. The findings provide useful design guidance for passive flow-control applications on low-speed airfoils, particularly for takeoff and landing conditions.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Aerospace
Department:	College of Engineering and Physics > Aerospace Engineering
Thesis Advisor:	Salman Al-fifi,
Thesis Committee Members:	Naef Qasem, Sultan Ghazzawi,
Depositing User:	HASAN BAHADI
Date Deposited:	22 Jun 2026 07:00
Last Modified:	22 Jun 2026 07:00
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144570