Master's Thesis

Stability of airfoils with leading edge tubercles and trailing edge serrations

Final Thesis 3.92 MB Appendix 1.17 MB

Author of thesis: Bc. Matej Zrnčík

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. David Štefan, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Jaroslav Štigler, Ph.D.

Abstract:

This thesis focuses on improving stability of an pitching NACA0012 airfoil in a dynamic
stall scenario using CFD. Calculations are carried out at high Reynolds number of 1,5*106
and high reduced pitching frequencies. Stability improvement is done by modifiying the
airfoil with leading edge tubercles and trailing edge serrations. Unmodified NACA airfoil
numerical calculation was validated on a experiment done by Binbin Wei, Yongwei Gao
and Shuling H. Used geometries for tubercles and serrations were based on previous studies
which investigated their use on NACA profiles. Comparison between unmodified and
modified airfoil are carried out by investigating forces acting on the airfoil and their relation
to airfoils angle of attack. Flow field around the respective airfoils is resolved and analysed
to answer how and why is the airfoils stability impacted.

Keywords:

Airfoil, tubercles, serrations, pitching, stability

Date of defence

08.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

V úvodu obhajoby student v rámci vymezeného časového limitu seznámil zkušební komisi s cíli, metodikou a výsledky své diplomové práce na téma Stabilita profilů křídel s hrbolky na náběžné hraně a vroubkováním na odtokové hraně. Následně byly komisi předneseny posudky vedoucího práce a oponenta. V rámci těchto posudků byly shrnuty hlavní body práce a oponentem byly formulovány otázky k obhajobě. Student následně reagoval na otázky uvedené v posudku oponenta. V poslední fázi obhajoby položili členové zkušební komise dotazy vztahující se k tématu diplomové práce, na které student odpověděl. Průběh obhajoby diplomové práce byl tímto ukončen a komise přistoupila k neveřejnému zasedání a hodnocení.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Power and Thermo-fluid Engineering (N-ETI-P)

Specialization

Fluid Engineering (FLI)

Composition of Committee

prof. Ing. František Pochylý, CSc. (místopředseda)
doc. Ing. Jaroslav Štigler, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Simona Fialová, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Tomáš Profant, Ph.D. (člen)
Ing. Aleš Skoták, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Sylva Drábková, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Vladimír Habán, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Petr Koňas, Ph.D. (člen)
Ing. David Štefan, Ph.D. (člen)
Ing. Radek Veselý (člen)

Supervisor’s report
Ing. David Štefan, Ph.D.

Předložená diplomová práce se zabývá problematikou stability profilu křídla s dynamicky se měnícím úhlem náběhu. Hlavní přínos spočívá v posouzení efektu tvarové modifikace náběžné a odtokové hrany ve formě zvlnění o různé velikosti amplitudy a vlnové délky. Student Matej Zrnčík si dané téma vybral ze své vlastní iniciativy a zájmu, a to se také projevilo v ve formě s jakou student po celou dobou pracoval. Všechny cíle zadání byly splněny, práce je napsaná přehledně a uceleně a autor z výsledků vyvozuje kvalitní a věcné závěry.

S ohledem na výše uvedené doporučuji diplomovou práci k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Student se ve své práci zabývá velice zajímavým a aktuálním tématem, které se týká vlivu úpravy náběžné a odtokové hrany na dynamické odtržení proudění od profilu. V první části práce se zabývá inspirací z přírody, která následně vede i k různým aplikacím těchto úprav v průmyslu. V úvodní části zmiňuje i experimenty, na základě kterých validuje své výpočtové modelování.
Dále popisuje geometrii výpočtové oblasti a profilu včetně variant úprav náběžné a odtokové hrany. Definuje okrajové podmínky úlohy. Následuje popis tvorby výpočtové sítě a metody pohybu profilu. Zdůvodňuje volbu použitého modelu turbulence a volbu časového kroku.
Následně jsou provedeny výpočty a proveden rozbor dosažených výsledků pro jednotlivé úpravy. Modelování pohybujícího se profilu je poměrně náročné, ale student si tím poradil velmi dobře.
Práce je na velmi dobré úrovni. Je psána přehledně. V textu se objevují drobné překlepy. Problémem, který občas ztěžoval přehlednost práce je to, že autor používal některé zkratky dříve, než je definoval. To se týká hlavně abstraktu a rozšířeného abstraktu. To se týká i použití některých pojmů nebo veličin. Občas se objevovala ne příliš srozumitelná vyjádření, kdy některá slova ve větách přebývala a někdy zase scházela.
Analýza proudění byla provedena poměrně podrobně. Zdůvodnění různých jevů a toho, že dané úpravy nenaplnily očekávání byla poměrně obecná jako hrubost sítě, vysoké Re, velký časový krok. Chyběla mi trochu nějaká rozvaha jak, na základě získaných výsledků, pozměnit geometrii úprav náběžné hrany tak, abychom dosáhli požadovaných výsledků.
Student splnil cíle zadání diplomové práce. Proto práci doporučuji k obhajobě.

Příklady překlepů, nepřesností a připomínek:
Abstrakt: naklpějící místo naklápějící
Asi není vhodné používat slova touhle, tohle
Stálo by za rozmyšlení jestli používat airfoil stability nebo airfoil flow stability, jde o to jestli se jedná o stabilitu profilu, nebo stabilitu proudění kolem profilu.
str. 8: ... drop is airfoils lift coefficient. asi spíše ... drop of airfoils lift coefficient.
str. 9: Nesrozumitelná věta: Higher amplitudes provide softer stall characteristics with lower over all lift while lower amplitudes do the opposite.
str. 13: Označení vztlakové síly L, odporové síly D a normálové síly N, není moc vhodné bylo by asi lepší FL, FD, FN.
vztah 2.3 - bylo by možná dobré k tomuto vztahu přidat obrázek. Proč jste nepoužil jednodušší vztah FN = FL .cos (alfa) + FD.sin(alfa). ?
str. 19: Mesh created using Ansys Mechanical and can be seen in Fig. 3.5. Asi tam nepatří to "and".
str. 40: píšete: ... wall shear stress of the airfoil rated in [Pa] is rendered in x axis. Asi by mělo spíše jít o zobrazení složky smykového napětí ve směru x?
str. 43: při odkazu na obrázky je lepší používat figure, než picture.
str. 58: píšete: There seem to be trend of BE airfoils showing flow separation at a bit lower AoA but difference this small can again be caused by numerical solver inaccuracy.
Asi by bylo lepší: ... "but this small difference can be" caused by numerical solver inaccuracy.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita C
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Geometrie, která je testována vlastně neodpovídá tomu, co vidíme na ploutvích keporkaka. Existuje nějaká literatura, kde by náběžná hrana nebyla tvarována pomocí sinus funkce, ale byly by tam výstupky dále od sebe?
  2. Nepomohlo by, pro snížení objemu výpočtů, snížit velikost celkové oblasti ze 40.c třeba na 30.c? Prováděl jste nějaké testování kam vliv obtékání kolem profilu dosahuje?
  3. Na straně 32 máte následující výrok. Stream wise vortices are also pulling the free stream flow from above down to the surface of the airfoil. Meaning they push down on a boundary layer making it separate later at higher AoA, in theory. Na základě čeho jste k tomuto tvrzení přišel?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová