Characterization of flow structures around an airfoil at ultra-low to low reynolds number regime and flow control at critical attack angles
Ultra-düşük ve düşük reynolds sayılarında hava folyesi etrafındaki akış yapılarının incelenmesi ve kritik saldırı açılarında akışın kontrol
- Tez No: 1010981
- Danışmanlar: DOÇ. DR. GÖKTÜRK MEMDUH ÖZKAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Kanatçık, hesaplamalı akışkanlar dinamiği, hücum kenarı çıkıntıları, laminer ayrılma kabarcığı, Airfoil, computational fluid dynamics, leading-edge tubercles, laminar separation bubble
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Çukurova Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Son yıllarda, ultra düşük Reynolds sayılarında çalışan kanat profillerinin aerodinamik performansı, özellikle mikro hava araçları (MAV), insansız hava sistemleri (UAS) ve küçük ölçekli rüzgar türbinleri gibi uygulamalar için büyük önem kazanmıştır. Bu tür düşük hız uygulamalarında karşılaşılan en temel sorunlar, erken sınır tabaka ayrılması ve buna bağlı olarak ani taşıma kaybı ile sürüklemenin artmasıdır. Bu çalışmada, kambur balinanın göğüs yüzgeçlerinden esinlenerek geliştirilen bir pasif akış kontrol yöntemi olan dalga formundaki ön kenar çıkıntıları (tubercles) incelenmiştir. Bu tezde, NACA0012 kanat profiline uygulanan sinüzoidal ön kenar çıkıntılarının aerodinamik etkileri, Re = 5300 ve Re = 10000 Reynolds sayılarında sayısal yöntemlerle detaylı olarak araştırılmıştır. Çalışma iki ana bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde, dört denkleme sahip Geçişli SST türbülans modeli ile birlikte RANS (Reynolds Averaged Navier–Stokes) yöntemi kullanılarak ön kenar çıkıntılarının genlik ve dalga boyu oranlarının aerodinamik performansa etkileri parametrik olarak incelenmiştir. İkinci bölümde ise, birinci çalışmada en iyi performansı gösteren konfigürasyon, daha yüksek doğruluk sağlayan Ölçek Uyarlamalı Simülasyon (SAS) modeli ile detaylı şekilde analiz edilmiştir. RANS tabanlı analizler, uygun şekilde tasarlanmış ön kenar çıkıntılarının kaldırma katsayısını %124'e kadar, kaldırma/sürükleme oranını ise %51'e kadar artırabildiğini göstermiştir. Bu performans artışı, ön kenar çıkıntılarının oluşturduğu zıt yönlü dönen girdapların sınır tabaka ile serbest akım arasındaki momentum aktarımını güçlendirmesine bağlanmaktadır. SAS modeliyle yapılan ileri düzey analizler ise, laminer ayrılma kabarcıkları, ve Kelvin–Helmholtz kararsızlıkları gibi karmaşık akış yapılarının ayrıntılı bir şekilde ortaya konmasını sağlamıştır. Orijinal NACA 0012 profili, tüm hücum açılarında tam sınır tabaka ayrılması yaşarken; burun çıkıntılı konfigürasyonlar daha iyi akış yapışması ve düzenli girdap yapıları göstermiştir. Bu tez, sinüzoidal ön kenar çıkıntılarının ultra düşük ve düşük Reynolds sayısı rejiminde ilk kez bu düzeyde detayla analiz edildiğini ortaya koymaktadır. RANS ve SAS modelleri ile yapılan sayısal analizler, bu biyomimetik tasarımın düşük hızlı, hafif hava taşıtları için önemli avantajlar sunduğunu göstermektedir. Bu tez, geleneksel aktif akış kontrolünün pratik olmadığı düşük hızlı hafif havacılık uygulamaları için pratik bir öneme sahiptir.
Özet (Çeviri)
In recent years, aerodynamics of airfoils at ultra-low Reynolds numbers gained wide interest for micro air vehicles (MAVs), unmanned aerial vehicles (UAVs), and small-scale turbine applications. Despite several efforts, flow separation and early stall are significant issues which largely limit lift as well as increase drag at such low Reynolds numbers. Inspired by humpback whale pectoral flippers, this thesis explores a passive flow control strategy by incorporating leading-edge tubercles. The present thesis contributes to a detailed numerical analysis on aerodynamic performance of sinusoidal leading-edge tubercles on the NACA 0012 airfoil at Reynolds numbers of Re = 5300 and Re = 10000. The present analysis involves two main parts. The first utilizes the Reynolds-Averaged Navier–Stokes (RANS) method with the four-equation Transition SST turbulence model to perform a parametric study on amplitude and wavelength effect of tubercles on aerodynamic performance. The second focuses on a high-fidelity analysis using the Scale-Adaptive Simulation (SAS) model, which further explores flow structures for the most promising tubercled configuration identified in the first study. The parametric study via simulations with RANS-based methods proved that optimized tubercles could highly improve aerodynamic performance with improvement up to 124% lift coefficient and 51% lift-to-drag ratio at certain tubercle geometric parameters. The optimized performance is found to be due to generation of counter-rotating vortices which delay separation and accelerate the momentum exchange between boundary layer and freestream. The high-fidelity analysis via Scale-Adaptive Simulation (SAS) resolved the flow details, such as laminar separation bubbles, and Kelvin–Helmholtz instabilities, together with additional details on tubercle-induced flow structure. Contrary to the baseline NACA 0012 that had early and complete boundary layer separation with no laminar separation bubble emergence, the tubercled cases had increased reattachment of flow and formed a laminar separation bubble in certain modified airfoils. The present study shows for the first time evidence of success of sinusoidal leading-edge tubercles at ultra-low to low Reynolds number regime through RANS and SAS simulations. The thesis is of practical significance to low-speed lightweight aviation where ordinary active flow control is impractical.
Benzer Tezler
- Fabrication and characterization of polysulfone hollow fiber membranes as an artificial lung
Yapay akciğer olarak içi boşluklu fiber polisülfon membranların imalatı ve karakterizasyonu
OĞUZ ORHUN TEBER
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Dizel içten yanmalı motorlarda silindir içerisindeki hava hareketlerinin incelenmesi
In-cylinder flow characterization of air in diesel internal combustion engines
CEM DEMİRKESEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÜNER ÇOLAK
- Synthesis and characterization of polyimide derivative adhesives
Poliimid türevi yapıştırıcıların sentezi ve karakterizasyonu
OKTAY ACAR
Doktora
İngilizce
2018
Polimer Bilim ve Teknolojisiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA MUAMMER DEMİR
DOÇ. DR. SEHA TİRKEŞ
- Synthesis & characterization of CdSe/ZnS quantum dots
CdSe/ZnS kuantum noktalarının sentezi ve karakterizasyonu
HAKAN AYDIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ ÜNLÜ
- Synthesis and characterization of fluorene-type and hydrogenated amorphous carbon thin films in RF and DC glow discharges
Fluoren-tipi ve hidrojenlenmiş amorf karbon ince fimlerinin RF ve DC elektriksel boşalmaları altında sentezlenmesi ve karakterizasyonu
DOĞAN MANSUROĞLU
Doktora
İngilizce
2015
Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADRİ SİNAN BİLİKMEN