Deniz canlılarından elde edilen biyobenzetim tabanlı pasif akış kontrol yöntemlerinin kanat yüzeylerine uygulanmasının deneysel incelenmesi
Experimental investigation of the application of biomimicry-based passive flow control methods derived from marine animals to wing surfaces
- Tez No: 1024885
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MUHARREM HİLMİ AKSOY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Konya Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu doktora tezinde, deniz canlılarının deri/yüzey yapılarından esinlenilerek geliştirilen biyobenzetim tabanlı pasif akış kontrol yöntemlerinin NACA 63-215 kanat profili üzerindeki aerodinamik etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Çalışma kapsamında akış kontrolsüz referans kanat ile farklı biyobenzetim tabanlı girdap üreteçlerine sahip toplam 12 farklı kanat modeli üretilmiş ve 10x10 cm ile 30x10 cm boyutlarındaki kanatlar üzerinde rüzgâr tüneli ve Parçacık Görüntülemeli Hız Ölçüm (PIV) deneyleri gerçekleştirilmiştir. Rüzgâr tüneli deneyleri Re=2x10⁴, 5x10⁴, 7,5x10⁴ ve 1x10⁵ Reynolds sayılarında yürütülürken, PIV deneyleri ise Re=2x10⁴ Reynolds sayısında gerçekleştirilmiştir. 10x10 cm kanatlarda gerçekleştirilen rüzgâr tüneli deneyleri, Reynolds sayısının artmasıyla birlikte biyobenzetim tabanlı girdap üreteçlerinin aerodinamik etkilerinin daha belirgin hâle geldiğini göstermiştir. (Re=7,5x104) koşulunda akış kontrolsüz referans kanatta maksimum kaldırma katsayısı yaklaşık (CL=0,95) seviyesine ulaşmış, maksimum aerodinamik verimlilik ise yaklaşık (CL/CD=2,7-2,8) aralığında elde edilmiştir. Biyobenzetim tabanlı konfigürasyonlar içinde özellikle sazan balığı pulu VG kanadın referans kanada en yakın ve en dengeli performansı sergilediği, sazan balığı pulu ve mersin balığı tabanlı girdap üreteçlerinin ise akış ayrılmasını geciktirme ve yüksek hücum açılarındaki ani kaldırma kayıplarını azaltma açısından öne çıktığı belirlenmiştir. 30x10 cm kanatlarda açıklık oranının artmasına bağlı olarak uç girdabı etkilerinin 10x10 cm kanatlara kıyasla azaldığı ve akış yapısının daha kararlı hâle geldiği görülmüştür. Reynolds sayısına bağlı değerlendirmeler, (Re=2x104) koşulunda biyobenzetim tabanlı kanatların düşük hızlı akış rejiminde sınırlı ancak belirgin akış kontrol etkileri oluşturduğunu; buna karşılık (Re=1x105) koşulunda aerodinamik verimliliğin önemli ölçüde arttığını göstermiştir. Yüksek Reynolds sayısında 30x10 cm referans kanatta maksimum (CL/CD) değeri yaklaşık 9-10 seviyesine, sazan balığı pulu VG kanatta ise yaklaşık 7-8 seviyesine ulaşmıştır. Bu sonuçlar, referans kanadın düşük hücum açılarında en yüksek anlık aerodinamik verimi sağladığını; biyobenzetim tabanlı girdap üreteçlerinin ise özellikle orta ve yüksek hücum açılarında akış ayrılmasını geciktirme, kaldırma üretimini daha kararlı hâle getirme ve performans kayıplarını daha kontrollü bir yapıya dönüştürme açısından avantaj sunduğunu ortaya koymuştur. 10x10 cm kanatlar için yapılan PIV analizlerinde, biyobenzetim tabanlı yüzeylerin özellikle düşük açıklık oranına bağlı olarak oluşan akış ayrılması ve türbülans yapıları üzerinde belirgin etkiler oluşturduğu görülmüştür. Z/s=0,1 ve Z/s=0,5 düzlemlerinde gerçekleştirilen ölçümlerde, sazan balığı pulu VG ve mersin balığı VG kanatların daha düzenli hız dağılımları oluşturduğu, akış ayrılmasını geciktirdiği ve türbülans yapısını daha kontrollü hâle getirdiği belirlenmiştir. Özellikle bu konfigürasyonlarda kanat arkasında oluşan düzensiz hız dalgalanmalarının azaldığı ve daha kararlı akış bölgeleri meydana geldiği görülmüştür. Buna karşılık köpek balığı anten VG kanat bazı durumlarda parçalı ve düzensiz türbülans bölgeleri oluşturduğu, özellikle düşey hız dalgalanmalarının daha kararsız bir karakter sergilediği belirlenmiştir. 30x10 cm kanatlar için gerçekleştirilen PIV analizlerinde ise açıklık oranının artmasına bağlı olarak uç girdabı etkilerinin azaldığı ve akışın genel olarak daha kararlı hâle geldiği görülmüştür. Özellikle biyobenzetim tabanlı bazı konfigürasyonlarda kanat arkasında oluşan akış bölgesindeki hız dalgalanmalarının yaklaşık %15 oranında azaldığı belirlenmiştir. Sazan balığı pulu VG ve mersin balığı VG kanatların daha homojen hız dağılımları oluşturduğu, akış ayrılmasını geciktirdiği ve türbülans yapısını daha dengeli hâle getirdiği tespit edilmiştir. Buna karşılık köpek balığı anten yapısından esinlenilen girdap üretecinin bazı durumlarda daha düzensiz türbülans bölgeleri oluşturduğu görülmüştür. Genel olarak 30x10 cm kanatlarda biyobenzetim tabanlı yüzeylerin daha kararlı akış karakteristiği oluşturduğu ve akış yapısını iyileştirdiği belirlenmiştir. Rüzgâr tüneli ve PIV sonuçları birlikte değerlendirildiğinde Sazan balığı pulu VG, çoklu performans ölçütleri birlikte değerlendirildiğinde en dengeli konfigürasyonlardan biri olarak öne çıkmıştır. Bu kanat, orta hücum açılarında daha yüksek aerodinamik verimlilik ve daha kararlı akış karakteristiği göstermiştir. Sonuç olarak biyobenzetim tabanlı pasif akış kontrol yöntemlerinin uygun Reynolds sayılarında kanat aerodinamik performansını iyileştirebildiği ortaya konulmuştur.
Özet (Çeviri)
In this doctoral thesis, the aerodynamic effects of biomimetic passive flow control methods inspired by the skin/surface structures of marine creatures on the NACA 63-215 airfoil were experimentally investigated. Within the scope of the study, a total of 12 different wing models, including a baseline wing without flow control reference wing and wings equipped with various biomimetic vortex generators, were manufactured, and wind tunnel and Particle Image Velocimetry (PIV) experiments were conducted on wings with dimensions of 10x10 cm and 30x10 cm. Wind tunnel experiments were performed at Reynolds numbers of Re=2x10⁴, 5x10⁴, 7.5x10⁴, and 1x10⁵, while the PIV experiments were conducted at Re=2x10⁴. Wind-tunnel experiments conducted on the 10x10 cm wings showed that the aerodynamic effects of the biomimetic vortex generators became more pronounced with increasing Reynolds number. Under the Re=7,5x104 condition, the uncontrolled reference wing reached a maximum lift coefficient of approximately CL=0.95, while the maximum aerodynamic efficiency was obtained in the range of approximately CL/CD=2.7-2.8. Among the biomimetic configurations, the carp-scale-inspired VG wing exhibited the most balanced performance and the closest aerodynamic response to the reference wing. In addition, the carp-scale- and sturgeon-inspired vortex generators were found to be particularly effective in delaying flow separation and reducing abrupt lift losses at high angles of attack. For the 30x10 cm wings, the increase in aspect ratio reduced the influence of tip vortices compared with the 10x10 cm wings and resulted in a more stable flow structure. Reynolds-number-dependent evaluations indicated that, under the Re=2x10⁴ condition, the biomimetic wings generated limited but noticeable flow-control effects in the low-speed flow regime. In contrast, under the Re=1x10⁵ condition, the aerodynamic efficiency increased substantially. At the higher Reynolds number, the maximum CL/CD value reached approximately 9-10 for the 30x10 cm reference wing and approximately 7-8 for the carp-scale-inspired VG wing. These results demonstrate that the reference wing provides the highest instantaneous aerodynamic efficiency at low angles of attack, whereas the biomimetic vortex generators offer advantages particularly at moderate and high angles of attack by delaying flow separation, stabilizing lift generation, and transforming performance losses into a more controlled aerodynamic response. PIV analyses conducted on the 10x10 cm wings revealed that biomimetic surfaces had significant effects on flow separation and turbulence structures, particularly due to the low aspect ratio. Measurements performed at Z/s=0.1 and Z/s=0.5 planes showed that the carp scale VG and sturgeon VG wings produced more regular velocity distributions, delayed flow separation, and created a more controlled turbulence structure. In these configurations, irregular velocity fluctuations behind the wing were reduced and more stable flow regions were formed. In contrast, the shark antenna VG wing generated fragmented and irregular turbulence regions in some cases, especially exhibiting unstable vertical velocity fluctuations. For the 30x10 cm wings, PIV analyses demonstrated that the increased aspect ratio reduced wingtip vortex effects and provided a generally more stable flow field. In some biomimetic configurations, velocity fluctuations in the wake region behind the wing decreased by approximately 15%. The carp scale VG and sturgeon VG wings generated more homogeneous velocity distributions, delayed flow separation, and produced a more balanced turbulence structure. On the other hand, the shark antenna-inspired vortex generator occasionally produced more irregular turbulence regions. Overall, biomimetic surfaces on the 30x10 cm wings generated a more stable flow characteristic and improved the overall flow structure. When wind tunnel and PIV results are evaluated together, carp scale VG stands out as one of the most balanced configurations when multiple performance metrics are considered together. This wing exhibited higher aerodynamic efficiency and a more stable flow characteristic at moderate angles of attack. As a result, it was demonstrated that biomimetic passive flow control methods can improve the aerodynamic performance of wings under appropriate Reynolds number conditions.
Benzer Tezler
- Extraction of polysaccharides from waste seaweed and examining their film forming properties
Atık deniz yosunlarından polisakkaritlerin elde edilmesi ve film oluşturma özelliklerinin incelenmesi
HATİCE DEMİRCİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ CÜNEYT HÜSEYİN ÜNLÜ
- Deniz ürünlerinden ultrason destekli ekstraksiyon yöntemi ile kolajen eldesi
Collagen extraction from sea products by ultrasound assisted extraction method
KÜBRA GÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Kimya Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ASLI GÖK
DR. ÖĞR. ÜYESİ EMRE YEMİŞKEN
- Kitosan-sodyum aljinat biyopolimerik nanopartiküllerinin hazırlanması ve nar kabuklarından ekstrakte edilen antioksidanların enkapsülasyonu
Preparation of chitosan-sodium alginate biopolymeric nanoparticles and encapsulation of antioxidants extracted from pomegranate peels
AYLİN KAZOLUK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Bilim ve Teknolojiİzmir Katip Çelebi ÜniversitesiNanobilim ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET AYKAÇ
- Co-production of chitin nanofibers, proteins, and lipids in marine diatoms belonging to the Thalassiosira genus
Thalassiosira cinslerine ait deniz diatomlarında kitin nanoliflerinin, proteinlerin ve lipidlerin eş zamanlı üretimi
TUĞÇE SEZGİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Çevre Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALTAN ÖZKAN
- Çok doymamış yağ asitleri bakımından zengin alg ilave edilen yemlerin levrek (Dicentrarchus albrax L., 1758)'de büyüme performansı ve vücut komposizyonuna etkisi
Effects of pufa (Polyunsaturated fatty acids) enriched algae added diets on growth and body composition of sea bass (Dicentrarchus labrax L., 1758)
KAMİL MERT ERYALÇIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2006
Su Ürünleriİstanbul ÜniversitesiSu Ürünleri Yetiştiriciliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERDAL ŞENER