Finite element approach to plunging airfoil aerodynamics
Çırpan kanat aerodinamiği için sonlu elemanlar yaklaşımı
- Tez No: 291982
- Danışmanlar: PROF. DR. AYDIN MISIRLIOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aircraft Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2009
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 87
Özet
Bu çalışmanın amacı aşağı ve yukarı yönlerinde sinüzoidal salınım hareketi yapan çırpan kanadın genel aerodinamik davranışını hesaplamalı akışkanlar mekaniği aracılığıyla anlamak ve kullandığımız sonlu elemanlar yöntemini içeren ticari olmayan FORTRAN kodunun, bundan sonra yapılacak çalışmalar için yeterliliğini tespit etmektir. Bunun için NACA0012 simetrik kanat profili etrafındaki düzgün, zamana bağlı, sürtünmeli, sıkıştırılamaz akış, C tipi ızgaralardan oluşmuş çözüm ağı kullanılarak ve Navier-Stokes denklemlerini çözen FORTRAN kodu aracılığıyla sayısal olarak analiz edildi. Problemin sayısal olarak çözümü için Galerkin sonlu elemanlar yöntemi, zamanda ayrıklaştırma için parçalı adımlar yöntemi, akışkan-cisim etkileşiminin tespiti için keyfi Lagrange-Euler tanımı ve hareketli sınırlarda entegral işleminin yapılabilmesi için dört boyutlu uzay-zaman elemanları kullanılmıştır. Bu yöntemler ayrıntılı olarak Mısırlıoğlu (Misirlioglu, 1998) tarafından açıklanmıştır.Problemin bilgisayar programı ile çözümüne başlayabilmek için ilk önce ideal çözüm ağının tespit edilebilmesi amacıyla çözünürlük araştırması yapıldı. Farklı sayıda eleman içeren C tipi ızgaralardan oluşmuş çözüm ağları kullanılarak ve diğer bütün koşullar sabit tutularak sayısal olarak kontrol deneyleri yapıldı. 5880, 24000 ve 30000 elemanlı 3 farklı çözüm ağı ile aynı koşullar için sayısal analiz gerçekleştirildi. Sonuçta 24000 ve 30000 elemanlı çözüm ağları ile yapılan sayısal analizlerin sonuçlarının tamamen aynı olduğu görüldü. Bu yüzden 24000 elemanlı çözüm ağı, daha fazla elemanlı çözüm ağlarıyla yapılan sayısal analizlerin çok uzun sürmesi ve aynı sonuçları vermesi nedeniyle, ideal çözünürlük olarak tespit edildi ve tüm sayısal analizlerde bu çözüm ağı kullanıldı.İdeal çözüm ağının belirlenmesinden sonra yapacağımız sayısal analizlerin doğruluğundan ve kabul edilebilir olduğundan emin olmak için kodu doğrulama işlemi yapıldı. Bunun için ilk olarak genlik ve frekansın geniş bir aralığı için toplam 207 sayısal analiz gerçekleştirildi. İtki ve sürükleme kuvvetlerinin etkin olduğu durumlar ve itki ile sürükleme kuvvetinin birbirine eşit olduğu sıfır kuvvet eğrisi tespit edildi. İkinci olarak itki katsayısının frekans ve genliğin çarpımı olan kh değerine göre değişimi belirlendi. Son olarak itki veriminin yine kh değerine göre değişimi bulundu. Bu üç çalışma benzer sayısal çalışmalarla karşılaştırıldı ve kullanılan sayısal kodun sonuçlarının karşılaştırma yapılan referans sonuçlara çok yakın olduğu görüldü ve kodun kullanılabilir olduğu tespit edildi.Çözüm ağının ve sayısal kodun kullanılabilir oldukları belirlendikten sonra problemin çözümüne geçildi. Bunun için öncelikle, kodun doğrulanması işlemi sırasında Reynold sayısı 20000 iken yapılan, itki ve sürükleme kuvvetinin dağılımı ile sıfır kuvvet eğrisinin tespit edildiği analizlere ek olarak Reynold sayısı 5000 ve 1000 iken analizler tekrarlandı. Sonuçta Reynold sayısının 20000, 5000 ve 1000 olduğu üç farklı koşul için sıfır kuvvet eğrileri, frekans ve genliğe bağlı şekilde grafik olarak gösterildi. Böylece Reynold sayısının itki ve sürükleme kuvvetinin oluşumu üzerindeki etkisi belirlendi.Ardından itki katsayısı araştırıldı. Reynold sayısı 20000 ve 1000 iken sayısal analizler yapıldı ve bu şekilde Reynold sayısının itki katsayısı üzerindeki etkisi bulundu. Sonra itki katsayısının 8, 4 ve 2 olarak seçilen üç farklı frekans değerine göre değişimi belirlenerek frekansın etkisi tespit edildi. Son olarak 0.8, 0.4 ve 0.2 olarak seçilen üç farklı genlik değerine karşılık itki katsayısının değişimi incelenerek genliğin etkisi belirlendi.İtki katsayısı üzerinde yapılan araştırmaların aynısı itki verimi için tekrarlandı. Yani itki verimi farklı Reynold sayısı, frekans ve genlik değerleri için analiz edilerek Reynold sayısının, frekansın ve genliğin itki verimi üzerindeki etkisi bulundu. Bunun için Reynold sayısı değerleri 20000 ve 1000, frekans değerleri 8, 4 ve 2, genlik değerleri ise 0.8, 0.4 ve 0.2 olarak seçildi.İtki katsayısı ve itki veriminin geniş kapsamlı olarak araştırılmasından sonra kanadın iz bölgesinde konumlanan girdap yapıları ve firar kenarından kopan girdaplar bir grafik arabirimi kullanılarak görüntülendi ve incelendi. Bunun için 5 farklı frekans ve genlik kombinasyonuna ait beş farklı koşul için sayısal analiz yapıldı. Yüksek sürükleme kuvveti (k=1, h=0.1), ortalama sürükleme kuvveti (k=2, h=0.2), itki ve sürükleme kuvvetinin birbirine eşit olduğu sıfır kuvvet (k=2.5, h=0.275), ortalama itki kuvveti (k=4, h=0.4) ve yüksek itki kuvvetinin (k=8, h=.8) etkin olduğu bu beş farklı koşula ait girdap yapıları ve firar kenarı kopmaları görüntülendi.Yapılan tüm bu çalışmaların neticesinde bazı sonuçlar elde edilerek çırpan kanadın genel aerodinamik davranışı tespit edildi. Frekans ve genliğin bağıl olarak düşük kombinasyonlarında sürükleme kuvveti baskınken, yüksek kombinasyonlarında itki kuvvetinin baskın olduğu görülmüştür. İtki ya da sürükleme kuvvetinin oluşumu frekans ve genliğe çok güçlü şekilde bağlı iken Reynold sayısından hemen hemen bağımsızdır.İtki kuvveti katsayısı ve itki verimi frekans artarken artmakta fakat genlik artarken azalmaktadır. Yani itki katsayısı ile itki veriminin her ikisi birden frekansla doğru orantılı, genlikle ters orantılıdır. Buna ek olarak itki katsayısı Reynold sayısından bağımsız fakat itki verimi kh değerinin 1'den küçük değerleri söz konusuyken Reynold sayısına bağımlıdır. kh değeri 1'den küçük iken Reynold sayısı arttıkça itki verimi artmakta fakat kh 1'den büyük iken itki verimi Reynold sayısının değişiminden fazla etkilenmemektedir.Girdap yapılarının beş farklı koşul için görüntülenmesi sonucunda ise olması gerektiği gibi, sürükleme kuvvetinin baskın olduğu durumlarda Karman girdap sokağı, itki kuvvetinin baskın olduğu durumlarda ters Karman girdap sokağı ve itki ile sürükleme kuvvetinin birbirine eşit olduğu sıfır kuvvetin olduğu durumda da hemen hemen eşmerkezli olan girdapların olduğu gözlemlendi. Yüksek sürükleme kuvvetinin olduğu koşulda girdap yapılarının tam olarak oluşamadığı, yüksek itki kuvvetinin olduğu durumda ise girdaplarda dağılma ve görüntülemede küçük bozulmalar meydana geldiği gözlemlendi.Sayısal analizlerin sonucunda küçük girdapların görüntülenemediği ve kodun doğrulama işlemi sırasında itki verimi grafiğinde referans çalışmanın sonucuna göre çok küçük bir farklılık meydana geldiği görülmüştür. Bunun nedeni büyük bir olasılıkla sayısal denklemlerin birinci derece olarak çözülmesindendir. Bu durumun düzeltilmesi için denklemlerin ikinci mertebede çözülmesi gerekmektedir. Bununla birlikte yinede sonuçların referans kaynakların sonuçlarına çok yakın olduğu ve kullanılan sayısal kodun doğruluğunun kabul edilebilir ve çırpan kanat aerodinamiği probleminin çözümü için kullanılabilir olduğu görülmüştür.Bu çalışma; sayısal analizler için kullandığımız ticari olmayan sonlu elemanlar yöntemini temel alan FORTRAN kodunun çırpan kanat problemini başarılı şekilde çözebileceğini kanıtlamıştır.
Özet (Çeviri)
It is the objective of this thesis to review the understanding of general characteristic of single plunging airfoil aerodynamics. The flow over symmetric NACA0012 airfoil, oscillating sinusoidal in plunge, is simulated numerically by using unsteady Navier-Stokes solver. Viscous, incompressible, laminar flow about arbitrary moving bodies is simulated with a structured mesh scheme that composed of C-type grids. Navier-Stokes equations are solved by using Galerkin Finite Element Method with Arbitrary-Lagrangian-Eulerian (ALE) description together with Fractional Step Method. These methods are expressed in more detail by Misirlioglu (Misirlioglu, 1998).Firstly, grid resolution is investigated by some simulations for the same case with different meshes. Consequently, ideal grid resolution is determined and this grid resolution is used in all simulations.Later, the code is run for different cases and the results are compared for the sake of validation. At first, simulations are performed due to wide range of combination of reduced frequency and non-dimensional plunge amplitude. Distribution of drag and thrust forces and neutral curve are determined. Secondly, Thrust coefficient versus kh and thirdly, propulsion efficiency versus kh are studied. Results are compared with available numeric data.After validation, simulations are performed due to wide range combination of reduced frequency and plunge amplitude for Reynolds number of 5000 and 1000 in addition to 20000. After that, neutral curves are determined for these three several Reynolds numbers and effect of Reynolds number on the thrust or drag production is determined.Later, characteristic of the thrust coefficient is studied. Firstly, thrust coefficient values are examined while Reynolds number is 20000 and 1000. Thus, effect of Reynolds number on the thrust coefficient is observed. Secondly, thrust coefficient versus kh is examined for three different reduced frequencies as 8, 4, 2 and effect of reduced frequency on the thrust coefficient is determined. Thirdly, effect of plunge amplitude on thrust coefficient is examined by using three different amplitude values as 0.8, 0.4, and 0.2.Propulsion efficiency is the most important factor in the flying. Therefore, characteristic of propulsion efficiency values is studied in detail due to kh. Similar to study of thrust coefficient, propulsion efficiency versus kh is examined for two different Reynolds numbers as 20000 and 1000, for three several frequencies as 8, 4, 2 and for three different amplitudes as 0.8, 0.4, 0.2. Thus, effects of Reynolds number, frequency and amplitude on the thrust coefficient are observed.Finally, vortex structures are given for five different combinations of frequency and amplitude. Wake vortices are displayed for high drag production (k=1, h=0.1), drag production (k=2, h=0.2), neutral wake (k=2.5, h=0.275), thrust production (k=4, h=0.4) and high thrust production (k=8, h=0.8). Karman vortex street due to drag producing, reverse Karman vortex street due to thrust producing and separations starting from trailing edge of airfoil are observed.This study proves that flapping-wing problem can be solved successfully by using of a noncommercial in-house FORTRAN code with finite element method.
Benzer Tezler
- Yüzen bir yapının karışık deniz şartlarında hidroelastik analizi
Hydroelastic anaylsis of a floating structure in irregular waves
SALİM TAMER
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BAHADIR UĞURLU
- Kompozit plakların balistiğinde bazı basitleştirilmiş yaklaşımların sayısal irdelenmesi
Numerical investigation of some simplified approaches in composite plate ballistics
UĞUR DOĞAN
Doktora
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİN SÜNBÜLOĞLU
- Zur dimensionierung der monopile-gründungen von offshore-windenergieanlagen
Başlık çevirisi yok
HACI ERCAN TAŞAN
- Statik durumlarda kaya tırmanışına sonlu elemanlar yaklaşımı
Finite element approach to rock climbing in static conditions
ARİF MİTHAT AMCA
Yüksek Lisans
Türkçe
2007
SporHacettepe ÜniversitesiSpor Bilimleri ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. SERDAR ARITAN
- An investigation on the applicability of the convergence confinement method to a deep rock tunnel for different conditions
Kapanma-sınırlama yönteminin kaya ortamda yer alan derin bir tünel için uygulanabilirliğinin araştırılması
CEREN ALPER
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
İnşaat MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FAZLI EROL GÜLER
