Experimental investigation of an oscillating tandem-wing power generator
Ardaşık yerleştirilmiş çırpan kanatlı enerji üreticinin deneysel incelenmesi
- Tez No: 445115
- Danışmanlar: ÖĞR. GÖR. İDİL FENERCİOĞLU AYDIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aircraft Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 83
Özet
Enerji ihtiyacının hızlı artışı çevresel ve sürdürülebilirlik kaygılarını de artırmakta. Dolaysıyla temiz ve yenilenebilir enerji insanoğlunu kaçınılmaz arayışı olmaktadır. Doğadan esinlenmiş çırpan kanatlı enerji üreticinin potansiyeli araştırılmıştır. Çırpan kanatlı enerji üreticinin fizibilitesi ve avantajları araştırılmış ve literatürde gösterilmiştir. Fakat yüksek performansa sahip bir çırpan kanatlı enerji üreticisi geliştirmek için literatürdeki bilgeler yetersiz kalmaktadır. Çırpan kanatlı enerji üretici araştırmalarına başlamadan önce çırpan kanatlı mikro hava araçları araştırmalarını incelemekte yarar vardır. Çünkü çırpan kanatların mikro hava araçlarında kullanımı daha fazla araştırılmış ve literatürde daha fazla bilgiye ulaşmak mümkün. Bu çalışma kapsamında ilk önce itki üretmeyi amaçlayan çırpan kanatlı uygulamalar incelenmiştir. Çırpan kanat kullanımı yardımıyla itki kuvveti yaratmanın mümkün olduğu uzun zamandır bilinmektedir. Kanat profilleri üzerindeki daimi olmayan akışlar ile ilgili araştırmaların bir kısmı gerçek döner kanatların karşılaştığı açısal değişimleri simgeleyen yunuslama hareketi üzerine yoğunlaşmıştır. Diğer yandan, biyobenzetim çalışmalarının bir kısmında da yalnız akım yönüne dik ötelenme hareketi incelenmiştir. Eş zamanlı yunuslama ve akıma dik yönde ötelenme hareketlerinden oluşan kanat çırpma hareketi geniş bir parametre alanına sahiptir ve yalnızca yunuslama veya yalnızca akıma dik yönde ötelenme hareketlerinin incelendiği çalışmalara nazaran daha az sayıda araştırmaya konu olmuştur. Yunuslama ve akıma dik yönde ötelenme yapan iki boyutlu bir kanat profili üzerine etkiyen kuvvetleri ölçümü sonucu, yüksek Strouhal sayılarında sinüzoidal olmayan efektif hücum açısı değişimlerinin çoklu girdap oluşumuna ve bunun sonucu olarak da yüksek itki beklenen bölgelerde performans düşüşüne yol açtığı gösterilmiştir. Ancak yüksek Strouhal sayılarında maksimum efektif hücum açısının da büyük olduğu durumlarda, hücum açısı değişimi yüksek mertebe frekans bileşenlerine sahip olmamakta ve çoklu girdap oluşumlarının gerçekleşmediği durumlar da gözlenebilmektedir. Bu çalışmada farklı yaklaşımlar kullanılarak bu tip enerji üretici için yüksek performans sağlayan parametreler belirlenmek amaçlanmıştır. İlk önce tek kanatlı durumlar için üç boyutluluk etkisi araştırılmıştır. İkinci adımda yan duvarların iki ve üç boyutlu durumlara etkisi araştırılmış. Son olarak da iki kanat arası faz açısının çırpan kanatlı enerji üreticisi için ardışık kanat uygulamasına etkisi incelenmiştir. Bu deneysel çalışmada, sinüzoidal ve sinüzoidal olmayan yunuslama ve öteleme hareketi yapan kanat etrafındaki akış yapıları ve kanat üzerine etki eden kuvvetler akım görüntüleme yönteme ve duyarga ile ölçülmüştür. Bütün durumlar için Reynolds sayısı, yunuslama ekseni, yunuslama ve ötelenme genlikleri sabit tutulmuştur. Tek kanatlı serbest ve sınırlandırılmış akış için = 90° ve 110° faz açısı incelenmiştir. Fakat 90° faz açısı 110° göre daha iyi performans sergilediği göz önünde bulundurularak ardışık kanat uygulamalarında sadece = 90° kullanılmıştır. İlk iki kategori için hızlı dönüş (TR = 0.1) ve sinüzoidal dönüş (TR = 0.5) arasında hareket parametreleri kısmında belirtildiği gibi beş farklı hareket tipi kullanılmıştır. Deneyler büyük ölçekli su kanalında yapılmıştır. Kanat çırpma hareketleri bilgisayar kontrollü servo motorlarca sağlanmıştır. Tüm PIV verileri 2 CCD kamera kullanılarak Nd:Yag lazer aydınlatma düzleminde alınmış. İki kameradan alınan görüntüler çok az çakıştırılarak ve iki ortak nokta kullanılarak vektör elde edilmeden önce laboratuvarda geliştirilmiş yazılımlar ile birleştirilmektedir. Hız alanları ortalama korelasyon kullanılarak elde edilmiştir. Ortalama korelasyonda sorgulama pencereleri 64 × 64 alınmış ve %50 üst üste bindirme kullanılmıştır. Veri alma hızı her bir periyotta tek kanatlar için 16, ardışık kanatlar için 32 akış alanı temsil edilecek şekilde ayarlanmış ve sırsıyla 25 ve 3 devir süresince veri alınmıştır. Sistem hareket başladıktan sonra 5. periyottan itibaren veri alacak şekilde tetiklenmektedir. Kuvvet ve moment verileri altı eksenli suya dayanıklı eşzamanlı veri alabilen ve kanadın hemen uç plaka sonrasındaki kısmına bağlı kanatla birlikte dönen duyarga ile ölçülmüş. Sensör, kanat ile kanadın dönmesini sağlayan hareket aktarım çubuğunun arasına monte edilmiştir. Kuvvet/moment duyargası model ile beraber dönmekte olduğu için, elde edilen Fx ve Fy kuvvetleri kullanılarak, modelin o anki hücum açısı ile modele etki eden taşıma ve sürükleme kuvvetleri elde edilmektedir. Kuvvet/moment ölçümlerinde, PIV görüntüleri ile senkronize olarak, 10000Hz'de model hareketinin 30 periyodu süresince veri alınmıştır. Ani ve ortalama güç katsayısı, elde edilen verilerin faz ortalaması alınarak tek bir devire indirilip gösterilmiştir. Deneylerden elde edilmiş bazı önemli bulgular bu bölümde kısaca özet şeklinde verilmiştir. Kanat dönüş hızlandıkça daha şiddetli girdaplar daha erken kanat yüzeyinden ayrıldığı gözlemlendi. Üç boyutlu durumlarda hücum kenarı girdapları (LEV) ve kanat ucu girdapları etkileşime girdiği ve şiddeti küçülerek iz bölgesine atıldığı görüldü. Sonuç olarak üç boyutluluk iki boyuta kıyasla verimliliği düşürdüğü elde edildi. Hızlı dönüşler için (TR = 0.1) hiçbir durumda pozitif güç elde edilememiştir. Çırpan kanatlı enerji üreticinin performansı yan duvarlardan çok etkilendiği gözlemlenmiştir. Duvarla sınırlandırılmış akışın sinüzoidal duruma göre sinüzoidal olamayan durumlar için etkisi daha az olduğu gözlemlenmiştir. Sinüzoidal hareketler duvarla sınırlandırılmış akış durumunda serbest akışa göre daha verimli olduğu ölçülmüştür. Fakat duvar ve kanat arasındaki mesafe çok küçük olduğunda verimliliği de olumsuz etkilediği görülmüştür. Sonuçlara bakıldığında en iyi performans veren duvar mesafesi olduğu ve bu duvar mesafesinde kanat üzerinden ayrılan girdapların duvar ile etkileşimi sonucu dönüşlerde harcanan enerjinin belli bir kısmını tazmin edilebileceğini göstermiştir. Ardışık uygulamalarda ön kanat iz bölgesi ile etkileşiminin arka kanadın enerji üretme performansı çok etkilediği görülmüştür. İki kanat arasındaki faz açısı değiştirilerek girdap etkileşim şeklinin değiştiği görüldü. Ön kanattan kopan girdaplar arka kanadın hücum kenarı girdabı (LEV) oluşumu, büyümesi ve kopma şeklini değiştirdiği gözlemlendi. Kanat arası faz açısı ile girdap etkileşim zamanı ve yönü değiştirilebilir. Sonuç olarak faz değişimi ile arka kanadın performans kaybı en düşük seviyeye indirgenebilir. Farklı hareket tipleri için elde edilen sonuçlarda çok farklılık göstermektedir. Sadece sinüzoidal hareket yapan ve faz açısı 135° olan durumda arka kanadın ortalama güç katsayısı tek kanatlı duruma göre daha iyi sonuç verdiği. Ama bütün diğer durumlar için arka kanadın performansı tek kanada göre daha az olduğu görülmüştür Dolaysıyla da enerji üretimi maksimize edilebilir. İncelenmiş bazı durumlarda yapıcı girdap etkileşimi gerçekleşmiştir ve daha güçlü girdap oluşturarak daha yüksek enerji üretmiştir.
Özet (Çeviri)
With the rapid increase in energy demand and along with considering the environmental and sustainable aspects, clean and renewable energy is a necessity for human beings. Considering the potential possibility of energy production inspired by nature, the concept of a flapping wing power generator is investigated. In this study the feasibility and advantages of using flapping wings to generate energy are studied and documented in the literature by researchers. However, previous studies lack some aspects to develop a high performing flapping wing power generator. In the scope of this study various approaches are investigated in order to define the parameters for a flapping wing power generator for optimum performance. Firstly three dimensionality effects are studied for a single flapping wing. Secondly, flapping wing power generators operating inside solid side walls are investigated for 2D and 3D cases. And lastly, an oscillating tandem wing power generator is studied with different phase angles between fore and hindwings. In the experimental study, the flow structures and the forces acting on a finite flat plate that performs sinusoidal and non-sinusoidal pitching and plunging motions are investigated via detailed quantitative flow visualization technique with simultaneous direct force measurements. Reynolds number, pitch pivot position, pitch and plunge amplitudes are kept constant for all experiments. Two different phase angles of = 90° and 110° between pitch and plunge are studied for single free and constrained wings. However, only = 90° is considered during the tandem wing cases because this phase angle results in higher performance compared with 110°. Five different motion types from rapid stroke reversal (TR = 0.1) to sinusoidal reversal (TR = 0.5) are chosen as the flapping motion kinematics. Experiments are conducted in the large scale water channel located at the Trisonic laboratory in İTU. Oscillation of the airfoil is provided by servo motors controlled by computers. All particle image velocimetry (PIV) data are acquired via 2 CCD cameras by illumination of the examined flow plane with a Nd: Yag Laser. Force and torque data are acquired simultaneously by using a six axis water resistant sensor rotating with the wing. Some major results could be concluded from the experiments are described briefly in this section. Early shedding of higher strength vortices occur when the pitch reversal rate is increased. In 3D case leading edge vortex (LEV) and tip vortex interactions are observed near the tip of the finite flat plate where vortical structures shrink in size and stretch out to the wake losing their strength to roll up. As a result, three dimensionality reduces the overall efficiency as compared with 2D cases. For rapid reversals (TR = 0.1), none of the test cases were capable to produce a positive mean power coefficient. Performance of the flapping foil power generator is highly influenced by side-walls. Constrained flow has smaller effect on non-sinusoidal flapping as compared to sinusoidal flapping. The sinusoidal flapping flat plate can achieve higher increase in efficiency in constrained flow compared to the free flow. However, if the minimum distance between the trailing edge and the side wall is too small results in degraded performance on mean power generation. The results imply that there's an optimum wall distance using side-walls in flapping foil power generation that might be a way to compensate for the loss from stroke reversals at maximum and minimum plunge positions predominantly for sinusoidal flapping. In tandem configurations, the power extraction performance of the hindwing are greatly affected by its interaction with the wake of the forewing. Adjusting the phase angle between the two wings can change the mode of vortex interaction. Formation, growth and shedding process of hindwing LEV could be distributed by the shed vortex of the forewing. The timing of interaction and direction of resulted force could be controlled effectively via phase angle. As a consequence the performance loss in hindwing for tandem configuration could be reduced to minimum level and thus energy production can be maximized. Some of the cases studied exhibit constructive vortex interaction that reinforce the LEV and results in higher power production.
Benzer Tezler
- Transformatör sargılarında oluşan hızlı değişimli geçici olayların incelenmesi ve enerji iletim sistemlerinin modellenmesinde yeni bir yaklaşım
Investigation of high speed transients on transformer windings and a new approach in modelling of energy transmission systems
A.OĞUZ SOYSAL
Doktora
Türkçe
1985
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. M. KEMAL SARIOĞLU
- Experimental investigation of flow structures around an oscillating airfoil in steady current
Daimi akış içinde salınım yapan bir kanat etrafındaki akış yapılarının deneysel incelenmesi
İDİL FENERCİOĞLU
Doktora
İngilizce
2010
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. N. L. OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM
- Experimental investigation of heat anf fluid flow in an actuated impinging jet flow
Uyarılmış jet çarpma akışındaki ısı ve akışkan hareketinin deneysel araştırması
NECATİ BİLGİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ÜNVER ÖZKOL
- Salınımlı ısı borularının tasarımı ve deneysel incelenmesi
Design and experimental investigation of oscillating heat pipes
FIRAT ÖZDEMİR
Doktora
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiEge ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ GÜNGÖR
- Gözenekli ortamda darbeli hava akışı durumunda ısı geçişinin deneysel incelenmesi
Experimental investigation of heat transfer in pulsating air flow with a porous medium
ALİ MURAT BİNARK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÖZDEMİR