Geri Dön

Towards to the direct numerical simulation of insect flight

Böcek serbest uçuşunun doğrudan sayısal simülasyonuna doğru

PDF İndir

  1. Tez No: 465417
  2. Yazar: EZGİ DİLEK
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET ŞAHİN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Uçak Mühendisliği, Aircraft Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 111

Özet

Son zamanlarda, çırpan böcek kanatlarında aerodinamik kuvvet üretimini ve taşımayı artıran mekanizmalar, sabit kanatlara kıyasla potansiyel enerjik ve çeviklik faydaları nedeniyle birçok çalışmaya konu olmuştur. Bu amaçla, son yirmi yıldır, çırpan kanatlar etrafındaki akış alanlarının sayısal olarak görselleştirilmesi için algoritmalar geliştirilmektedir. Mevcut çalışmada öncelikli olarak kanat çırpan Drosophila yakın iz bölgesi kenar merkezli yapısal olmayan sonlu hacimler yöntemine dayalı Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) yöntemi kullanılarak askı ve ileri uçuşlar için hesaplanmıştır. Kenar merkezli sonlu hacim metoduna dayanan bu sayısal yöntemde hız vektör bileşenleri her bir elemanın yüzeylerinin orta noktasında tanımlanırken, basınç değerleri her bir elemanın merkezinde tanımlanmaktadır. Hesaplamalarda kullanılmak üzere meyve böceği Drosophila kanat ve gövdesini içeren yapısal olmayan ağ DISTINE MeshGems-Hexa (mg-hexa) algoritması kullanılarak üretilmiştir. Bu algoritma sekizdal (octree) yöntemini kullanarak üç boyutta çok karmaşık geometriler için yalnız konformal (conformal) altı yüzlü elemanlardan oluşan yapısal olmayan ağ üretebilmektedir. Ağ deformasyonu her bir zaman adımında direkt olmayan radyal temelli fonksiyon (indrect radial basis function, RBF) metodu ile elde edilmiştir. Bu yöntem tekrar ağ oluşumunu gerektirmediğinden sayısal yöntemin performansını artırmıştır. Küçük zaman adımlı zamana bağlı akışların çözümü için projeksiyon metodunda olduğu gibi oluşan cebirsel denklemler üç ayrı matrise ayrıklaştırılmış ve bu matrislerin tersi önkoşullandırıcı olarak kullanılmıştır. Burada oluşan ayrık ölçekli Laplacian operatörünün tersi yerine iki adım HYPRE BoomerAMG önkoşullandırıcısı kullanılmıştır. Paralel ön koşullandırılmış iteratif yöntemlerin verimini artırmak için PETSc ve HYPRE kütüphanelerinden yararlanılmıştır. Bu tez çalışmasında öncelikli olarak Drosophila etrafındaki tutarlı yapılar (coherent structures) Lagrangian ve Eulerian yöntemler kullanılarak incelenmiştir. Eulerian yöntem ile akış analizi, belirli bir noktayı esas alarak, verilen bir anda o noktadan geçmekte olan akışkan parçacığının hızı, basıncı ve diğer özellikleri hesaplanarak yapılmaktadır. Yakın iz bölgesinde, Eulerian tutarlı yapıların (Eulerian coherent structures) zamanla değişimi Jeong ve Hussain (1995) tarafından geliştirilen lambda2 kriteri ile incelenmiştir. Lagrangian yöntem ise akış alanı içerisindeki belirli bir akışkan parçacığının verilen bir andaki yerini, hızını ve diğer özelliklerini hesaplayarak incelemektedir. Bu amaçla Lagrangian tutarlı yapılar (Lagrangian coherent structures) Haller ve Yuan (2000) tarafından önerilen FTLE (finite-time Lyapunov exponents) yöntemi kullanılarak analiz edilmiştir. Bununla birlikte, FTLE alanlarının hesabı çok sayıda parçacık izleme algoritması gerektirmektedir. Bu yüzden, Lagrangian yaklaşımı Eulerian yaklaşımına göre çok daha maliyetlidir. Mevcut hesaplamalarda hücum kenarı girdabı, kanat uç ve kök girdabı ve aşağı akım etkisi her iki görselleştirme yönteminde açıkça görülmektedir. Öte yandan, askı uçuşundaki Drosophila'nın parçacık izleme algoritmasının uygulandığı sayısal simülasyonunda aşağı akım etkisi daha açık bir şekilde gözlemlenebilir. Bununla birlikte Drosophila kanat ve gövdesine etki eden aerodinamik yükler de analiz edilmiştir. Stroke reversal'a göre simetrik kanat rotasyonu kinematiğinin kullanıldığı durumda, Drosophila'nın askı uçuşu yapabilmesi (kendi ağırlığını dengeleyecek gerekli kaldırma kuvveti) için kanat çırpma frekansı araştırılmış bu frekansın f=0.25/ms ve f=0.3/ms arasında olması gerektiği görülmüştür. Bu aralık literetürdeki değerlerle oldukça uyumludur (Sun ve Du, 2003). Ek olarak Drosophila gövdesinin uçuş üzerine olan etkisini araştırmak için kanatlar ve gövdeyi içeren ve sadece kanatları içeren sayısal simülasyonlar yapılmıştır. Hesaplamalar gövdenin etkisinin aerodinamik katsayılar üzerinde minimum olduğunu göstermektedir. Gövde etkisinin minimum olmasının bir nedeni olarak kanatların gövdeden belirli bir uzaklıkta hareket ediyor olması gösterilebilir. İleri uçuş hesaplamalarında, ileri hareket yüzünden oluşan sürükleme kuvveti iki farklı kanat kinematiği kullanılarak dengelenmeye çalışılmıştır. İlk kanat kinematiğinde, gerekli ileri kuvveti oluşturmak için kanat çırpma düzlemi öne doğru eğilmiştir (helikopter rotorlarında olduğu gibi). İkinci kanat kinematiğinde, kanat ucu düzlemi yere paralel tutulup, kanat ileri hareketinde (downstroke) düşük, kanat geri hareketinde (upstroke) yüksek hücum açıları kullanılarak oluşan sürtünme kuvvetindeki fark ileri doğru kuvvet oluşturmuştur (paddling motion). Yine yakın iz bölgesindeki Eulerian tutarlı yapıların zamanla değişimini analiz etmek için lambda-2 yöntemi kullanılmıştır. Elde edilen Eulerian tutarlı yapılar ve aerodinamik yükler aynı ilerleme oranları için karşılaştırılmıştır. İlerleme oranının 0.1 olduğu durumda iki varyasyon için sürtünme kuvvetini dengeleyebilecek kuvveti üreten açı elde edilmiştir. İlk varyasyon için kanat çırpma düzlemi alpha_p=10 derece öne eğilmiştir. İkinci varyasyon için sürükleme kuvvetini dengeleyebilecek kuvveti üreten açılar alpha_0=85 derece ve alpha_1=-50 derece olarak belirlenmiştir. Drosophila uzak bölgesindeki girdap yapıları iki farklı kanat kinematiği için karşılaştırılmıştır. İki farklı durumda girdap yapıları oldukça benzerlik gösterirken, ilk kanat kinematiğinde girdap yapıları ikinci kanat kinematiğindeki girdap yapılarına göre çok daha hızlı kaybolur. Bunlara ek olarak ilerleme oranının 0.2 olduğu çeşitli simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Mevcut tam birleşik ALE algoritması büyük ağ deformasyonlarına maruz kalan çırpan kanat problemlerinde yeterince güçlü bir yöntemdir ve biyolojik uçuş fiziği çalışmaları için çok faydalı olan yakın iz bölgesi topolojisini detaylı bir şekilde ortaya koymaktadır. Ayrıca bu simülasyonlar biyolojik canlılardan esinlenerek tasarlanan insansız mikro hava araçlarının (MAVs) tasarlanmasında da etkili bir araç olarak kullanılabilir. Son olarak, serbest yüzme/uçuş problemi akışkan-yapı etkileşim (FSI) problemi olarak modellenmiş ve hareket kinematiği Lagrange çarpanlar yöntemi yardımıyla empoze edilmiştir. Yapı bölgesinde kullanılan malzeme modeli geometrik nonlinear analizlere uygulanabilen Saint-Venant Kirchoff malzeme modeline dayanmaktadır ve büyük elastik deplasmanların modellenmesine imkan tanımaktadır. Bu denklemler akışkan denklemlerine ek olarak Lagrangian koordinatlarda klasik Galerkin sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak ayrıklaştırılmıştır. Akışkan bölgesinde ağ deformasyonu için lineer elastik denklemler farklı malzeme katsayıları kullanılarak çözülmüştür. Elde edilen FSI algoritmasında cebirsel denklemler tam bağlaşık (monolithic) formda çözülmüştür. Hareket kinematiği için farklı noktalar arasındaki mesafe şartı Lagrange çarpanlar yardımıyla empoze edilmiştir. Bu şartlar kullanılan koordinatlardan bağımsızdır ve cismin ötelenmesinden/dönmesinden etkilenmez. Elde edilen cebirsel lineer denklemler dual yaklaşım metodu (null space method) kullanılarak tam birleşik formda çözülmüştür. Mevcut algoritma iki boyutta üç elipsten oluşan yüzücü üzerine uygulanmış ve sonuçlar Eldredge'in (2008) çalışması ile kıyaslanarak geçerli kılınmıştır. İlerideki çalışmalarda, geçerli kılınan mevcut sayısal yöntem üç boyutlu Drosophila serbest uçuş problemi üzerine uygulanmaya çalışılacaktır.

Özet (Çeviri)

The parallel large-scale unstructured finite volume method based on an Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) formulation has been employed in order to investigate the near wake structure of Drosophila in hover and forward flight. The numerical algorithm is based on side-centered finite volume method where the velocity vector components are defined at the mid-point of each cell face while the pressure is defined at the element centroid. DISTENE MeshGems-Hexa algorithm based on the octree method is used to generate the all hexahedral mesh for the wing-body combination. The mesh deformation algorithm is based on the indirect radial basis function (RBF) method at each time level while avoiding remeshing in order to enhance numerical robustness. For the algebraic solution of the resulting large-scale equations, a matrix factorization is introduced similar to that of the projection method for the whole coupled system and we use two-cycle of Boomer AMG solver for the scaled discrete Laplacian provided by the HYPRE library, a high performance preconditioning package developed at Lawrence Livermore National Laboratory, which we access through the PETSc library. The present numerical algorithm is applied to the numerical simulation of flow field around a flapping Drosophila in hover and forward flight. The time variation of the Eulerian coherent structures in the near wake is analyzed with the lambda-2 criterion. In addition, the Lagrangian coherent structures is also investigated using finite-time Lyapunov exponents (FTLE) fields. For the symmetrical wing rotation with respect to stroke reversal, the flapping frequency is determined to balance the weight of the Drosophila. The body effect on the Drosophila flight is investigated by comparing the numerical results for the wing-body combination and no-body configuration. The visualization results indicate that the both cases are very similar to each other. Two different wing kinematic are applied for the Drosophila in forward flight in order to balance drag force due to forward motion. In the first case, the wing tip-path plane is tilted forward to generate forward force (as in helicopter rotor). In the second case, paddling wing motion is used to generate the forward force. The Eulerian coherent structures are analyzed with the lambda-2 criterion. In addition, a new monolithic approach is proposed to solve the fluid-structure interaction (FSI) problem with Lagrange multipliers in order to model free swimming/flying. The solid domain is modeled by the constitutive laws for the nonlinear Saint Venant-Kirchhoff material and the classical Galerkin finite element method is used to discretize the governing equations in a Lagrangian frame. In order to impose the body motion/deformation, the distance between each pair of nodes is imposed using the Lagrange multiplier approach, which is independent from the frame of reference. The resulting algebraic linear equations are solved in a fully coupled manner using a dual approach (null space method). The present numerical algorithm is validated for the two-dimensional three-link swimmer proposed by Eldredge (2008). In the future, the present method will be applied to Drosophila in free flight in three-dimensions.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    75394

    Üniversal motorun sonlu elemanlar yöntemi ile magnetik alan incelemesi

    Magnetic field analysis of an universal motor buy finite elements method

    MEHMET CÜNEYT ÖNCÜOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. R. NEJAT TUNÇAY

  2. Tez No

    473028

    Direct numerical simulation of evaporation and burning of a fuel droplet

    Bir yakıt damlacığının buharlaşması ve yanmasının doğrudan sayısal simülasyonu

    MUHAMMAD IRFAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Makine MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    Prof. Dr. METİN MURADOĞLU

  3. Tez No

    701259

    Yüzeysel temelli yapılarda sıvılaşmaya bağlı oturmaların sayısal analizi

    Numerical simulation of liquefaction induced settlements on shallow founded structures

    AYÇA KIRAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA KUBİLAY KELEŞOĞLU

  4. Tez No

    655016

    A spectral vanishing viscosity method for large-eddy simulations of two-fluid flow

    İki sıvılı akışlarda geniş girdaplı simülasyonlar için spektral kaybolan viskosite yöntemi

    SOLMAZ KHOSHAVAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. LUCA BIANCOFIORE

  5. Tez No

    503687

    Use of detached eddy simulation for aerodynamics and aeroacoustics of blade sections

    Kanat kesitlerinin aerodinamik ve aeroakustik incelenmesinde ayrık çevrinti benzetimi

    KENAN CENGİZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YUSUF ÖZYÖRÜK

Geri Dön