Geri Dön

Effects of leading edge tubercles on wing sail performance

Önder kenar yumrularının kanat yelken performansına etkisi

PDF İndir

  1. Tez No: 511904
  2. Yazar: HARUN KEMALİ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ŞEBNEM HELVACIOĞLU, DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET ZİYA SAYDAM
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 69

Özet

Bu tez çalışmasında, önder kenar yumrularının kanat yelken performansı üzerine etkileri, ticari Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) kodu Star-CCM+ kullanılarak incelenmiştir. Kanat yelkenlerin önder kenarına yumruların eklenerek performans iyileştirilmesi fikri, kendine özgü yüzgeçleri sayesinde hızlı ve yüksek manevra yeteneğine sahip canlılar olan kambur balinaların yüzgeçlerinden esinlenilmiştir. Böylece iyileştirilmiş kanat yelken kullanılarak“America's Cup”teknelerinin yarış rotasını daha kısa sürede bitirmesi hedefleniştir. Bu sebepten dolayı incelenecek kanat yelken olarak 2013“America's Cup”'ta kullanılan AC72 model teknelerin yelkeni seçilmiştir. Yelkenli tekne hareketlerinin arkasındaki fizik yasalarının, rüzgaraltı ve rüzgarüstü seyirler arasındaki yelken trimi farklarının doğru ortaya konulup anlaşılması; tekne ve yelken tasarımının en iyi şekilde yapılabilmesinde önemli rol oynamaktadır. Dolayısıyla ikinci bölümde, yelken fiziği ve teorisi hakkındaki temel bilgiler açıklanmıştır. Ayrıca yine bu bölümde kanatların ve kanat profillerinin kaldırma kuvveti üretebilmesi hakkındaki teorik bilgiler açıklanmaya çalışılmıştır. Üzerinden sıvı akımı geçen profillerin nasıl kaldırma kuvveti üretebildiği hakkında birçok yaygın ancak yanlış teoriler mevcuttur. Bu sebepten dolayı bu doğa olayı hakkındaki güncel doğru bilgilerin ve teorilerin ortaya konması sonraki aşamalar için önem ve temel arz etmektedir. Kaldırma kuvveti üretimi hakkındaki kabul görmüş en yaygın teori Kutta- Zhukowski teoremidir. Bu teoreme göre profil üzerindeki akım durma noktalarının asimetrik olabilmesi ve dolayısıyla kaldırma kuvveti üretilebilmesi için akıma gövde etrafında bir çevrinti eklenmektedir. Bu çevrintinin eklenmesiyle profil üzerindeki hız artmakta, altındaki hız azalmakta ve dolayısıyla bir basınç farkından dolayı kaldırma kuvveti üretilebilmektedir. Tezin üçüncü bölümünde kanat yelken tasarımı ve mevcut doğadan esinlenilmiş kanat için yapılan literatür çalışmaları incelenmiştir. Literatürde kambur balina kanadının morfolojisini inceleyen ve özelliklerini ortaya koyan çeşitli çalışmalar bulunmaktadır. Bu çalışmalardan yola çıkılarak, önder kenar yumruların kanat performansı üzerine etkilerini HAD, rüzgar tüneli deneyi ve panel metodu gibi yöntemler ile inceleyen çalımalar araştırılarak bu tezde yer verilmiştir. Kambur balina ve doğadan esinlenilmiş kanatlarda yapılan çalışmalarda, önder kenar yumrularının perdövites açısını geciktirdiği ve yüksek hücum açılarında standart kanada göre daha iyi kaldırma kuvveti / direnç oranı sağladığı görülmüştür. Ancak çalışmalar arasında çeşitli farklar da bulunmaktadır. Örneğin kimi deneylerde önder kenar yumrularının düşük hücum açılarında performansı olumsuz etkilediği görülürken kimi çalışmalarda benzer etki görülmeyerek yumruların düşük açılarda olumsuz etki yapmadığı belirtilmiştir. Ayrıca yumruların performans iyileştirmesini sağlayan fiziksel nedenler hakkında da çeşitli farklı teoriler ortaya konmuştur. Bu fiziksel nedenler hakkındaki teoriler yine 3. bölümde açıklanmaya çalışılmıştır. Bu konu hakkındaki en yaygın teori, yumruların bir girdap jeneratörüne benzer etki yaratarak profil üzerinde akım ayrışmasını engellediği ya da geciktirdiği şeklindedir. Bu sayede kanat üzerinde daha iyi bir basınç dağılımı elde edilerek yüksek hücum açılarında kaldırma kuvveti/direnç oranı iyileştirilebilmektedir. Kanat yelkenlerin ve yumruların etkisinin incelenmesinden önce; HAD analizlerinde en iyi ağ sıklığı, uygun sayısal ve matematiksel modellerin belirlenmesi için validasyon çalışması yapılmıştır. Öncelikli olarak sonraki analizlerde temel olması ve en iyi ağ yoğunluğunu belirleme amacıyla ağ bağımsızlığı çalışması gerçekleştirilmiştir. Ağ yoğunluğu kanat yelkenin profil uzunluğu cinsinden fonksiyonu olacak şekilde sistematik olarak azaltılmıştır. NACA 0012 profiline sahip 150mm uzunluğa ve genişliğe sahip bir kanadın performansı, Tezel ve diğerleri (2015) tarafından Piri Reis Üniversitesi'nde yapılan rüzgâr tüneli deneyinin verileri ile karşılaştırılmıştır. Kanat, Star-CCM+ 'ın daimi olmayan“Reynolds Ortalamalı Navier-Stokes Denklemi Çözücüsü”(U-RANS) kullanılarak 10 ila 32 derece arasında değişen hücum açılarında analiz edilmiştir. Daimi olmayan çözücü kullanılmasının sebebi akım ayrışmalarının önemli olduğu bir analiz gerçekleştirildiği içindir. Deneyde kullanılan rüzgar tüneli ve kanadın yerleşimi birebir HAD ortamına aktarılarak çeşitli türbülans modelleri ile analizler gerçekleştirilmiştir. Yapılan çalışmada deneysel verilere en yakın sonuç“implicit unsetady”çözüm metodu ve“ Shear Stress Transport k-w (SST k-w)”türbülans modeli kullanılarak elde edilmiştir. Bu türbülans modelinin avantajı görece bilgisayar işlemci gereksinimini çok arttırmaması ve daha önemlisi, akım ayrılması olan durumlarda diğer türbülans modellerine göre daha doğru sonuç vermesidir. Farklı hücum açılarında deney ile hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi arasında benzer davranışlar olduğu görülmüştür. Ayrıca yine aynı rüzgâr tüneli deneyinde kanadın önder kenarına yumrular eklenerek yapılan çalışma da HAD ortamında tekrarlanmış ve deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Hem HAD hem de deney sonuçları yumru eklenmiş kanadın düz kanattan genel olarak daha iyi performans verdiğini göstermiştir. Düz kanat 24 derece hücum açısı yakınlarında perdövites yaşarken yumru eklenmiş kanat düz kanada göre önemli derecede daha fazla kaldırma kuvveti üretmeye devam etmiştir. Bir sonraki aşama olarak 2013“America's Cup”yarışlarında kullanılan AC72 teknesinin kanat yelkenini incelemeye geçilmiştir. Yelkenin geometrisi 2011 yılında yayınlanan kural kitabına göre dizayn edilmiştir. Kuralda yelken 12 parçaya bölünmüş ve her parçadaki profil uzunluğu maksimum ve minimum değerler arasında kısıtlanmış. Ayrıca yelkenin toplam alanı 255 ile 260 metrekare arasında olmak zorundadır. Kural profil seçimi ve toplam kanat parça sayısı konusunda takımları serbest bırakmıştır. Katı kanat yelkenler kumaş yelkenler gibi bombe açısını rüzgara göre ayarlayamadıkları için, bombe oluşturmak amacıyla belli bir eksende dönebilen birden fazla parçaya sahip yelkenden oluşmaktadır. Çok parçalı kanat yelkenler bir nevi uçak kanatlarındaki flaplar gibi düşünülebilir. Yarışmada takımlar 2'den fazla parçaya sahip yelkeni kontrol etmenin fazla zor olmasından ve elde edilen performans getirisinin iki parçadan sonra çok artmamasında dolayı, ana parça ve flap'dan oluşan üzere iki parçalı kanat yelken kullanmışlardır. Dolayısıyla bu tezde de iki parçalı 257 metrekare alana sahip bir yelken dizayn edilmiş ve yelken profili olarak yapılan araştırmalara göre öndeki ana parçada NACA 0025 arkadaki flap olarak adlandırılan parçada NACA 0009 kullanılmıştır. Yelken geometrisinin oluşturulmasından sonra yumruların etkisini HAD ortamında incelemek üzere 6 farklı yumru boyutundan oluşan bir test matrisi oluşturulmuştur. Yumru geometrisi sinüs dalgası şeklinde tasarlanmış, dalganın genliği ve yüksekliği profil uzunluğunun fonksiyonu olacak şekilde sistematik olarak değiştirilmiştir. Başlangıç analizi olarak yumruya sahip olmayan düz kanat yelkenin kaldırma kuvveti katsayısı, direnç katsayısı ve kaldırma kuvveti/direnç oranı 140'den 320'ye kadar olan hücum açılarında 20 artım aralığı olacak şekilde elde edilmiştir. Böylece yelkenin perdövites açısı ve genel karakteristiği karşılaştırma için ortaya konmuştur. Düz yelken için perdövites hücum açısının 260 olduğu gözlemlenmiştir. Daha sonra yumru eklenmiş 6 adet kanat yelken 230 ve 300 açılarda incelenmiş ve yelkenin kaldırma kuvveti katsayısı, direnç katsayısı ve kaldırma kuvveti/direnç oranı ölçülmüştür. Böylelikle yumruların etkisinin, perdövites öncesi ve sonrası hücum açılarındaki etkileri düz kanat yelken ile karşılaştırılabilmiştir. En iyi sonuçlar, en yüksek dalga boyu ve düşük genliğe sahip yumru geometrisi ile elde edilmiştir.300 hücum açısında bu yumru geometrisine sahip kanat yelkenin düz yelkene oranla yaklaşık %30 daha iyi kaldırma kuvveti/direnç oranı sağladığı görülmüştür. Son aşama olarak, düz kanat yelken ile en iyi performans artışını sağlayan yumruya sahip modifiye yelken daha detaylı bir karşılaştırma yapabilmek için 140'den 320'ye kadar olan tüm hücum açılarında 20'lik artışlar ile incelenmiştir. Analiz sonuçlarına göre yumrulu kanat yelken ile düz kanat yelkenin perdövites hücum açısı aynı kalırken, daha yüksek hücum açılarında önder kenar yumrusu eklenmiş yelkenin 320 açıya kadar yaklaşık %30'luk performans artışını koruduğu gözlemlenmiştir. Diğer bir sonuç ise perdövites hücum açısından küçük açılarda yumruların genel performansı ihmal edilebilecek düzeyde etkilediği yönündedir. HAD analizlerinin sonuçları ve yorumları tezin beşinci bölümünde ele alınmıştır.

Özet (Çeviri)

In this thesis study, effects of leading edge tubercles on 2013 America's Cup boat wing sail are investigated by using commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) code Star-CCM+. Adding tubercles on the leading edge of the sail is inspired by humpback whales, which are fast and maneuverable animals along baleen whales thanks to their distinctive flippers. Understanding the basic principles of sailing physics and difference between upwind and downwind sailing plays important role on designing a boat and its sails. Therefore, as a beginning, theoretical background of sailing physics is studied and explained in the chapter 2. Basic principles of lift generation and underlying flow phenomena are also tried to be explained in this chapter. There are numerous incorrect theories about lift generation which generates misconceptions about this nature phenomenon. Most widely accepted correct theory is lift generation by turning fluid which obtained by Kutta and Joukowski. Wing sail design and current state of the art bio-inspired wing design is explained in the chapter 3 of this thesis. It has been seen from the studies of whale flippers and bio-inspired wings that tubercles on the leading edge of the wings delay stall and provide better Lift/Drag ratio in high angle of attacks (AoA) compared to the plain wing with no undulations. Current theories about the physics of this phenomena are also explained in chapter 3. It has been observed from both in literature review and in this study that tubercles play similar role as vortex generators and exchange momentum in boundary layer which attaches flow to airfoil and creates better pressure distribution. Before the investigation of wing sails, validation study is carried out to determine optimum mesh values, numerical and mathematical models. Firstly, grid independence study is carried out and best mesh setting are determined for further analysis's. NACA 0012 airfoil wing performance is compared to experimental data performed in wind tunnel by Tezel et al (2017). Wing is tested at angles ranging from 10 to 32 degrees by using Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes Equation Solver (U-RANS) of Star CCM+. It has been seen that best results are achieved with implicit unsteady method by using Shear Stress Transport k-w (SST k-w) turbulence model. Same lift and drag behavior is observed between CFD and wind tunnel tests. Also NACA 0012 wing with leading edge tubercles analyzed and compared to wind tunnel tests. Both wind tunnel and CFD study show that modified wing is giving better overall performance than base NACA 0012 wing. Modified wing did not stall as base wing at AoA around 24 degrees and continued to provide lift in high angles of attacks. To conclude, similar results are archived between wind tunnel experiment CFD analysis after validation study. 2013 America's Cup boat wingsail geometry is developed according to the race rules to be able to measure effects of tubercles on its performance. Profile selection, element number and dimensions of sail are determined according to both literature review and rule book. After design of sail geometry, test matrix for CFD analysis is generated with totally six different tubercle dimensions. Sinusoidal tubercles are placed on leading edge with different wave lengths and amplitudes varying as a function of chord length. As a beginning, plain wing sail's lift coefficient, drag coefficient and lift to drag ratio is measured in CFD with different angle of attacks ranging from 140 to 320. It has been observed that stall angle is around 260. Therefore, modified wing sails with tubercles are tested in CFD at angle of attacks 230 and 300 to see performance change in pre-stall and post-stall regimes. Best results are achieved with largest wavelength and smallest amplitude tubercles in test matrix. Stall angle remained same with modified wingsail with tubercles while increasing lift/drag ratio after stall angles and having negligible negative effect in pre-stall regime. As a final step, this modified wingsail is compared with plain wingsail in all angles of attack between 140 to 320 with incremental step of 20. Tubercle geometry on the leading edge increased wing sail performance as expected after post-stall regimes by increasing lift/drag ratio compared to plain wingsail. In small angles of attack performance almost remained same between two wingsails. Final results, comments and future study suggestions are discussed in chapter five.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    835695

    Doğadan esinlenilen kanatlarda dalgalı hücum kenarının aerodinamik karakteristiklerinin incelenmesi

    Investigation of the aerodynamic characteristics of leading-edge tubercles on biomimetic wings

    ALEYNA ÇOLAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiKaradeniz Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA SARIOĞLU

  2. Tez No

    765588

    Genlik modülasyonlu dalgalı geometriye sahip uçak kanadının aerodinamik performansının deneysel incelenmesi

    Experimental investigation of the aerodynamic performance of a tubercle airfoil with amplitude modulation

    MEHMET SEYHAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Havacılık ve Uzay MühendisliğiKaradeniz Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA SARIOĞLU

    PROF. DR. YAHYA ERKAN AKANSU

  3. Tez No

    911191

    Control of leading edge vortex and three-dimensional surface separation on a non-slender delta wing using passive and active techniques

    Düşük ok açılı delta kanatlar üzerindeki hücum kenarı girdaplarının ve üç boyutlu yüzey akış ayrılmalarının pasif ve aktif teknikler ile kontrolü

    CENK ÇETİN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET METİN YAVUZ

  4. Tez No

    453434

    Effects of yaw angle on vortex formation downstream of a slender delta wing

    Süpürme açısı yüksek olan delta kanatlarda sapma açısının girdap oluşumuna etkileri

    MEHMET OĞUZ TAŞCI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Mühendislik BilimleriÇukurova Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BEŞİR ŞAHİN

  5. Tez No

    268996

    Low Reynolds number aerodynamics of flapping airfoils in hover and forward flight

    Havada asılı konumda ve ileri uçuşta çırpan kanat kesitlerinin düşük Reynolds sayılı aerodinamiği

    ERKAN GÜNAYDINOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Havacılık Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DİLEK FUNDA KURTULUŞ

Geri Dön