Experimental investigation of a single spanwise vortex gust impinging on a rectangular wing
Açıklık boyunca uzanan tekil bir girdap sağanağın dikdörtgen platforma sahip kanat ile etkileşiminin deneysel incelenmesi
- Tez No: 633785
- Danışmanlar: PROF. DR. NURİYE LEMAN OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aircraft Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
Atmosferdeki akışın dengesiz doğası, havacılık tarihi boyunca bir zorluk oluşturmaktadır. Son zamanlarda, insanlar hava araçlarının sınırlarını zorlamaya başladıkça ve yeni görev türleri ortaya çıktıkça, kararsız akış koşullarını anlamak daha fazla önem kazanmıştır. Gözetleme veya keşif gibi mevcut görevler, mikro veya insansız hava araçlarının daha küçük olmasını, düşük rakımlarda veya diğer yapıların iz bölgesinde çalışmalarını gerektirir. Sayılan faktörlerin bileşimi hava araçlarının büyük ölçekli sağanaklar ile karşılaşma potansiyelini arttırırken aynı zamanda bu karşılaşmalara karşı daha duyarlı olmalarına sebep olur. Bu nedenle sağanakların kanat yüklemesine etkilerinin araştırılması önem teşkil etmektedir. Bu çalışmanın amacı, açıklık boyunca uzanan bir tekil girdabın akış yapıları ve kanada binen aerodinamik yükler üzerindeki etkilerini araştırmaktır. Bu şekilde bir girdap sağanağın sabit bir kanatta yaratacağı sonuçlar incelenecektir. Dijital Parçacık Görüntüleme Hızölçeri sistemi ile akış yapılarını görüntüleyerek ve bir kuvvet/tork sensörü kullanımıyla modelden kuvvet bilgisini edinerek konuya deneysel bakış açısıyla yaklaşılmıştır. Deneyler, İstanbul Teknik Üniversitesi, Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesi, Trisonik Laboratuvarı'nda bulunan geniş ölçekli su kanalında gerçekleştirilmiştir. Deneylerde Reynolds Sayısı 10 000 olarak seçilmiştir ve bu sayı deney koşullarında serbest akış hızının 0.1 m/s olmasına karşılık gelmektedir. 10 cm veter ve 40 cm kanat açıklığına sahip bir plaka sağanak jeneratörü olarak kullanılmak üzere akışla önce karşılaşacak şekilde yerleştirilir. Bu düzeneğin ardına ise bağlantı kirişine kuvvet sensörü monte edilmiş, 10 cm veter ve 20 cm kanat açıklığına sahip plaka model olarak yerleştirilir. İki düzenek de kanat bağlantı kirişlerine monte edilmiş olan yunuslama motoru yardımıyla yunuslama hareketi yapabilmektedir. Kanatların yunuslama motoruyla birlikte bağlı olduğu lineer tabla (linear table) ise akışa dik yönlü hareket yapılmasını sağlamaktadır. Bu şekilde bir vortex sağanağın sabit bir kanatta yaratacağı sonuçlar incelenecektir. Girdap, sağanak jeneratörünün saat yönünde 180 derece dönüşünü sabit açısal hızda 4 saniyede tamamlaması ile oluşturulur. Oluşumunun ardından söz konusu girdap sağanak jeneratörünün ardında yer alan sabit hücum açısındaki model ile etkileşir. Bu etkileşim sonucunu araştırmak amacıyla modelin 7 farklı hücum açısı ve sağanak jenöratörünün 3 farklı düşey konum kombinasyonundan oluşan 21 deney durumu belirlenmiş ve kullanılmıştır. Deney sırasında inceleme alanındaki akış yapıları Dijital Parçacık Görüntüleme Hızölçeri (DPGH) sistemi tarafından yakalanır. Bu sistemde akışkana polimer parçacıklar karıştırılarak akış tohumlanır ve düzlemsel lazer ile akış alanının aydınlatılmasıyla parçacıklar görünür hale gelir. Anlık olarak akış alanı fotoğraflanır ve DPGH programı fotoğraflardaki parçacık hareketinden yola çıkarak akış alanında hız vektörlerini hesaplar. Bu aşamanın ardından veri işlemede laboratuvarın kurum içi kodu kullanılarak filtreleme ve maskeleme yapılır. Sağanak ile etkileşim sırasındaki inceleme alanındaki akış yapıları Dijital Parçacık Görüntüleme Hızölçeri sistemi tarafından yakalanırken, kuvvetler eş zamanlı olarak model kirişine monte edilmiş bir kuvvet / tork sensörü ile alınır. Kuvvet/tork sensöründen alınan ölçümler filtrelenip gürültüden arındırılmasının ardından taşıma ve sürükleme katsayılarının hesaplanmasında kullanılır. Veri işlemenin ilk adımlarından biri kanada etki eden sağanağı karakterize etmektir. Bu işlem literatürde yapılan araştırmalar ile ortak bir dil kurulmasına ve karşılaştırma yapılmasına olanak sağlar. Deneyde sağanak jeneratörü tarafından oluşan girdabın t=8 s anında hız vektörlerine bakılarak bu işlem gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak Sağanak Oranı (Gust Ratio) yaklaşık 1.0, Sağanak Genişliği (Gust Width) ise 0.4 bulunmuştur. Aynı sağanak jeneratörü pozisyonu için taşıma ve sürükleme katsayısı karşılaştırılmıştır. Burada sağanağın oluşturduğu farka bakılmıştır. Taşıma katsayısı değişimlerindeki genel eğilim, deneylerin çoğu için benzerlik göstermektedir. İlk başta, kanat üzerinde etkili olan kuvvetler stabil durumdadır. Ardından, sağanak jeneratörü hareketinin başlamasıyla ilişkili olarak t = 5 s'den sonra lokal bir maksimum gözlenir. Görülen bu lokal ekstremiteyi, t = 8 s civarında bir minimum uç nokta izler. Bunu takiben kuvvetlerin toparlanma süreci başlar ve birbaşka lokal maksimum tepe noktası gözlenir. Son olarak, taşıma katsayısı baştaki stabil durum değeri etrafında salınım yapar. Benzer şekilde, sürükleme katsayısı değişimi de deneylerde benzerlik gösterir. Sağanak jeneratörü hareketine başlamadan önce, eğriler stabil değerleri etrafında dalgalanır. Hareket t = 5 s'de başladığında, bir minimum lokal pik ardından bir ekstrem maximum pik gözlenir. Bu piklerin zamanlamasının taşıma katsayısı değişimlerindeki piklerin zamanlamasıyla eşleşmektedir, ancak eğimleri zıttır. Daha sonra kuvvetler toparlanmaya başlar ve başka bir yerel minimum gözlenir. Son olarak, kuvvetler sağanak jeneratörünün hareketinden önceki değerler etrafında dalgalanır ve sabit duruma ulaşır. Girdap etkileşimi nedeniyle modele etki eden aerodinamik kuvvetlerin genel eğilimi benzerlik gösterse de hücum açısıyla ilişkili olarak lokal pik değerlerinde farklılıklar gözlenmektedir. Sürükleme katsayısı değişimlerinin sonuçları, model daha yüksek hücum açısı değerine sahip olduğunda girdap karşılaşmasından daha az etkilendiğini göstermektedir. Dijital Parçacık Görüntüleme Hızölçeri sisteminden elde edilen akış yapısı görüntüleri de kuvvet verileriyle birlikte incelenmektedir. Sağanak jeneratör hareketi başlamadan önce kuvvetler stabil değerlerindedir ve akış alanı herhangi bir büyük girdap yapısından yoksundur. Sağanak jeneratörü ilk hareketi sırasında bir küçük pozitif girdap yaratır ve bu da katsayı değişimlerindeki ilk lokal uç noktanın oluşmasında etkilidir. Ardından güçlü bir negatif girdap akış alanına girer. Negatif girdap yoluna devam ettikçe, modelin ön kenarında bir tepki olarak pozitif girdap oluşmaya başlar. Bu noktada hem taşıma hem de sürükleme katsayısı değişimleri sırasıyla ekstrem bir uç nokta değerlerine ulaşır. Pozitif hücum kenarı girdabı modelden kopar ve negatif girdapla etkileşir. Sonuç olarak, her iki girdabın da akış alanındaki etkileri nötralize edilir ve kuvvetler bu zaman aralığında toparlanır. Bu proses deneylerin tamamında benzer bir şekilde ilerlemektedir. Ancak, girdabın yörüngesine ve kanadın hücum açısına bağlı akış alanında oluşan yapıların zamanlamalarında ve şiddetlerinde farklılıklar gözlenmiştir. Kanat yükü, DPGH sistemi kullanılarak elde edilen hız alanı verileri kullanılarak hücum kenarının çeyrek veter ilerisinde hesaplanan efektif hücum açısı ile ilişkilidir.
Özet (Çeviri)
The aim of this study is to investigate the effects of a single spanwise vortex impingement on flow structures around and loading on a rectangular wing. An experimental approach is adopted to investigate by gathering force data from the wing and visualization of flow structures with DPIV technic. The experiments are conducted in the large scale water channel located in Trisonic Laboratory of Istanbul Technical University's Faculty of Aeronautics and Astronautics. A Reynolds Number of 10.000 is chosen for all experiments which corresponds to 𝑈∞ = 0.1 m/s. A flat plate upstream of the model undergoing clockwise 180 degree turn is used for the generation of a single vortex and the vortex impacts a stationary rectangular flat plate wing with 𝐴𝑅𝑒𝑓𝑓= 4 located downstream of the vortex generator. Forces acting on the model during experiments are acquired by a force/torque sensor. Simultaneously, flow structures around the wing are captured by a DPIV system during vortex impingement. The mounting arrangements of the gust generator and the wing, are such that both are able to do pitch and plunge motions. A total of 7 different angle of attack values for the stationary wing and 3 different offsets only varying in y-axis for the gust generator with respect to model to change the vortex path are combined to generate 21 test cases of this study. The difference in wing loading due to the vortex impingement for various angle of attack values are compared for the same offset value. Likewise, they are compared when only the gust generator offset changes and angle of attack of the model is kept the same. Following this procedure, images gathered by DPIV system are investigated in conjunction with the force data. The general trend of the aerodynamic forces acting on the model due to vortex impingement shows agreement with the literature work on the subject. Drag coefficient is less affected by the vortex impingement especially when the model has a high angle of attack. However, the lift coefficient shows that asthe angle of attack value increases, the effect of the vortex impingement on lift becomes drastic. The wing loading is correlated with the effective angle of attack calculated quarter chord upstream of the leading edge using the quantitative velocity field obtained using the DPIV system. The study actually mimics a transient vortex gust encounter. The strength and width of the gust is also determined using the DPIV images. Although the impinging vortex is the same for all cases investigated, the offset value and the angle of attack affect the vortex trajectory and therefore wing loading.
Benzer Tezler
- Gaz türbini kanat ucu geometrisinin aerodinamik ve ısıl optimizasyonu
Aerothermal optimization of axial gas turbine blade tip geometry
HIDIR MARAL
Doktora
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
- Hafif siklet bir uçağın kaplama perçin ve rib hesabı
The Calculations of skin rivets and rib design of light airplane
MEHMET SAİT SAFFET BAYSAL
- Tek açıklı tarihi kemer bir köprünün dinamik davranış parametrelerinin deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of dynamic behavior parameters of a single span historical arch bridge
AHMET YASİR KANBUR
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
İnşaat MühendisliğiErzurum Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DİLEK OKUYUCU
- Experimental ınvestigation of a solar-assisted heat pump system employing photovoltaic thermal (PV/T) collector
Fotovoltaik termal (FV/T) kollektörlü güneş enerjili bir ısı pompası sisteminin deneysel olarak araştırılması
ŞEYMA NUR DURGUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
EnerjiFırat ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ESEN
- An Experimental investigation of adaptive servo control of a single axis table
Başlık çevirisi yok
F. İLKİN ÖZEL
