A new nonlinear lifting line method for configuration aerodynamics and deep learning based aerodynamic surrogate models
Konfigürasyon aerodinamiği analizi ve derin öğrenme bazlı aerodinamik dijital model oluşturmak için yeni bir doğrusal olmayan taşıyıcı çizgi metodu
- Tez No: 638685
- Danışmanlar: PROF. DR. MAHMUT ADİL YÜKSELEN, PROF. DR. GÖKHAN İNALHAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Havacılık Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Science and Technology, Aeronautical Engineering, 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: 92
Özet
Günümüzde insansız hava araçları (İHA), kargo teslimi, gözetleme, keşif ve takip gibi çok çeşitli alanlarda sivil ve askeri operasyonlar için bir kabiliyet sağlamaktadır. NATO standartlarına göre Sınıf-I insansız hava sistemleri olarak sınıflandırılan bu tür mikro, mini ve küçük İHA'lar, özellikle düşük hız ve düşük irtifa operasyonlarında insanlı ve insansız taktik birimlerinin yerini alan nispeten ucuz sistemler olarak öne çıkmaktadırlar. Çoğunlukla düşük Reynolds sayısı uçuş rejimlerinde operasyon yürüten Sınıf-I İHA'lar agresif manevra yaparken veya olumsuz hava koşullarında uçarken sürekli olarak tasarım dışı uç koşullarda performans değişimlerine maruz kalmaktadırlar. Bu tarz hava araçlarının tutunma kaybı ve sonrası dahil olmak üzere geniş bir hücum açısı aralığında aerodinamik karakteristiklerinin belirlenmesi hem tasarım ve tasarım optimizasyonu çalışmaları için hem de aracın matematiksel modelinin çıkarılması ve simülasyon ortamında uçuş kontrol sistemlerinin tasarlanması için büyük önem arz etmektedir. Bu amaçla, bu çalışmada Prandtl'ın klasik taşıyıcı çizgi teoremi temel alınarak yeni bir doğrusal olmayan konfigürasyon analiz aracı geliştirilmiştir. Yöntem, taşıyıcı yüzeylerin önceden deneysel veya nümerik yolla önceden elde edilmiş iki-boyutlu performansını kullanarak, hava aracının üç-boyutlu doğrusal olmayan aerodinamik performansını saliseler içerisinde hesaplayabilmesi ile öne çıkmaktadır. Geliştirilen yöntem sayesinde hava aracının maksimum taşıma katsayısı dahil olmak üzere tutunma kaybı öncesi ve sonrası (kısıtlı bir aralıkta) doğrusal olmayan taşıma eğrisi hesaplanabilmektedir. Ayrıca yöntem indüklenmiş sürüklemeyi direkt olarak hesaplamakta, aynı zamanda taşıyıcı yüzeylerin (kanat, kuyruk ve kanard) iki-boyutlu profil verilerini kullanarak viskoz sürükleme ve yunuslama momenti katsayıları da elde edilebilmektedir. Taşıyıcı yüzeylerin çözümlemesine ek olarak, gövde analizi için yönteme entegre edilen yarı-empirik denklemler sayesinde, geliştirilen araç komple bir hava aracının analizini mümkün kılmaktadır. Genel olarak, küçük İHA sınıflarında, çok sınırlı boyut ve güç kısıtlamaları altındaki gereksinimleri karşılayan operasyonel bir tasarım oluşturulmaya çalışılmaktadır. Bu noktada, hem tasarım hem de tasarım optimizasyonu için belirli sınırlar içinde binlerce İHA konfigürasyonunun doğrusal olmayan aerodinamik performans haritasını çok hızlı bir şekilde verebilen bir aerodinamik çözücüye ihtiyaç vardır. Geleneksel aerodinamik çözücüler böyle bir çalışma için gerekli verimliliği sağlayamasa da, son zamanlarda özellikle popüler hale gelen yapay zeka algoritmaları ile mevcut aerodinamik yöntemin dijital bir modelini oluşturmak mümkündür. Bu çalışmanın ikinci bölümünde, derin öğrenme teknikleri kullanılarak İHA konfigürasyonlarının doğrusal olmayan aerodinamik özelliklerini tahmin edebilecek bir sinir ağı modeli tasarlanmıştır. Geliştirilen model, tasarım noktaları arasında güçlü enterpolasyon kabiliyeti göstermektedir. Model, geometrik parametreler dışında herhangi bir girdi gerektirmediği için optimizasyon problemlerinde ve simülasyon araçlarında aerodinamik çözücü olarak öne çıkmaktadır. Ayrıca bu çalışmada modelin tasarım ve optimizasyon problemlerinde uygulanışı ile ilgili kısa örnekler yer almaktadır. Aerodinamik analiz yöntemlerinde matematiksel modelin karmaşıklığı arttıkça akış simülasyonu gerçek fiziksel koşullara yaklaşır ve analizdeki hata oranı azalır. Bununla birlikte, üst mertebeden çözümler genellikle daha büyük hesaplama gücü ve işlem zamanı gerektirir. Birçok konfigürasyonun test edildiği uçak tasarım çalışmalarının erken aşamalarında, tasarım optimizasyonunun bir parçası olarak belirli akış koşullarında farklı geometriler için yüzlerce aerodinamik analiz gerekmektedir. Bu nedenle, Navier-Stokes denklemlerine dayanan hesaplama akışkan dinamiği (CFD) yöntemlerinden çok daha düşük bir hesaplama gücü gereksinimi ve daha kısa bir hesaplama süresi olan düşük mertebeden yöntemlerin erken tasarım aşamalarında kullanılması tercih edilir. Potansiyel akış teorisine dayanan klasik taşıyıcı çizgi, nümerik taşıyıcı çizgi, girdap kafesi ve panel yöntemleri düşük dereceli yöntemler olarak sınıflandırılabilir. XFLR5, OpenVSP / VSPAero, Tornado VLM ve MachUp gibi popüler hesaplamalı aerodinamik programları bu yöntemleri içerir. Bu matematiksel modelleri kullanarak, düşük ve orta hücum açılarında bir kanadın taşıma, indüklenmiş sürükleme ve moment katsayılarını elde etmek mümkündür. Bununla birlikte, akıştaki viskozite etkileri potansiyel teoride ihmal edildiğinden, yüksek bir hücum açısında taşıma eğrisinin doğrusal olmayan davranışı ve tutunma kaybı sonrası bölgedeki bir kanadın performansı düşük mertebeden yöntemler kullanılarak belirlenemez. Ayrıca hem tasarım hem de uçuş kontrol ve performans çalışmaları için önemli parametreler olan maksimum taşıma ve viskoz sürükleme katsayıları hesaplanamaz. Bununla birlikte, literatürde, viskozite etkisi modifikasyonlarını içeren düşük mertebeden yöntemlere dayanan bir dizi çalışma bildirilmiştir. Örneğin, klasik taşıyıcı çizgi yönteminin doğrusal olmayan uygulamalarında, iki-boyutlu kesitteki viskoz etkiler, yinelemeli bir yöntem kullanılarak üç-boyutlu kanat performansına yansıtılmıştır. Bu tezde sunulan aerodinamik yöntem de sirkülasyon dağımı üzerinden bir yinelemeli işlemi içerir, ancak yöntemin özgünlüğü ve başarısı taşıma eğrisini kısmi bir doğrusal yaklaşımla ele almasıdır. Bu sayede, taşıyıcı çizgi teorisine dayanan diğer yöntemlere benzer şekilde, önerilen yöntem sıkıştırılamayan ses-altı rejimde ok açısı ve dihedral açıları bulunmayan tüm kanatlar için uygulanabilir. Üç-boyutlu kanat üzerinden yapılan doğrulama çalışmalarında yöntem deneysel sonuçlarla neredeyse çakışık sonuç vermiştir. Çeşitli analiz araçlarıyla yapılan karşılaştırmada yöntemin NASA TetrUSS gibi yüksek mertebeden hesaplamalı akışkanlar dinamiği programlarıyla uyumlu bir sonuç verdiği gözlemlenmiştir. Ayrıca geliştirilen yöntem ile ARC İHA konfigürasyonunun analizleri gerçekleştirilmiştir. Mevcut yöntem ile 0.01 saniyede 30 farklı hücum noktasında hesaplanan performans katsayıları, CFD yöntemi kullanan ve günlerce analizleri süren bir paket programın çıktılarıyla karşılaştırıldığında sonuçların çok uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Geliştirilen yöntem özellikle hava aracının maksimum taşıma noktasını, tutunma kaybı öncesi ve sonrası aerodinamik performansını çok başarılı bir şekilde hesaplayabilmiştir. Önerilen yöntem literatüre, geniş bir hücum açısı aralığını kapsayacak şekilde, tutunma kaybı ve sonrası uçuş bölgesi de dahil olmak üzere doğrusal olmayan aerodinamik performansı hesaplayabilen yeni bir yaklaşım getirmektedir. Çalışmanın ikinci kısmında geliştirilen derin öğrenme temelli vekil modelin oluşturulma motivasyonu mevcut literatürdeki klasik analiz araçlarının dezavantajlarının giderilmesidir. Tasarım optimizasyonuna odaklanıldığında, kavramsal ve ön tasarım aşamaları için geleneksel mühendislik araçları, oluşturulan yeni tasarımları hızlıca ele almak için yeterince esneklik veya performans tahmin yeteneği sağlayamazlar. Bu gereksinimleri, belirli bir girdi seti ve ilişkili çıktılar aracılığıyla regresyon yaklaşımıyla bir sinir ağı modelini eğitmemize izin veren Derin Öğrenme gibi makine öğrenmesi yöntemleri ile karşılamak mümkündür. Bununla birlikte, büyük ölçekli tasarım optimizasyon problemleri için, yapay zekâ modelini farklı geometrik konfigürasyonların çok sayıda kombinasyonunu içeren yüksek miktarda veri ile eğitmek gerekir. Literatürde, uçuş testleri, deneysel çalışmalar ve düşük-yüksek mertebeden hesaplama yöntemlerinin bir kombinasyonu, daha ufak boyutlu belirli tasarım problemlerine uygun veri setleri oluşturmak için kullanılmıştır. Uçuş testleri, deneysel çalışmalar ve CFD gibi yüksek dereceli hesaplama yöntemleri ile büyük veri kümeleri oluşturmak, hesaplama açısından maliyetlidir ve pratik olarak mümkün değildir. Bu aşamada, düşük mertebeden hesaplamalı aerodinamik yöntemleri ucuz ve hızlı bir seçenek olarak öne çıkmaktadır. Bununla birlikte, daha önce bahsedildiği gibi, bu yöntemler genellikle kritik viskoz etkileri dikkate almamaktadır. Bu nedenle, yüksek bir hücum açısında taşıma eğrisinin doğrusal olmayan davranışı ve tutunma kaybı öncesi ve sonrası bölgelerde hava aracının özellikleri bu yöntemlerle belirlenemez. Taşıma eğrilerinin doğrusal olmayan davranışı özellikle düşük Reynolds sayılarında görüldüğü için, küçük ve orta boyutlu İHA uygulamalarında bu sorun ön plana çıkmaktadır. Bu sorunu çözmek için, geniş bir konfigürasyon aralığını kapsayacak şekilde geometri ve aerodinamik performansı ilişkisini tahmin edebilenin bir sinir ağı tasarlanmıştır. Yapay sinir ağı modelini eğitmek için, hesaplama gücü ve süresi olarak oldukça verimli olan yeni doğrusal olmayan taşıyıcı çizgi yöntemi kullanılarak büyük bir veri seti üretilmiştir. Aerodinamik analiz aracının hızı ve güvenilirliği sayesinde, kişisel bir bilgisayarda bile on binlerce konfigürasyon dakikalar içinde üretilerek analiz edilmiştir. Tasarlanan yapay sinir ağı modeli, esasen iki boyutlu kanat profili performans verisine ihtiyaç duymadan üç-boyutlu maksimum taşıma katsayısını, tutunma kaybı öncesi ve sonrası aerodinamik davranış dahil olmak üzere çeşitli İHA konfigürasyonlarının aerodinamik performansını hesaplayabilmektedir. Yapay sinir ağı modelinin eğitiminde, NACA 4-serisi kanat profilleri kalınlık oranı, kamburluk konumu ve miktarı parametreleriyle tanımlanır. Bu tanım, modelin iki boyutlu kanat profili performans verilerine ihtiyaç duymadan yalnızca geometri parametrelerinden oluşan girdiler kullanmasına izin verir. Elde edilen sonuçlar, model tahmininin, model eğitiminde kullanılmayan farklı kanat profilleri olan konfigürasyonlar için bile sayısal verilerle neredeyse 1-1 çakışma gösterdiğini göstermektedir. Bu durum eğitilen modelin güçlü genelleme yeteneğini göstermektedir. Çalışmanın son kısmında, geliştirilen model örnek optimizasyon uygulamasında kullanılarak istenen gereksinimlere uygun, iyileştirilmiş performans verilerine sahip hava aracı saniyeler içerisinde tasarlanmıştır. Bu uygulamada mevcut yöntem hem geometri parametrelerini optimize etmiş hem de yeni bir kanat profilinin tasarlanmasını sağlamıştır.
Özet (Çeviri)
Determination of the aerodynamic characteristics of unmanned aerial vehicles (UAVs) is of prime importance from both the design optimization and the flight control system design perspectives. Because many of the small, mini, and micro UAV configurations are operated at flight regimes with low Reynolds numbers, the nonlinear aerodynamics and dominant viscous effects play a key role in aerodynamic performance characterization. The existing approaches to determination of the aerodynamic characteristics of small UAVs use either semi-empirical methods with limited prediction capability to reduce computational complexity or computationally intense and complex computational fluid dynamics (CFD) methods. By contrast, in this work, we present a computationally efficient and high-precision nonlinear aerodynamic analysis method for both design optimization and mathematical modeling of small UAVs. First, a new nonlinear lifting line method is developed for lifting surface configurations using Prandtl's classical lifting line theory. This method is further extended to a complete configuration analysis tool that incorporates the effects of basic fuselage geometries. To be specific, the developed method is able to determine the maximum lift coefficient and the pre- and post-stall aerodynamic behavior of a UAV by using its wing and tail section's nonlinear two-dimensional lift curve obtained experimentally or numerically. The method also gives the induced drag directly, and provides the viscous drag and pitching moment coefficients by using two-dimensional airfoil data on the order of 0.01s using a personal computer. A direct comparison between the results of the current method, experiments, and computationally intensive tools shows good agreement. Moreover, we have also developed a deep learning based surrogate model using data generated by our new aerodynamic tool that can characterize the nonlinear aerodynamic performance of UAVs. The major improved feature of this model is that it can predict the aerodynamic properties of UAV configurations by using only geometric parameters without the need for any special input data or pre-process phase. The obtained black-box function can calculate the performance of a UAV over a wide angle of attack range on the order of milliseconds, whereas CFD solutions take several days/weeks in a similar computational environment. The aerodynamic model predictions show an almost 1-1 coincidence with the numerical data even for configurations with different airfoils that are not used in model training. The developed model provides a highly capable aerodynamic solver for design optimization studies as demonstrated through an illustrative profile design example.
Benzer Tezler
- Kontrollü lagrange yöntemleri ve uygulamaları
Controlled lagrangian methods and applications
HÜSEYİN ALPASLAN YILDIZ
Doktora
Türkçe
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AFİFE LEYLA GÖREN
- Doğrusal olmayan planlamaya yeni bir yaklaşım
A New approach to non-linear planning
HAKAN AYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
1993
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiDOÇ.DR. NADİA ERDOĞAN
- Yüksek devirli gemi diesel motorlarının analitik ve deneysel incelenmesi
An Analytical and exeperimental investigation of high speed marine diesel engines
OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL
- Düzce depreminde yıkılmış 6 katlı betonarme binanın farklı yöntemlerle değerlendirilmesi
Seismic assessment of six storey reinforced concrete building that collapsed after Düzce earthquake
MERVE ÖZKARATAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA GÜLTEN GÜLAY