Geri Dön

Use of lesp (Leading edge suction parameter) and effective angle of attack measurements for gust mitigation

Sağanak etkisinin azaltılması için lesp (Hücum kenarı emme parametresi) ve efektif hücum açısı ölçümlerinin kullanımı

PDF İndir

  1. Tez No: 894331
  2. Yazar: ELİF ACAR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. NURİYE LEMAN OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 127

Özet

Havacılık araştırmalarında tarih boyunca, akışın kararsızlığı ve öngörülemez doğası çözülemeyen bir sorun olmuştur. Son yıllarda, mikro hava araçları (MAV) ve insansız hava araçları (UAV) dahil olmak üzere küçük hava araçlarına olan ilginin artması sonucunda, bu sorun yeniden gündeme gelmiştir. Bu küçük ölçekli uçaklar, sıklıkla zorlu atmosfer koşullarına maruz kalır ve yoğun manevralara girerler, bu da yukarıda bahsedilen sorunu ortaya çıkarmaktadır. Bu sorunun öncelikli olarak küçük ölçekli uçakları etkilediği belirtilmektedir, ancak spesifik durumlara bağlı olarak helikopterlerde veya büyük uçaklarda da ortaya çıkabilir. Bu sorunun kökeni daimi olmayan aerodinamiktir ve sağanak karşılaşmaları önemli bir rol oynamaktadır. Basitçe söylemek gerekirse, bir hava aracının sağanak karşılaşması nedeniyle akış hızında ve yönünde ani bir değişiklik yaşadığı durumlarda gözlemlenir. Gerçek hayat koşullarında, en yaygın ve karmaşık sağanak karşılaşma türü, girdap tipi sağanak karşılaşmasıdır. Girdap tipi sağanak karşılaşması, hem akış yönünde hem de enine yönlü hız bileşenleri içerdiğinden, akışın kararsızlığını ve öngörülemezliğini arttırır. Bu hadise genellikle atmosferik türbülanslarda ve daha spesifik olarak, girdap kopmasının meydana geldiği yüksek binalar ve gemiler gibi küt cisimlerin iz bölgesinde gözlemlenir. Girdap tipi sağanak karşılaşmasının bir sonucu olarak, yukarıda belirtilen hava araçları, akış ayrılması yaşayabilir ve bu da stall (tutunma kaybı), kontrol kaybı ve en kötü senaryoda uçak kazalarına yol açabilir. Mevcut araştırmalar, akış ayrılmasını önlemek veya geciktirme niyetiyle daimi olmayan akışları anlamak ve öngörü yöntemleri geliştirmeyi hedeflemektedir. Çoğu çalışma, akış ayrılmasının öncesini, sırasını ve sonrasını inceleyerek ayrılmayı önceden tahmin etmeye odaklanır. Ana amaçları, çeşitli durumlarda akış ayrılmasını doğru bir şekilde belirleyebilen evrensel bir kriter bulmaktır. Böyle bir kriter geliştirilerek, her uçağa bir öngörü sistemi entegre edilebilir ve sağanak karşılaşmalarının etkilerini etkili bir şekilde azaltmak ve istenmeyen sonuçları önlemek için karşı önlemler uygulanabilir. Bu amaç doğrultusunda, kanat profilinin hücum kenarında ölçülen emme kuvvetinin boyutsuz bir formu olan hücum kenarı emme parametresi (LESP) adı verilen bir kriter geliştirilmiştir. LESP, kritik LESP aracılığı ile akış ayrılmasının başladığı anı belirlemek için bir gösterge görevi görür. Kritik LESP değeri, her kanat modeli ve Reynolds sayısı için önceden belirlenmesi gereken belirli bir LESP değeridir ve kanat hareketinden bağımsız olması ile birçok senaryoda kullanılabilir. Bu yöntem, anlık LESP değerinin kritik değere ulaştığı anda akış ayrılmasının başlaması prensibine dayanır. Böylece, anlık LESP'nin izlenmesi ve kritik değere ulaştığında sistemin uyarılması, uçuş sırasında akış ayrılmasını tahmin etmek için pratik bir yöntem olabilir. Efektif hücum açısı, lokal kanat profili kesitinin veter hattı ile lokal bağıl akış arasındaki açı olarak tanımlanmaktadır. Girdap tipi sağanak karşılaşmalarında, kanat hem akım yönünde hem de enine yönde hız bileşenlerinin etkisi altında olacağından efektif hücum açısı oluşabilir. Bu açı, lokal kesitsel taşıma katsayısı ile doğru orantılı olduğundan, akış ayrımı başlangıcını tahmin etmek için kullanılabilir. Açının artmasıyla taşıma katsayısı da artar ve firar kenarındaki ayrılma noktası, hücum kenarına doğru ilerlemeye başlar. Daimi olmayan akış koşullarında, efektif hücum açısı statik stall açısını yeterince hızlı geçtiğinde akış hücum kenarından ayrılmaya başlar. Böylece hem hücum açısı hem de hızdaki bu büyük değişimler, istenmeyen dinamik stall olayına yol açabilir. LESP yönteminde bahsedildiği gibi, efektif hücum açısının izlenmesi, uçuş sırasında akış ayrılmasını tahmin etmek için kullanılabilir. Anlık efektif hücum açısı, hücum kenarının yukarı akışını ölçen bir pitot tüpü monte edilerek elde edilebilir. Pitot tüpünün konumu nedeniyle, akış daha kanat profiline ulaşmadan önce akış ayrılması tahmin edilebilir. LESP, kanat profili üzerinde etki eden basınçlardan veya kuvvetlerden elde edildiği için efektif hücum açısı metoduna göre geç tahminde bulunma ihtimali vardır. Bu nedenle, bir uçuş sistemi için hangi yöntemin daha doğru, pratik ve uygulanabilir olduğunun araştırılması ve belirlenmesi önemlidir. Bu yüksek lisans tezi, şiddetli sağanak karşılaşmaları sırasında hücum kenarında akış ayrılmasının başlamasını, taşıma ve sürükleme kuvvetleri, hücum kenarı emme parametresi (LESP) ve efektif hücum açısı gibi parametreleri analiz ederek araştırmayı böylece en doğru ve pratik göstergeyi belirlemeyi amaçlamaktadır. Bu araştırmada deneysel yöntem kullanımı ile, kanat modellerine etki eden kuvvetler ölçülmüştür ve aynı zamanda akış yapılarını görselleştirme ve vektör alan analizi için Dijital Parçacık Görüntüleme Hızölçer (DPIV) tekniği kullanılmıştır. Ayrıca, sayısal yöntem, bu çalışmada kullanılan toplam kuvvet ölçümlerinin ve deneysel yöntemin uygulanabilirliğini ve doğruluğunu kanıtlamak için kullanılmaktadır. Bunun için, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) analizinden elde edilen basınç ve kayma dağılımlarından hesaplanan kesitsel kaldırma ve sürükleme kuvvetleri, hesaplamalı ve deneysel çalışmalardan elde edilen toplam kuvvetlerle karşılaştırılmaktadır. Deneyler, İstanbul Teknik Üniversitesi (İTÜ) Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesi Trisonik Laboratuvarı'nda bulunan kapalı devre, büyük ölçekli, serbest yüzeyli su kanalında gerçekleştirilmiştir. Tüm deneyler için serbest akış hızı 0,1 m/s olarak ayarlanmıştır, bu nedenle kanat modellerinin veter uzunluğuna karşılık gelen Reynolds sayısı 10.000 olarak belirlenmiştir. Bu çalışma için kullanılan test modelleri olarak da bilinen kanat modelleri, her ikisi de AR=4 olan dikdörtgen şeklinde keskin kenarlı düz bir plaka ve bir NACA0012 kanat profilidir. Kanat modelinin akış yukarısına, kama şeklinde kenarları olan dikdörtgen düz bir plaka olan sağanak üreteci yerleştirilmiştir. Deneyler sırasında, kanat modelinin hücum kenarına bağlı olan bir kuvvet/tork sensöründen 1 kHz örnekleme hızıyla kuvvet ölçümleri elde edilmiştir. Kuvvet ölçümleri ile eş zamanlı olarak, DPIV sistemi kullanılarak nicel akış alanı görüntüleri kaydedilmiştir. CFD simülasyonları, ANSYS Fluent® ticari yazılım paketi kullanılarak gerçekleştirilmiştir olup, k-ω SST-Delayed Detached Eddy Simulation (DDES) hibrit Reynolds Ortalamalı Navier-Stokes (RANS)/Large Eddy Simulation (LES) yöntemi kullanılmıştır. Kanat modelleri ve sağanak üreteci, deney düzeneği ile aynı geometrik özelliklerde ve boyutlarda modellenmiştir. Hesaplama alanı, dört yüzlü ve beş yüzlü üçgen prizmatik ağ yapısı kombinasyonu ile ayrıklaştırılmıştır. CFD analizi sonucunda, kanatlara etki eden toplam taşıma ve sürükleme kuvvetleri ile birlikte çeyrek ve orta kanat açıklığında bulunan kesitlerdeki basınç ve kayma dağılımları elde edilmiştir. Ayrıca, akış görselleştirmesi için iki boyutlu akım çizgileri ve girdap görüntüleri ile üç boyutlu hız görüntüleri elde edilmiştir. Deneyler sırasında, sağanak üretecinin saat yönünde yarım tur dönüşü ile negatif yönlü bir girdap tipi sağanak üretilmektedir. Her iki kanat modeli de sıfır hücum açısıyla hareketsiz dururken, sağanak üreteci üç farklı yarım tur dönüş periyoduna (T=3, 4 ve 6 s/(½tur)) ve kanat modellerine göre iki farklı çapraz akış mesafesine (∆y=–36 ve –111 mm) tabi tutulur. Her bir durum için deneyler beş kez tekrarlanır ve sonrasında gürültüyü azaltmak ve doğruluğu artırmak için sonuçların ortalaması alınır. CFD simülasyonları, her iki kanat modeli için yalnızca araştırmanın temel durumuna (T=4 s/(½tur) ve ∆y= –36 mm) göre yürütülür. Başlangıçta, orta ve çeyrek kanat açıklığındaki kesitlere ait kesitsel taşıma ve sürükleme kuvvetleri, deneysel ve CFD analizlerinden elde edilen kanat modellerine etki eden toplam taşıma ve sürükleme kuvvetleriyle karşılaştırılır. Sonuçları daha iyi yorumlamak için akışın üç boyutluluk etkisi CFD verileri kullanılarak incelenir. Ayrıca, kanat modellerinin üst ve alt yüzeylerinde oluşan Cf dağılımları, CFD ve deneysel analizlerinden elde edilen girdap görüntüleri ile karşılaştırılır. Bu sayede, girdap oluşumunun Cf aracılığı ile tespit edilmesi ve deneysel verilerle benzerliklerinin gözlemlenmesi sağlanır. Kesitsel sonuçlar ile kanada etki eden kuvvetler arasında güçlü bir ilişki keşfedildikten sonra, araştırma, akış ayrımı tahmin parametrelerinin kapsamlı bir şekilde incelenmesi ile devam eder. Bu kapsamlı araştırmada, hücum kenarında akış ayrılmasının başlangıcının en doğru ve uygulanabilir göstergesini belirlemek üzere CL, CD, LESP ve efektif hücum açısı gibi parametreler karşılaştırılır. Bu parametrelerle birlikte DPIV'den elde edilen kritik durumlar da incelenir. Durma noktasının konumu ve hücum kenarı girdabının oluşumu, hücum kenarındaki akış ayrılması açısından önemli adımlardır. Durma noktasının konumu aynı zamanda, efektif hücum açısı ve taşıma kuvveti ile ilişkilidir. LESP, aksiyal kuvvetten hesaplandığından dolayı, LESP ve CD sonuçları arasında çoğunlukla simetrik bir davranış gözlemlenir. Anlık LESP, kritik LESP değerine ulaştığında, genellikle hücum kenarındaki akış ayrılmasının başlangıcını gösterir.

Özet (Çeviri)

This master thesis aims to investigate the initiation of flow separation at the leading-edge during gust encounters by analyzing parameters such as, lift and drag forces, leading-edge suction parameter (LESP), and effective angle of attack, in order to determine the most accurate and practical indicator for the initiation. Experimental method is used for this investigation, which includes measuring forces acting on wing models and using Digital Particle Image Velocimetry (DPIV) technique for flow visualization and vector field analysis. Additionally, numerical method is used to prove applicability and accuracy of the total force measurements from experimental method conducted in this study. For that, sectional lift and drag forces, which are calculated from computationally obtained pressure and shear stress distributions, are compared with total forces obtained from both Computational Fluid Dynamic (CFD) and experimental studies. The experiments are conducted in the closed circuit, large scaled, free-surface water channel located in the Trisonic Laboratory of the Faculty of Aeronautics and Astronautics of Istanbul Technical University (ITU). For all experiments, free-stream velocity is set to 0.1 m/s, therefore the Reynolds number corresponding to the wing models' chord length is determined as 10,000. The wing models, also known as test models, used for this study are a rectangular sharp-edged flat plate and a NACA0012 airfoil, both with AR=4. A gust generator, which is a rectangular flat plate with wedge shape edges, is positioned upstream of the wing model. During the experiments, force measurements are obtained from a force/torque sensor connected to the leading-edge of the wing model, with 1 kHz sample rate. Simultaneously with the force measurements, quantitative flow field images are recorded using DPIV system. CFD simulations are performed using the commercial software package of ANSYS Fluent® and k-ω SST-Delayed Detached Eddy Simulation (DDES) hybrid Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS)/Large Eddy Simulation (LES) method had been employed. The wing models and the gust generator are modelled with identical geometrical characteristics and dimensions with the experimental setup. The computational domain is discretized with a combination of tetrahedral and five-sided triangular prismatic mesh. From the CFD analysis, pressure and shear stress distributions around the cross sections located on quarter and mid span are obtained, along with total lift and drag forces acting on the wings. Additionally, for flow visualization, two-dimensional streamline and vorticity images and three-dimensional velocity images are obtained. During the experiments, a negative vortex gust is generated with the half rotation of the gust generator in the clockwise direction. While both of the wing models are stationary with zero angle of attack, the gust generator is subjected to three different half rotation periods (T=3, 4, and 6 s/(½rev)) and two different cross-flow distances (∆y= –36 & –111 mm) with respect to the wing models. Each case is repeated five times and the results are averaged to reduce the noise and increase the accuracy. The CFD simulations are only conducted to base case (T=4 s/(½rev) & ∆y= –36 mm) of the research for both wing models. Initially, the sectional lift and drag forces for mid-span and quarter-span cross sections are compared with total lift and drag acting on the wing models, from experimental and CFD analysis. To better interpret the results, the three-dimensionality effect of the flow is studied using CFD data. Additionally, Cf distributions from the upper and lower surfaces of the wing models are compared with the vorticity images from CFD and experimental. This allowed for the determination of detecting vortex formation through Cf and the observation of similarity with experimental data. After discovering a strong correlation between the sectional results and the forces acting on the wing, the study proceeds to a comprehensive investigation of flow separation prediction parameters. In this comprehensive investigation, parameters such as CL, CD, LESP and effective angle of attack are compared to determine the most accurate and applicable indicator for the initiation of flow separation at the leading-edge. Critical instances from DPIV are studied alongside these parameters. It is observed the location of the stagnation point and the formation of a leading-edge vortex are crucial steps in the development of flow separation at the leading-edge. The location of the stagnation point is linked to the effective angle of attack and CL. Since LESP is calculated from the axial force, a mostly symmetrical behavior is observed between LESP and CD results. When the instantaneous LESP reached to the critical LESP value, LESP generally indicated the initiation of flow separation at the leading-edge.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    82285

    Bankacılıkta döviz pozisyonu yönetiminde forward ve swap

    Use of forward and swaps by banks as foreign exchange position management

    Ş. AYSEL ATİLA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1999

    BankacılıkMarmara Üniversitesi

    Sermaye Piyasası ve Borsa Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİYAZİ BERK

  2. Tez No

    82318

    Ambar takibinde barkod teknolojisi kullanımı

    Use of barcode technology in stock monitoring

    PERİHAN TAŞDELEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1999

    İşletmeKocaeli Üniversitesi

    İşletme Yönetimi ve Organizasyon Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. NİLÜFER ÇELİKKOL

  3. Tez No

    82594

    Use of sol-gel beads in precon lentration

    Başlık çevirisi yok

    TİJEN EROĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1999

    KimyaOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MÜRVET VOLKAN

  4. Tez No

    82644

    Use of genetic algorithms in size shape and topology optimization of space trusses

    Genetik algoritmaların uzay kafes sistemlerinin eşzamanlı kesit alanı şekil ve topoloji optimizasyonunda kullanımı

    MEVLÜT KAHRAMAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1999

    İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FUAT ERBATUR

  5. Tez No

    82672

    Use of polydextrose as a sugar and fat-replacer in high-ratio cakes

    Polidekstrozun yüksek şeker oranı içeren keklerde şeker ve yağ yerine kullanımı

    DİLEK KOÇER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1999

    Gıda MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ZEYNEP KATNAŞ

Geri Dön