Experimental investigation of boundary layer transition via vortex generators
Vorteks üreteçleri ile sınır tabakadaki akışın laminerden türbülansa geçisinin deneysel incelenmesi
- Tez No: 894443
- Danışmanlar: DR. DUYGU ERDEM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Savunma ve Savunma Teknolojileri, Defense and Defense Technologies
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 98
Özet
Akışın yapısı ve özellikleri, bir akış sistemi üzerinde çalışan mühendisler ve sistem tasarımcıları için son derece önemli bir konudur. Havacılık teknolojisindeki birçok yapının sınır tabakasındaki akış detaylarının bilinmesi, aerodinamikteki birçok problemin çözümü için önemlidir. Bu problemler, bir cismin yüzey sürtünme direnci, kanat stall gelişimi, yüksek hızlı uçuşta meydana gelen ısı transferi ve yüksek hızlı uçak girişinin performansıdır. Bir cismin sınır tabakası laminer olarak başlar ve uçak kanatlarında kritik hücum açısı asıldığında hava akımı türbülanslı hale gelir ˘ ve kaldırma kuvveti hızla düşer. Serbest akış türbülansı ve basınç gradyanının, sınır tabakadaki akısın laminer durumdan türbülanslı duruma geçişinde en etkili parametreler olduğu düşünülmektedir. Sınır tabakasındaki geçişi önlemek veya geciktirmek için birçok pasif ve aktif kontrol yöntemi vardır, bunlardan biri de girdap üreteçleridir. Girdap üreteçleri, ürettikleri girdaplar ile sınır tabakasının enerjisini arttırarak, ters basınç gradyanının etkisi altında olan sınır tabakası ayrılmalarını engelleyen veya geciktiren bir mekanizmaya sahiptir. Girdap üreteci, dış akıştan sınır tabakaya enerji taşıyarak tabakanın enerji seviyesini yükseltir ve böylece birçok aracın performansını artırır. Girdap üreteçleri, akış ayrılmasını önemli ölçüde önleyebildikleri için birçok araç ve uçağın aerodinamik tasarımında sıklıkla kullanılmaktadır. Girdap üreteçleri, akı¸s özelliklerini iyileştirdikleri ve en önemlisi enerji tasarrufu yaptıkları için özellikle havacılık teknolojisinde yaygın bir akış aracıdır. Bu tezde, sınır tabakasındaki akış laminer akıştan türbülanslı akışa geçerken girdap üreteçleri aracılığıyla deneysel olarak incelenmiştir. Bu çalışmada girdap üreteçlerinin kullanılmasının amacı, sınır tabakasındaki akışı nasıl etkilediklerini detaylı olarak açıklamaktır. Tez kapsamında öncelikle girdap üreteçleri ve sınır tabakasındaki akışın laminer akıştan türbülanslı akışa geçişi ile ilgili literatür araştırması yapılmıştır. Yapılan araştırmalar doğrultusunda girdap üreteci olarak 1 mm çapında küresel bir top seçilmiştir. Çalışmalar, İstanbul Teknik Üniversitesi, Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesi Trisonik araştırma laboratuvarında gerçekleştirildi. Deneyler, 27 cm uzunluğundaki pirinç düz bir plaka kullanılarak modüler bir hava akışı masası olan deney düzeneği üzerinde gerçekleştirildi. Hava akış masası, ayarlanabilir hava akışı kontrolüne ve bir elektrikli fana sahip küçük ölçekli bir rüzgar tünelinden oluşur. Ünite, üzerine aerodinamik olarak ¸şekillendirilmiş konstrüksiyona hava sağlayan bir fanın ve bir akış kontrol valfi aracılığıyla özel olarak tasarlanmış bir plenum odasının monte edildiği sağlam bir çelik çerçeveden oluşur. Test modüllerini tutmak için mafsallı kıskaçlar ve basınç ölçüm bağlantıları için güvenilir hızlı açılan kaplinler kullanılır. Bu iki özellik sayesinde bir deneyden diğerine geçmek basit ve hızlıdır. ˘ Bir mikrometre ile konumlandırılmış düzleştirilmiş bir Pitot tüpü ile plaka yüzeyinden çeşitli mesafelerdeki toplam basınç ve dolayısıyla hız ölçülür. Pitot tüpü, hızlı bağlama-çözme kaplini ile donatılmış esnek bir tüp aracılığıyla bir basınç dönüştürücüye bağlanır. Setra marka Model 239 basınç transdüseri kullanılmıştır. Model 239, -18 ila 80 °C sıcaklık aralığında ±0,073% FS doğruluğu ile çeşitli basınç aralıklarını kapsar. Ayrıca dönüştürücünün tepki süresi 10 milisaniyeden düşüktür. Veri toplama sırasında her bir ölçüm noktası için ortalama 10000 veri değeri kullanılır. Ek olarak, hız ölçümleri için bir başka deney düzeneği olan sıcak telli bir anemometre kullanıldı. Sabit sıcaklık anemometresi, bir noktadaki hızın zamana göre değişimini verir. Böylece yoğunluk ve zamana bağlı istatistikler yapılabilmektedir. Bunun örnekleri, ortalama hız, türbülans yoğunluğu, yüksek dereceli momentler, oto-korelasyon ve güç spektrumudur. Hız ölçümü için Dantec StreamLine sistemi kullanılmıştır. Dantec Dynamics, sabit sıcaklık anemometreleri ile kullanım için eksiksiz bir prob sistemi sunar ve türbülanslı gaz ve sıvı akışlarındaki mikro yapıların ölçümü ve analizi için günümüzde en yaygın kullanılan araçtır. Sabit sıcaklık anemometresi prob programı, çeşitli prob tiplerini ve prob konfigürasyonlarını içerir. Çalışmada 55P15 sınır tabaka tipi prob kullanılmıştır. Bu prob, sınır katmanlarında kullanılmak üzere tasarlanmış sabit bir sıcaklık probudur ve bir prob desteği ile kullanılır. Prob desteği bir ara bağlantının üzerine yerleştirilir ve hız profillerini belirlemek için verilen koordinatlar doğrultusunda hareket eder. Hız profilleri, yüzeydeki çeşitli konumlarda ölçülmüştür. Probun deneylerden önce kalibre edilmesi gerekir. Amaç, sabit sıcaklık anemometresi çıkış voltajıyla bilinen akış hızları arasındaki ilişkiyi belirlemektir. Kalibrasyon ünitesi, sabit sıcaklık anemometre sistemleriyle kullanılan çoğu sıcak tel probu için oldukça hassas bir araçtır. Sıcak tel kalibratörü serbest bir jet üretir ve kalibrasyon sırasında prob bu jetin içindedir. Basınçlı hava gereklidir ve bu sistem ile 0,5 m/s ile 300 m/s arasındaki hızlar ayarlanabilmektedir. Kalibrasyon eğrisi ile veriler arasındaki hata, tüm kalibrasyonlar için yüzde 1'den azdır. Bu tezde sabit sıcaklık sınır koşulu altında sınır tabakasındaki akışın degişimi incelenmiştir. Sınır tabakasındaki akışın laminerden türbülansa geçtiği konumları belirlemek için deneyler yapılmış ve girdap oluşturucunun bu duruma etkisi incelenmiştir. Bu çalışmada ilk önce plaka için farklı akış hızlarında farklı aşağı akış konumlarında deneyler yapılmıştır. Daha sonra üzerine girdap oluşturucu yerleştirildi ve farklı parametrelerle asıl deneylere başlandı. Deneylerde parametre olarak serbest akış hızı ve girdap üreteci konumu kullanılmıştır. Ayrıca deney düzeneğine basınç gradyanı oluşturmak için parçalar eklenerek deneyler yapılmıştır. Yapılan bu girdap üreteçli, girdap üreteçsiz, basınç gradyenli ve basınç gradyensiz bütün deneyler karşılaştırılıp sonuçlara ulaşılmıştır. Deneyler, girdap üreteci yüksekliğinin sınır tabakası kalınlığına bölünmesi, yani h/δ oranı, 0,4 ile 0,8 aralığında 10 farklı oran için gerçekleştirilmiştir. Girdap üreteci olmadan 8,9,10,12 ve 15 m/s akış hızları için yapılan deneylerin sonuçlarına göre, bulunan sınır tabaka kalınlık değerleri birçok konumda Blasius'un teorik değerleriyle örtüştüğü için sınır tabakadaki akışın laminer olduğu belirlenmiştir. Ayrıca girdap üreteci kullanılmadan yapılan deneylerin sonuçları delta (δ) ve Reynold sayısı grafikleri çizilerek doğrulanmıştır. Yapılan deneylerde pozitif basınç gradyan etkisinin sınır tabaka kalınlığını arttırdığı belirlenmiştir. ˘ Girdap üreteçleri konumlandırıldıktan sonra girdap üreteçlerinin sınır tabakadaki akışı 4 veya 5 cm kadar laminer tuttuğu ve daha sonra akısın geçiş yaptığı belirlendi. Girdap üreteçleri ile yapılan deneylerde bu etkinin akışı daha hızlı çalkantılı hale getirdiği de bulundu. Ayrıca girdap üreteçleri ile yapılan deneylerde sınır tabakadaki geçiş bölgesi uzunluğunun girdap üreteçleri ile azaldığı tespit edilmiştir. Son olarak girdap üreteçlerinin plaka üzerinde nereye yerleştirileceği de geçiş başlangıcını ve geçis uzunluğunu belirleyen çok önemli bir konudur.
Özet (Çeviri)
The structure and properties of the flow is an extremely important issue for engineers and system designers working on a flow system. Knowing the flow details in the boundary layer of many structures in aviation technology is important for solving many problems in aerodynamics. These problems are skin friction drag of an object, the development of a wing stall, the heat transfer that occurs in high velocity flight, and the performance of a high velocity airplane entry. An object's boundary layer begins as laminar, and when the critical angle of attack is exceeded in aircraft wings, the airflow becomes turbulent and the lift decreases rapidly. Free stream turbulence and pressure gradient are thought to be the most effective parameters in boundary layer transition from laminar state to turbulent state. There are many passive and active control methods to prevent or delay the transition in the boundary layer, one of them is vortex generators. Vortex Generators have a mechanism that prevents or delays boundary layer separations under the effect of reverse pressure gradient by increasing the energy of the boundary layer with the vortices they produce. The vortex generator increases the energy level of the layer by transporting energy from the outer flow to the boundary layer, thereby increasing the performance of many vehicles. Vortex generators are frequently used in the aerodynamic design of many land and aircraft because they can significantly prevent flow separation. Vortex generators are a common flow tool, especially in aviation technology, because they improve flow characteristics and most importantly save energy. In this thesis, the transition from laminar to turbulent flow in the boundary layer by means of vortex generators is experimentally investigated. The purpose of using vortex generators in this study is to explain in detail how they affect the flow in the boundary layer. Within the scope of the thesis, first of all, literature research was carried out about the vortex generators and the transition from laminar to turbulent flow in the boundary layer. In line with the researches, a spherical ball with a diameter of 1 mm was chosen as the vortex generator. The studies were carried out in the Trisonic Research Laboratory of the Faculty of Aeronautics and Astronautics of Istanbul Technical University. Experiments were carried out on a modular air flow bench (AF10) experimental setup using a 27 cm long brass flat plate. AF10 consists of a small scale wind tunnel with adjustable airflow control and an electric fan. A flattened Pitot tube measures the total pressure at various distances from the plate surface by positioning the Pitot tube using a micrometer. The results are obtained by connecting the Pitot tube to the Setra brand model 239 pressure transducer. This transducer response time is lower than 10ms. During data acquisition mean value of 10000 data is used for each measurement point. Additionally, A hot wire anemometer was used for velocity measurements, another experimental setup. Dantec StreamLine system was used for speed measurement. The 55P15 boundary layer type probe was used in the study. This probe is a constant temperature probe designed for use in boundary layers and is used via a probe support. The probe needs to be calibrated prior to experiments. Velocity profiles were measured at various locations on the surface. Experiments with and without a vortex generator were performed and the boundary layer flow under investigation was subjected to a positive pressure gradient and these experiments were compared. Experiments were carried out for 10 different ratios in the range of vortex generator height divided by boundary layer thickness, that is, the ratio h/δ, between 0.4 and 0.8. According to the results of the experiments for flow velocities 8,9,10,12 and 15 m/s without the vortex generator, it was determined that the flow in the boundary layer is laminar since the boundary layer thickness values found overlap with the Blasius solution in many locations. After positioning the vortex generators, it was determined that the flow of VGs kept the flow laminar for 4 or 5 cm and then the flow transitioned. It was determined that the positive pressure gradient effect increased the boundary layer thickness in the experiments. It was also found that this effect makes the flow turbulent faster in experiments with vortex generators.Finally, where the vortex generators will be placed on the plate is a very important issue which determines transition onset and transition length.
Benzer Tezler
- Taban malzeme ile emaye kaplama arasındaki difüzyon mekanizmasının araştırılması ve düşük metal migrasyonuna sahip emaye geliştirilmesi
Investigation of diffusion mechanisms at substrate enamel interface and development of new enamel surface with low metal migration
ÖZGE IŞIKSAÇAN
Doktora
Türkçe
2020
Besin Hijyeni ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ONURALP YÜCEL
- Numerical and experimental investigation of boundary layer transition with active and passive flow control methods
Sınır tabaka geçişinin aktif ve pasif akış kontrol yöntemleriyle sayısal ve deneysel incelenmesi
ABDUSSAMET SUBAŞI
Doktora
İngilizce
2017
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN GÜNEŞ
- Investigation of transition flow over S809 airfoil using infrared thermography and numerical methods
S809 kanat kesiti üzerindeki geçiş akışının kızılötesi termografi ve sayısal yöntemlerle incelenmesi
NECLA ECENAZ AYKUT
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Havacılık ve Uzay MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT KÖKSAL
- An Experimental investigation on the boundary layer development upon a swept flat plate with a zero streamwise pressure gradient and growth of the turbulent boundry layer behind three-dimensional roughness elements
Oblik hücüm kenarlı düz bir plaka üstündeki sınır tabakası gelişiminin sıfır basınç gradyeni altında incelenmesi ve üç-boyutlu pürüzlülük elemanları ardında büyüyen türbülanslı sınır tabakası konusunda deneysel bir çalış
MELDA ÇARPINLIOĞLU (ÖZDİNÇ)
- Çeşitli deniz boyalarında yüzey pürüzlülüğünün gemi direncine etkilerinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of the effect of surface roughness on ship resistance due to marine paints
UTKU CEM KARABULUT
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BARIŞ BARLAS
DR. ÖĞR. ÜYESİ YAVUZ HAKAN ÖZDEMİR