Computational analysis of 2-d foils with and without ground effect in tandem
Tandem durumdaki iki boyutlu foillerin yer etkili ve yer etkisiz durumda sayısal olarak incelenmesi
- Tez No: 916114
- Danışmanlar: PROF. DR. ŞAKİR BAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 111
Özet
Tandem foil etrafındaki akış davranışı, hem yer etkisi altında hem de yer etkisi olmadan karmaşık ve önemli bir araştırma alanı olmaya devam etmektedir. Bu alan, yer etkisi araçları, yelkenli tekneler ve foile sahip teknelerin tasarımı ve geliştirilmesinde kritik bir rol oynamaktadır. Yer etkisi, aerodinamik ve hidrodinamik performans üzerinde çok önemli bir etkiye sahiptir ve bu nedenle, tandem yapılandırmalarla ilgili çalışmalar tasarım süreçleri için vazgeçilmezdir. Bununla birlikte, mevcut çoğu sayısal ve deneysel araştırma, genellikle 10⁶'nın üzerindeki yüksek Reynolds sayılarında gerçekleştirilmiştir. Bu durum, orta Reynolds sayılarındaki (örneğin, Re = 3x10⁵) davranışın daha az anlaşılmış olmasına neden olmuştur. Bu kapsamda, bu çalışma iki adet tandem NACA 4412 foil etrafındaki iki boyutlu akışın davranışını orta Reynolds sayısında (Re = 3x10⁵) ve hem yer etkisi hem de serbest akış koşullarında incelemeyi amaçlamıştır. Bu incelemede, her iki foil için hücum açısı 4° olarak sabit tutulmuş, sıralama mesafesi (S), boşluk yüksekliği (G) ve yer açıklığı (H) etkileri sistematik bir şekilde analiz edilerek tandem sistemin aerodinamik ve hidrodinamik özellikleri detaylı bir şekilde değerlendirilmiştir. Analiz, öncelikle izole haldeki bir adet NACA4412 ve NACA0012 foilin aero/hidrodinamik performansının doğrulanmasıyla başlamaktadır. Bu doğrulama, yer etkisi olmadan gerçekleştirilmekte ve literatürdeki deneysel ve nümerik çalışmalarla karşılaştırılarak hesaplama çerçevesinin geçerliliği sağlanmaktadır. Ardından, yer etkisi şartlarında ölçüm ve analizler gerçekleştirilerek, çalışmanın temel bulguları için sağlıklı bir temel oluşturulmuştur. Bu adımlar, tandem yapılandırmaları incelemeden önce metodolojinin güvenilirliğini garanti altına almaktadır. Sayısal analizlerde, sıkıştırılamaz RANS denklemleri sonlu hacimler yöntemiyle çözülmekte ve daha iyi bir türbülans modellemesi için γ-transport denklemi ile birlikte SST k-ω türbülans modeli uygulanmaktadır. Bu yaklaşım, akış yapıları, basınç dağılımları ve geometrik konfigürasyonların değişimleri altında tandem sistemlerin etkileşimlerini ayrıntılı bir şekilde incelemeye olanak tanımaktadır. Akış davranışını daha detaylı anlayabilmek için ayrıca basınç ve hız gibi parametreler de analiz edilmiştir. Sonuçlar, yüksek Reynolds sayılarındaki çalışmalardan elde edilen bulgularla çelişmeden, tandem foillerin, özellikle boşluk yüksekliği pozitif olduğunda (yani ön foilin arka foilin üzerinde konumlandığı durumda), izole haldeki foillere kıyasla önemli bir hidrodinamik verimlilik artışı sergilediğini göstermektedir. Yer etkisinin varlığı, hem izole hem de tandem foillerin aero/hidrodinamik performansını olumlu yönde etkileyerek direnci azaltmaktadır. Bu durum, yer etkisi koşullarında çalışan foillerin, serbest akış koşullarındaki foillere kıyasla daha üstün performans metrikleri sunduğunu ortaya koymaktadır. Tandem yapılandırma içerisinde, arka foilin varlığı ön foil üzerindeki direnci azaltmakta ve bu durum, aralarındaki statik basıncın artmasıyla açıklanabilmektedir. Ancak, bu olumlu etkiye karşın, ön foilin akış yapısında yarattığı bozulma nedeniyle arka foilin direnci artmaktadır. Bu etkileşimler, test edilen tüm konfigürasyonlarda farklı seviyelerde gözlemlenmiş olup, sıralama mesafesi ve boşluk yüksekliğine bağlı olarak değişiklik göstermiştir. Özellikle sıralama mesafesi arttıkça, foiller arasındaki etkileşimlerin azaldığı ve her bir foilin daha izole bir şekilde çalışabildiği gözlemlenmiştir. Bu nedenle, tandem foiller arasındaki etkileşim etkilerinin, konfigürasyona bağlı olarak hem olumlu hem de olumsuz yönde önemli sonuçlar doğurabileceği vurgulanmaktadır. Bu bulgular, tasarım sürecinde farklı konfigürasyonların dikkatli bir şekilde değerlendirilmesi gerektiğini işaret etmektedir. Yer açıklığının tandem kanatlar üzerindeki etkisi, yer etkisindeki izole kanatlar üzerindeki etkiyle benzer bir eğilim sergilemektedir. Yer açıklığı azaldıkça hem kaldırma hem de direnç katsayılarında artış gözlemlenmiştir. Bu durum, yer açıklığının optimizasyonunun, yer etkisi koşullarında maksimum verimlilik için kritik bir parametre olduğunu göstermektedir. Bu özellikle önemlidir, çünkü düşük yer açıklığına sahip konfigürasyonlar, daha yüksek kaldırma katsayısı sağlarken, aynı zamanda belirli hızlarda akış ayrılmalarını da tetikleyebilmektedir. Pozitif boşluk yüksekliklerinde optimize edilen tandem yapılandırmalar, önemli oranda artırılmış kaldırma/direnç oranlarına ulaşabilmektedir. Bu bağlamda, yer açıklığının etkisi hem izole kanatlarda hem de tandem yapılandırmalarda sistematik bir şekilde değerlendirilmiş ve bu parametrenin etkilerinin tasarım süreçlerinde göz önünde bulundurulması gerektiği sonucuna varılmıştır. Bu bulgular, yer etkisi araçları ve diğer deniz ve havacılık uygulamalarında performans iyileştirme potansiyeli sunmaktadır. Yer etkisinin hidrodinamik ve aerodinamik performansa etkileri, aynı zamanda akış yapılarının karakterizasyonuyla da ilişkilendirilmiştir. Özellikle, akış alanındaki düşük basınç bölgelerinin ve vorteks oluşumlarının, kanatlar arasındaki etkileşimleri nasıl etkilediği detaylı bir şekilde incelenmiştir. Örneğin, arka foil üzerinde gözlemlenen yüksek türbülans seviyelerinin, ön foil tarafından oluşturulan iz akışıyla doğrudan ilişkili olduğu tespit edilmiştir. Bu durum, arka foilin performansının, ön foilin oluşturduğu akış yapısına büyük ölçüde bağımlı olduğunu ortaya koymaktadır. Bu bağımlılık, tasarım süreçlerinde tandem yapılandırmaların her bir komponentinin ayrı ayrı değil, bir bütün olarak ele alınması gerektiğini göstermektedir. Tandem konfigürasyonların performansını etkileyen bir diğer önemli parametre ise sıralama mesafesidir. Daha kısa sıralama mesafelerinde, foiller arasındaki etkileşimler artmakta ve bu durum, özellikle düşük Reynolds sayılarında arka foilin performansını olumsuz yönde etkileyebilmektedir. Ancak, bu etkileşimlerin doğru bir şekilde optimize edilmesi durumunda, tandem yapılandırmaların izole kanatlara kıyasla daha yüksek kaldırma/direnç oranlarına ulaşabileceği gösterilmiştir. Bu da, yer etkisi araçlarının tasarımında tandem yapılandırmaların potansiyel olarak büyük avantajlar sağlayabileceğini işaret etmektedir. Sonuç olarak, bu araştırma, orta Reynolds sayılarında hem yer etkisi hem de serbest akış koşullarında tandem foillerin hidrodinamiğine ilişkin yenilikçi bilgiler sağlamaktadır. Tandem foillerin konfigürasyonları ve bu konfigürasyonların performans üzerindeki etkileri sistematik bir şekilde incelenmiş, özellikle yer etkisi koşullarında elde edilen bulguların, gelecek nesil yer etkisi araçları, hidrofoil sistemleri ve diğer yüksek performanslı uygulamalar için tasarım kriterlerine önemli katkılar sağlayabileceği ortaya konmuştur. Elde edilen sonuçlar, sadece teorik bir çerçeve sunmakla kalmamış, aynı zamanda pratik uygulamalar için değerli bir rehber olmuştur. Araştırma, gelecekteki çalışmalar için de bir temel oluşturarak, farklı Reynolds sayılarında ve farklı geometrik konfigürasyonlarda tandem sistemlerin daha geniş bir perspektifte incelenmesi gerektiğini önermektedir.
Özet (Çeviri)
The flow behavior around tandem foils, both with and without ground effect, remains a complex and significant area of study, particularly as it plays a critical role in the design and development of wing-in-ground effect vehicles, sailing yachts, and hydrofoil vessels. Most existing numerical and experimental research on tandem configurations has been conducted at high Reynolds numbers exceeding 10⁶. In this comprehensive parametric study, the 2-D flow around two tandem NACA 4412 foils is simulated under both ground effect and free-flow conditions at a moderate Reynolds number of (Re = 3 × 10⁵). The angle of attack is fixed at 4° for both foils, and the effects of stagger distance (S), gap height (G), and ground clearance (H) are systematically investigated to assess their influence on the aero/hydrodynamic characteristics of the tandem system. The analysis begins by validating the aero/hydrodynamic performance of a single NACA 4412 foil without ground effect, followed by validation with ground effect. This step ensures the robustness of the computational framework before extending the analysis to tandem configurations. The incompressible RANS equations are solved using the finite-volume method, employing the SST k-ω turbulence model, which includes the γ-transport equation for enhanced turbulence modeling. This methodology enables a detailed examination of flow structures, pressure distributions, and the overall interaction between the foils in tandem arrangements under varying geometrical configurations. The results demonstrate that, consistent with findings from higher Reynolds number studies, tandem foils exhibit improved hydrodynamic efficiency compared to isolated foils, particularly when the gap height is positive, i.e., when the fore foil is positioned above the aft foil. Ground effect improves the aero/hydrodynamic performance of both isolated and tandem foils by enhancing lift and reducing drag. This phenomenon results in superior performance metrics compared to configurations operating outside of ground effect. In the tandem arrangement, the presence of the aft foil reduces drag on the fore foil due to increased static pressure between the foils, effectively exerting an upstream force on the fore foil. Conversely, the aft foil experiences an increase in drag due to the influence of the fore foil, a phenomenon observed across most tested configurations, with variations depending on stagger and gap distances. The interference effects between the tandem foils produce a range of outcomes; depending on the spacing, these effects can be either favorable or unfavorable in terms of drag reduction and overall aerodynamic performance. The effect of ground clearance on tandem foil configurations exhibits a similar trend to its influence on isolated foils in ground effect, characterized by an increase in both lift and drag coefficients as ground clearance decreases. These findings suggest that optimized tandem configurations can achieve significantly enhanced lift-to-drag ratios, particularly under positive gap heights, offering potential for performance improvements in wing-in-ground effect vehicles and other marine and aerospace applications. This research provides novel insights into the hydrodynamics of tandem foils operating at moderate Reynolds numbers in both ground-effect and out-of-ground-effect conditions. The outcomes of this investigation contribute to the ongoing development of next-generation wing-in-ground effect craft, hydrofoil systems, and other high-performance applications where tandem foil configurations can be utilized.
Benzer Tezler
- Betonarme çerçeve yapılarda dolgu duvarların deprem davranışına etkisi
Başlık çevirisi yok
T.AYDAN ERKAYA
- Mobil cihazlar ile derin öğrenme mimarisi kullanarak gerçek zamanlı video nesne izleme
Deep learning architectures for real-time video object tracking by mobile devices
ULAŞ TOSUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİLGE GÜNSEL KALYONCU
- Boşluklu perdeler içeren çok katlı betonarme yapı sistemlerinin lineer olmayan davranışlarının incelenmesi ve süneklik düzeylerinin belirlenmesi
Non-linear behaviour and ductility level of multistory reinforced concrete structures composed of frames and shear walls with openings
M. ANDAÇ KARACAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERKAN ÖZER
- Prediction of COVID 19 disease using chest X-ray images based on deep learning
Derin öğrenmeye dayalı göğüs röntgen görüntüleri kullanarak COVID 19 hastalığının tahmini
ISMAEL ABDULLAH MOHAMMED AL-RAWE
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolGazi ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADEM TEKEREK
- Üç fazlı sincap kafesli asenkron motorun ansys ve flux2d hazır paket programları ile performansının incelenmesi
Başlık çevirisi yok
HARUN AÇIKGÖZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Bilim Dalı
PROF. DR. NURDAN GÜZELBEYOĞLU