Geri Dön

Design and validaton of a multi-modes camber morphing flap for large scale, high-speed wind tunnel tests

Büyük ölçekli, yüksek hızlı rüzgar tüneli testleri için çok modlu kamber morfıng flap'ın tasarımı ve validasyonu

  1. Tez No: 921159
  2. Yazar: MÜRÜVVET SİNEM SİCİM DEMİRCİ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. METİN ORHAN KAYA, DOÇ. DR. ROSARIO PECORA
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  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: 222

Özet

Havacılık endüstrisi, uçakların performansını çeşitli uçuş koşullarına göre optimize etmek için geometrik tasarımda sürekli yenilik arayışındadır. Bu bağlamda, uçakların operasyonel yeteneklerini artırmak amacıyla genellikle aileronlar, slatlar ve flaplar gibi hareketli bileşenlerin kullanılması yaygındır. Ancak bu geleneksel yöntemlerin bazı dezavantajları bulunmaktadır. Örneğin, aktüatörlerin eklediği ağırlık ve aerodinamik yüzeylerdeki bozulmalar, uçakların performansını olumsuz etkileyebilir. Bu sorunları aşmak için araştırmacılar alternatif tasarım yöntemlerini araştırmaya yönelmiştir. Morfing teknolojisi, bu bağlamda dikkat çekici bir ilerleme olarak öne çıkmaktadır. Morfing tasarımları, uçağın şeklinde pürüzsüz ve etkili değişiklikler sağlamak amacıyla geliştirilmiş aktüasyon tekniklerine odaklanmaktadır. Bu yenilikçi yaklaşım, geleneksel slat ve flaplarla ilişkili boşluk örtüşmesi ve sapma sorunlarını ortadan kaldırarak, kıvrım değişikliklerini daha verimli bir şekilde gerçekleştirme imkanı sunmaktadır. Son dönemde yapılan çalışmalar, bu morfing teknolojilerinin uçak tasarımına entegrasyonunu sağlamak üzere en etkili çözümleri belirlemek amacıyla kapsamlı bir inceleme sürecinden geçmiştir. Uçak kanatlarında yüksek kaldırma sistemlerinin kullanımı, özellikle kalkış ve iniş gibi kritik aşamalarda önemli bir rol oynamaktadır. Geleneksel sistemlerde, kanat geometrisini değiştirmek için mekanik bağlantılar ve menteşelerle kontrol edilen ön kenar slatları ve arka kenar flapları gibi sert bileşenlerin kullanımı yaygındır. Ancak, bu yöntemler sistemin karmaşıklığını artırmanın yanı sıra, genel yapısal ağırlığı da yükseltmektedir. Ayrıca, flap yuvalarının ve bunlara eşlik eden kaplamaların hava çerçevesi gürültüsü ile aerodinamik sürükleme için önemli bir kaynak olduğu belirlenmiştir. Bu nedenle, morfing teknolojileri, hem ağırlık tasarrufu sağlama hem de hava akışını daha verimli yönetme potansiyeli ile dikkat çekmektedir. Sonuç olarak, uçak tasarımında morfing teknolojisinin benimsenmesi, gelecekte havacılık alanında önemli bir dönüşüm yaratma potansiyeline sahiptir. Bu yenilikçi yaklaşımlar, hem performansı artırma hem de yapısal karmaşıklığı azaltma hedeflerine ulaşılmasına yardımcı olabilir. Havacılık sektörü, morfing sistemlerinin tasarımı ve uygulanması açısından zorlu bir evrim sürecinden geçmektedir. Bu bağlamda, CleanSky programı, Avrupa'nın en kapsamlı havacılık araştırma girişimi olarak dikkat çekmektedir. Program, gelecekteki uçak nesillerinin çevresel etkilerini minimize etmeye yönelik yenilikçi teknolojilere odaklanmaktadır. CleanSky'ın temel hedefi, havacılığın ekolojik ayak izini azaltırken aynı zamanda güvenilirliği artıran sürdürülebilir mobilite çözümleri geliştirmektir. Bu doğrultuda, gürültü kirliliğini azaltma ve gaz emisyonlarını minimize etme hedefi, aerodinamik performansın optimize edilmesi ile desteklenmektedir. Yürütülen araştırmalar, havacılığın çevresel etkilerini azaltmaya yönelik somut adımlar atmayı mümkün kılmaktadır. Sürekli gelişen bu sistemler, havacılık mühendisliğinde devrim niteliğinde yenilikleri beraberinde getirirken, sektörün sürdürülebilirlik hedeflerine ulaşmasına katkı sağlamaktadır. CleanSky programının sunduğu fırsatlar, yalnızca çevresel faydalar değil, aynı zamanda endüstrinin gelecekteki yönelimleri açısından da kritik öneme sahiptir. Sonuç olarak, CleanSky programı, havacılık sektörünün geleceğine yönelik önemli bir yol haritası sunmakta ve yeni nesil uçak tasarımlarının çevre dostu bir şekilde gelişmesine olanak tanımaktadır. Teknolojinin sunduğu olanaklarla, daha sürdürülebilir bir havacılık endüstrisi hedeflenmektedir. Clean Sky girişimi kapsamında, büyük sivil uçaklar için özel olarak tasarlanmış ve sıkı endüstriyel standartları karşılamak üzere geliştirilmiş çok modlu bir morfing flap cihazı geliştirilmiştir. Bu flap, tek bir konfigürasyonda çalışmakta olup, kalkış ve iniş aşamalarında gerekli ek kaldırmayı sağlamak için kesitini farklı şekilde adapte etmektedir. Ayrıca, seyir koşullarında flapın ucu, yük dağılımını yönetmek ve indüklenmiş sürtünmeyi minimize etmek için yönlendirilmiştir. Bu flapın ilk prototipinin üretilmesinden önce, bu yenilikçi sistemin uçak seviyesindeki performans iyileştirmelerini doğrulamak amacıyla kapsamlı bir yüksek hızlı test kampanyası (M=0.3 hızında) büyük ölçekli olarak (1:3 geometrik ölçek faktörü ile) gerçekleştirilmesine karar verilmiştir. Bu nedenle, ölçeklenmiş boyut gereksinimlerine uymak, rüzgar tüneli testleri sırasında beklenen ilgili yükleri dayanıklı bir şekilde karşılamak ve gerçek ölçekli flapın şekil geçişi yeteneklerini taklit etmek için flap modeli için yeni bir mimari tasarlandı. Rüzgar tüneli testleri sırasında modelin etkili bir şekilde morf edilmesini sağlamak ve her morf edilmiş konfigürasyonun sağlamlığını koruyarak istenen aerodinamik şekillerden istenmeyen sapmaları önlemek için yeterli sertlik seviyelerini sürdürmek amacıyla basitleştirilmiş stratejiler geliştirildi. Ayrıca, flap ayarlarının hızlı bir şekilde ayarlanmasını ve tam ölçekli flap ile kanat arasındaki yük iletim yollarını sağlamak için flap-kanat arayüzü için basitleştirilmiş bir tasarım oluşturuldu. Bu zorlu rüzgar tüneli modelinin tanımı için izlenen tasarım süreci, kavramsal düzenin tanımı, test sırasında beklenen en şiddetli yüklerin sayısal değerlendirmesi ve gelişmiş sonlu eleman analizleri ile yapısal düzenin doğrulanması gibi konuları kapsayarak bu çalışmada ele alınmıştır. Bu araştırma, ön tasarım çabalarını destekleyen sayısal analizler ve deneysel prosedürler dahil olmak üzere tüm faaliyetleri kapsamaktadır; ayrıca morfing flapın ölçekli modelinin deneysel doğrulaması da yer almaktadır. Mevcut tez beş ana bölümde düzenlenmiştir: giriş bölümü, CFD analizi, rüzgar tüneli test makinesinin mekanik tasarımı, statik testler ve rüzgar tüneli testleri. Giriş bölümünde, akıllı yapılar ve esnek uçak çerçevelerindeki gelişmelere genel bir bakış sunulmaktadır. Ayrıca, bu araştırmaya entegre olan CleanSky projesi ile birlikte morfing flap yapıları için bir ön tasarım da özetlenmektedir. Tezin hedefleri de belirtilmiştir. Ek olarak, kısa bir literatür taraması da içermektedir. Bu Giriş bölümünün amacı, okuyucuları akıllı yapılarla tanıştırarak, sonraki bölümlerde tartışılan tüm analizlerin daha iyi anlaşılmasını sağlamaktır. İkinci bölümde, morfing flaplarla ilgili hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) analizi ile ilgili bir genel bakış sunulmakta ve CFD'nin modelleme ve teorik temelleri açıklanmaktadır. Deneysel araştırmalar için rüzgar tüneli testleri gerçekleştirmek, laboratuvar ortamlarındaki fiziksel kısıtlamalar nedeniyle zorluklar içermektedir. Bu nedenle, bu deneylerin yeterince büyük rüzgar tüneli kurulumlarında gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Ayrıca, CFD analizleri, her biri iki saldırı açısı ile üç flap sekmesi ayarından oluşan altı durumdan oluşan üç farklı grup üzerinde gerçekleştirilmiş ve toplamda on sekiz senaryo incelenmiştir. Bu bölüm, model hazırlama protokolleri, modellerde kullanılan temel teoriler, test süreçlerinde incelenen yük koşulları ve bu analizlerden elde edilen bulgular gibi unsurları detaylandıracaktır. Üçüncü bölümde, karmaşık bir 1:3 ölçekli rüzgar tüneli modelinin mekanik olarak inşa edilmesi için kullanılan metodoloji ayrıntılı bir şekilde ele alınmakta ve çeşitli tasarım stratejileri vurgulanmaktadır. Ayrıca, flap tasarımının rüzgar tüneli ile ilişkili aşırı test yükleri altında yapısal bütünlüğüyle ilgili güvenlik standartlarını karşıladığını göstermek için sonlu eleman (FE) modeli kullanılarak stres analizi yapılmıştır. Dördüncü bölümde, üçüncü bölümde belirtilen yapısal analiz tekniğini doğrulamak amacıyla gerçekleştirilen statik testler üzerinde durulmaktadır. Gerekli ekipman ve test koşulları hakkında kapsamlı bir açıklama yapılmaktadır. Ayrıca, yapısal testlerin sonuçları ile yapısal analizden elde edilen sonuçlar arasındaki karşılaştırma, bu analitik yaklaşımın doğrulanmasına hizmet etmektedir. Son bölüm, rüzgar tüneli test tesisinin genel bir görünümünü sunmakta olup, model, deneysel kurulum, kullanılan enstrümantasyon, veri analiz yöntemleri ve beklenen sonuçlar hakkında bilgiler içermektedir. Bu bölüm, rüzgar tünelinde test edilen çeşitli konfigürasyonlardan elde edilen verilerin karşılaştırmalı analizini sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

The ongoing design and implementation of morphing systems continue to be significant challenges within the aviation sector. The CleanSky program stands as Europe's most extensive aeronautical research initiative focused on pioneering technologies aimed at reducing the environmental impact of future aircraft generations. Its main objective is to formulate innovative concepts that mitigate aviation's ecological footprint while enhancing reliability and promoting sustainable mobility. This goal is pursued through investigations into enabling technologies designed to diminish noise pollution and gas emissions, primarily by optimizing aerodynamic performance. Within the Clean Sky initiative, a multimodal morphing flap device was developed to meet stringent industrial standards and specifically designed for applications in large civil aircraft. This flap operates in a singular configuration, with its cross-section adapting differently during take-off and landing phases to provide the required additional lift for each specific flight stage. Additionally, during cruise conditions, the tip of the flap is deflected to manage load distribution and minimize induced drag. Prior to producing the initial prototype of this flap, it was essential to conduct a comprehensive high-speed test campaign (at M=0.3) on a large scale (with a geometric scale factor of 1:3) to verify the performance enhancements offered by this innovative system at an aircraft level. This research encompasses all activities both numerical analyses and experimental procedures that support preliminary design efforts, detailed executive design processes, as well as experimental validation of the scaled model of the morphing flap. The present dissertation is organised in fifth main sections, i.e. introduction part, cfd analysis, mechanical design of the wind tunnel test article, static tests and wind tunnel tests. In the introductory section, an overview of smart structures and the advancements in flexible aircraft frameworks is presented. Furthermore, it outlines a preliminary design for morphing flap structures along with details regarding the CleanSky project that are integral to this research. The objectives of the dissertation are also specified. Additionally, a concise literature review is included. The purpose of this Introduction segment is to familiarize readers with smart structures, thereby facilitating a clearer understanding of all subsequent analyses discussed in later sections. In the second chapter, an overview of computational fluid dynamics (CFD) analysis pertaining to morphing flaps is provided, along with the modeling and theoretical foundations of CFD. Conducting wind tunnel tests for experimental research poses challenges due to the physical constraints inherent in laboratory environments and testing facilities. Consequently, it is essential that these experiments are performed at sufficiently large wind tunnel setups. Additionally, CFD analyses were carried out across three distinct groups comprising six cases each (two angles of attack multiplied by three flap tab settings), resulting in a total examination of eighteen scenarios. This chapter will detail aspects such as model preparation protocols, underlying theories employed within the models, load conditions examined during testing processes, and resultant findings from these analyses. In the third chapter, the methodology utilized for mechanically constructing a sophisticated 1:3 scaled wind tunnel model is discussed in detail, highlighting various design strategies. Additionally, stress analysis was conducted using a finite element (FE) model to demonstrate that the flap design meets safety standards regarding its structural integrity under extreme test loads associated with the wind tunnel. In chapter four, the focus is on static tests that were performed to confirm the structural analysis technique outlined in chapter three. A comprehensive explanation of the required equipment and test conditions is provided. Additionally, a comparison between the outcomes of the structural tests and those derived from structural analysis serves to validate this analytical approach. Last chapter provides an overview of the wind tunnel test facility, including details about the model, experimental setup, instrumentation employed, data analysis methods, and expected outcomes. This section presents a comparative analysis of the data obtained from various configurations tested in the wind tunnel.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    949081

    Pompa jetli su altı araçları için optimizasyon temelli tasarım metodolojisi geliştirilmesi

    Development of an optimization-based design methodology for underwater vehicles with pump jets

    EFECAN OĞUZ DEMİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. UĞUR ORAL ÜNAL

  2. Tez No

    455385

    Comparative study of combustion modes in internal combustion engines using CFD simulations

    İçten yanmalı motorlarda farklı yanma modlarının SAD yaklaşımı kullanarak karşılaştırılması

    MOBIN MAJIDI DOLAT ABADI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CEM SORUŞBAY

  3. Tez No

    310526

    NVH evaluation of a high pressure fuel pump mbd modelwith the consideration of internal hydraulic effects and valve train system excitation parameters

    Yüksek basınç yakıt pompasının çalışmasından kaynaklı hidrolik etkileri ve subap tahrik sistemi parametreleri dikkate alınarak dinamik modelinin titreşim analizi

    YAHYA SAHİP

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ATA MUĞAN

  4. Tez No

    485263

    Mathematical modeling of NOx and soot emissions for diesel engines

    Dizel motorlarda NOx ve is emisyonlarının matematiksel modellenmesi

    RÜŞTÜ TAYLAN YARAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CEM SORUŞBAY

  5. Tez No

    794036

    Development of novel hybrid rocket internal ballistic configuration for in-space applications

    Uzay uygulamaları için özgün hibrit roket iç balistik konfigürasyonu geliştirilmesi

    MEHMET KAHRAMAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM OZKOL

    DOÇ. DR. MUSTAFA ARİF KARABEYOĞLU

Geri Dön