Geri Dön

Experimental investigation of gust response in flapping wing aerodynamics

Sağanak etkisinin çırpan kanat aerodinamiği üzerindeki etkisinin deneysel incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 938933
  2. Yazar: BERK ZALOĞLU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. NURİYE LEMAN OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  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: 147

Özet

Bu doktora tezi, Mikro Hava Araçlar (MHA) uygulamalarında kullanılmak için güçlü periyodik akıma dik yönde sağanakların oluşturulması ve karakterizasyonunun yapılması suretiyle bu sağanakların sabit, yukarı yönlü ani yunuslama yapan veya ötelenme yapan kanatlar üzerindeki etkilerini incelemektedir. Çalışma, çırpan kanat aerodinamiği üzerindeki sağanak etkilerine dair anlayışımızı geliştirmeyi amaçlamaktadır. Bu amaçla, araştırmanın ilk bölümü, serbest akışa kıyasla güçlü, periyodik ve akış yönüne dik sağanak oluşturulması ve karakterizasyonuna odaklanmaktadır. Bu sağanakların sanki-sinüzoidal yapıda olması ve akım yönündeki salınımının bileşeninin minimal olması hedeflenmiştir. Sağanak üreteci olarak yunuslama ve ötelenme hareketi yapan bir düz plaka kullanılmıştır. Sağanak karakterizasyonuna yönelik detaylı spektral analizler ve girdap yapılarının, hız profillerinin ve kantitatif sağanak karakterizasyon parametrelerinin incelenmesiyle, sağanağın değerlendirilmesi ve sağlaması yapılmıştır. Bu, sağanak karakterizasyonu için yenilikçi bir yaklaşımdır. Çalışmanın ikinci kısmı, sağanak-kanat karşılaşma deneylerinin kurulumu ve bu sağanakların kanat çırpma aerodinamiği üzerindeki etkilerinin analizine odaklanmaktadır. İlk olarak, sabit kanat ile sağanak karşılaşmaları incelenmiş ve ardından ani yunuslama yapan ve ötelenme yapan kanatlarla ilgili deneyler gerçekleştirilmiştir. Tüm durumlar için Parçacık Görüntüleyerek Hız Ölçümü (DPIV) sistemi ve kuvvet ölçümleri eşzamanlı olarak alınmıştır. DPIV ölçümleriyle elde edilen akış yapıları, sağanak-kanat karşılaşma aerodinamiğini daha iyi anlamak için analiz edilmiştir. Toplanan verilerden taşıma ve sürükleme kuvvetleri hesaplanmıştır. Ayrıca, bazı durumlarda analitik ve hesaplamalı yöntemlerden elde edilen çözümler deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Çalışmanın başlangıcında, daimî-olmayan aerodinamiğin teorisi tarihsel gelişimi ile 1915'ten günümüze kadar olan deneysel sağanak oluşturma yöntemleri incelenmiştir. Ayrıca, ani yunuslama yapan ve öteleme yapan kanatların aerodinamik mekanizmaları üzerine literatür taraması yapılmıştır. Deneyler, İstanbul Teknik Üniversitesi Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesi'nde bulunan Trisonik Laboratuvarları'ndaki kapalı devre, büyük ölçekli, serbest yüzeyli su kanalında gerçekleştirilmiştir. Sağanak jeneratörü olarak Pleksiglas'tan yapılmış düz bir plaka kullanılmıştır. Bir bağlantı çubuğu, düz plakayı yunuslama hareketini gerçekleştiren servo motora bağlarken bir servo kontrol cihazı ile hareket sağlanmaktadır. Bu servo motor, ötelenme hareketini sağlamak için bir doğrusal tabla üzerine yerleştirilmiştir. Hareket sistemi, hareket sinyali üreten ve ölçüm sistemleri ile senkronizasyon sağlayan bir Labview VI kodu tarafından kontrol edilmektedir. Sağanak tepkisi deneyleri için, bir NACA0012 profilli bir test kanadı, sağanak üretecinin akış altına çeyrek veterinden eş bir hareket sistemi üzerine monte edilmiştir. Sağanak üreteci ile test kanadı montaj eksenleri arasında iki veter mesafe bulunmaktadır. Kanalın üstünden, serbest yüzey etkilerini azaltmak ve kanatların açıklık oranlarını artırmak için dikdörtgen bir plaka asılmıştır. Parçacık Görüntüleyerek Hız Ölçümü (DPIV) sistemi, sağanak üretecinin iz bölgesindeki vektör alanlarını elde etmek için kullanılmıştır. Akış, çift boşluklu Nd:Yag lazer ile aydınlatılmış ve su, 10μm çapında gümüş kaplı cam küreciklerle tohumlanmıştır. İki kamera su kanalının altına yerleştirilmiştir. İki kameradan elde edilen iki çift kareli görüntü, özelleştirilmiş bir kod kullanılarak birleştirilmiştir. Ortaya çıkan DPIV görüntüleri, çift çerçeve, çapraz korelasyon tekniği kullanılarak 64×64 piksel pencere boyutu ve her yönde %50 örtüşme ile sorgulanmıştır. NACA0012 test kanadına etki eden kuvvet ve momentler, altı bileşenli bir Kuvvet-Moment sensörü kullanılarak ölçülmüştür. Sensör, test modeline dikey yönde kirişlenerek monte edilmiş olup, silindirik z ekseni ile yunuslama-ötelenme düzlemine dik olacak şekilde konumlandırılmıştır. Veri toplama, ayrı bir Labview VI tarafından gerçekleştirilmiştir. Tüm ölçümler 10kHz örnekleme hızı ile alınmış, ardından sinyali düzgünleştirmek için veri 100Hz'e blok ortalama yöntemiyle düşürülmüştür. Yunuslama ve ötelenme eksenlerinde periyodik fonksiyonlarla hareket eden sağanak üretecinin, akıma dik yönde sanki-sinüzoidal sağanakları simüle etmek için belirgin girdaplar üretmesi gerekir. Hareket parametreleri, güçlü sağanaklar oluşturulması için belirlenmiştir. Sağanağın istenen şiddet ve özelliklere sahip olmasını sağlamak amacıyla, akış alanının derinlemesine spektral analiziyle yapılan sağanak karakterizasyon metodolojisi bu çalışmanın kilit noktasıdır. Bu yaklaşım, sağanak üretecinin ardındaki akışı analiz ederken, bir nokta veya çizgiyi incelemek yerine, ileride test kanadının bulunacağı tüm bölgeyi inceler. Spektral analiz, sağanağın baskın frekansını elde etmek için hız alanının FFT analizi, ardından oto-spektral ve çapraz-spektral analizden oluşur. Bu süreç sonrası seçilen üç sağanak tipi, girdaplılık grafikleri ve hız profilleri ile doğrulanmıştır. A, B ve C şeklinde adlandırılan bu sağanaklar için nicel sağanak karakterizasyon parametreleri hesaplanmıştır. A ve C sağanaklarının, B'ye göre yaklaşık iki katı genliğe; A sağanağının ise B ve C'ye göre iki kat yüksek frekansa sahip olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca A ve B sağanaklarının akış yönündeki ortalama hızı bir miktar artırdığı gözlemlenmiştir. Sağanak-kanat karşılaşması araştırmasına NACA0012 test kanadının Reynolds sayısı 10000 olan daimî akıştaki analizi yapılarak başlanmıştır. Bunun sonucunda, yüksek hücum açılarında bile taşıma kuvvetinin devam ettiği gözlemlenmiştir, bu fenomenin sağlaması literatürdeki benzer araştırmaların incelenmesiyle yapılmıştır. Sağanak ile karşılaşan sabit kanat deneyleri sıfır ile 45 derce arasındaki hücum açılarında gerçekleştirilmiştir. Deney sonuçları seçilen sağanakların yarı-sinüzoidal doğasını doğrular niteliktedir. A ve B sağanağı, akışa dik yöndeki hız salınımlarının pozitif zirveleri sırasında hücum kenarı girdabının etkilenmesiyle yüksek hücum açılarında taşımayı arttırırken bununa karşılık, daha küçük parçalı girdaplara sahip olan C sağanağı bu etkiyi gösterememiştir. Sears formülü ve DPIV verilerinden hesaplanan sağanak açısı kullanılarak yapılan analitik taşıma kuvveti tahminleri, deneysel verilerle karşılaştırıldığında 30 derece hücum açısına kadar taşıma genliğinde iyi bir korelasyon gösterirken, daimî-olmayan etkilerin neden olduğu kuvvet gecikmesini olduğundan fazla şekilde hesaplamıştır. Yukarı yönlü ani yunuslama yapan kanadın sağanak karşılaşması, iki farklı açısal hızda (7,5 derece/s ve 45 derece/s) rampa hareketi ile incelenmiştir. Hızlı manevradaki kuvvet değişimleri yavaş manevraya kıyasla daha düzensiz değişimlere sebep olmuştur. Karşılaşma zamanlaması, kanat üzerindeki kuvvetleri önemli ölçüde etkilerken, özellikle A ve B sağanaklarının hızlı manevralar sırasında sağanak zamanlamasına bağlı olarak taşıma kuvvetinde daha belirgin değişiklikler yaratması, sabit kanat deneylerinden bu sağanakların taşıma salınımındaki etkilerini gösteren RMS grafikleriyle tutarlıdır. Ötelenme yapan kanat deneylerinde, dört farklı çırpma frekansında sabit akış koşulları altında incelenerek üç kategoride iz bölgeleri oluşturmaları amaçlanmıştır; bu frekanslar ve kategoriler, 0,125Hz'de sürükleme üreten, 0,25Hz'de sıfır sürükleme, 0,5Hz ve 1Hz'de itki üreten iz bölgeleri şeklindedir. Sağanak etkileriyle karşılaşan bu kanatlarda, özellikle sağanak frekanslarıyla rezonant olan ötelenme hareketi frekansları, sağanak zamanlamasından etkilenerek itki kuvvetinde önemli varyasyonlara neden olmuştur. Yüksek ötelenme frekansları, yüksek taşıma ve itki kuvvetleri üreterek sağanak etkilerini hafifletse de sağanaklar yine de düşük frekansta ötelenme yapan kanatlardakine kıyasla önemli varyasyonlar üretir. Sonuç olarak, bu çalışma, MHA'lar için sağanak oluşturma ve karakterizasyonuna dair değerli bilgiler sağlamıştır. Sağanağın frekansının ve zamanlamasının yanı sıra girdaplılık yapılarının, çırpan kanat sağanak karşılaşmaları üzerinde önemli parametreler olduğu ortaya konulmuştur. Analitik yaklaşımla yapılacak kuvvet tahminlerinin iyileştirilmesi ve sağanaklı koşullar altında MHA aerodinamiğini daha iyi anlaşılması için ilave deneysel sağanak karşılaşma senaryolarını keşfetmek amacıyla daha fazla çalışma önerilmektedir.

Özet (Çeviri)

This PhD thesis explores the generation and characterization of strong periodic transverse gusts for Micro Air Vehicle applications and investigates their effects on fixed, pitching-up, and plunging wings. The study aims to enhance our understanding of gust impacts on flapping wing aerodynamics. The literature is reviewed focusing on the theory of unsteady aerodynamics and the historical development of experimental gust generation methods, as well as the aerodynamic mechanisms of pitching-up and plunging wing. The experiments are conducted in the closed-circuit, large-scale, free-surface water channel located in the Trisonic Laboratories at the Department of Aeronautics and Astronautics Engineering of Istanbul Technical University. A flat plate made of Plexiglas is used as the gust generator. A connection rod connects the flat plate to a servo motor, which provides the pitching motion with a servo controller. This pitching motor is placed on a linear table, which provides the plunging motion with a servo motor as well. The motion system is controlled by a Labview VI code providing the motion signal and synchronization with the measurement systems. For the gust response experiments, a NACA0012 airfoil is mounted on an identical motion system from its quarter chord at the downstream of the gust generator. There are two chords of distance between the mounting axes of the gust generator and the airfoil. A rectangular end plate with an outward bevel is suspended from the top of the channel to reduce the free-surface effects and increase the aspect ratio of the wings acting as a symmetry plane. A Digital Particle Image Velocimetry system is used to acquire the vector fields in the wake of the gust generator. The flow is illuminated by a dual cavity Nd:Yag laser, and the water is seeded with silver-coated glass spheres of 10μm diameter. Two cameras are positioned under the water channel. The two double-frame images from the two cameras are stitched using an in-house code. The resulting PIV images are interrogated using a double frame, cross-correlation technique with a window size of 64×64 pixels and 50% overlapping in each direction. Force and moments acting on the NACA0012 airfoil are measured using a six-component Force-Torque sensor. The sensor is attached to the vertical cantilevered mounting beam of the test model, oriented with its cylindrical z-axis normal to the pitch-plunge plane. The data acquisition is accomplished by a separate Labview VI. All measurements are obtained with a 10kHz sampling rate, then the data is down-sampled to 100Hz with block averaging to smooth the signal. The flat-plate gust generator that moves with periodic functions in pitch and plunge axes produces distinct vortices to simulate transverse quasi-sinusoidal gusts. The motion parameters are targeted for the generation of strong gusts. The gust characterization methodology by in-depth spectral analysis of the wake is the pivotal point of this study to produce gusts with the desired intensity and characteristics. Instead of a point or a line in the wake, this approach examines the whole flowfield in the wake of the gust generator, where the airfoil will be present at the next phase of the study. The spectral analysis consists of an FFT analysis of the velocity field to obtain the predominant frequency of the gust, followed by auto-spectral and cross-spectral analysis. The three gust types selected after this process are validated by vorticity plots and velocity profiles. Quantitative gust characterization parameters are calculated for these gusts, which are named as A, B, and C. It has been observed that Gust A and C exhibit approximately twice the amplitude compared to Gust B, while Gust A has a frequency that is twice as high as that of Gust B and C. Additionally, it has been noted that Gust A and B slightly increase the average velocity in the streamwise direction. Gust encounter investigation begins with a steady flow analysis of a NACA0012 airfoil at a Reynolds number of 10000 to establish a baseline for gust cases, which reveals continuous lift generation even at high angles of attack. Fixed-wing experiments are conducted at angle of attack values from zero to 45 degrees under gust conditions. The results confirm the quasi-sinusoidal nature of the selected gusts, with Gusts A and B enhancing lift at higher angles of attack due to LEV attachment during positive transverse velocity perturbation peaks. In contrast, Gust C, with its distributed smaller vorticities, does not replicate this effect. Analytical lift predictions using the Sears formula, compared with experimental data, show a good correlation up to 30 degrees of AoA, although some overprediction in lift delay occurs due to complex flow interactions. Gust encounter of a pitching-up wing with a ramp motion of two different angular velocities (7.5 deg/s and 45 deg/s) is explored. The encounter timing significantly influences the forces on the wing, with faster maneuvers causing more drastic changes due to gust timing. Gusts A and B exhibit more pronounced effects during fast maneuvers, consistent with the RMS plots from fixed-wing experiments. For plunging wing experiments, steady flow conditions are evaluated at four flapping frequencies, generating drag-producing, zero-drag, and thrust-producing wakes. Especially resonant frequencies of plunge motion with gust frequencies result in significant thrust variations, influenced by gust timing. Although high plunge frequencies mitigate gust effects, due to producing large forces of lift and thrust, gusts still produce notable variations compared to lower frequencies. In conclusion, this study contributes valuable insights into gust generation and characterization for MAVs. The frequency and timing of the gust, as well as the characteristics of its vortices are found to be important parameters of the gust encounters with flapping wings. Further studies are recommended to refine analytical models and explore additional experimental gust encounter scenarios for an enhanced understanding of MAV aerodynamics under gusty conditions.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    850279

    Plazma aktüatörlerin sağanak etkilerinin hafifletilmesi için potansiyel kullanımının araştırılması

    Investigation of the potential use of plasma actuators for gust mitigation

    GÖKÇEN JURNAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURİYE LEMAN OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM

    DR. ÖĞR. ÜYESİ CEM KOLBAKIR

  2. Tez No

    807177

    Experimental investigation of discrete to continuous vortex gust encounters

    Tekil sağanak karşilaşmasindan sürekli sağanak karşilaşmasina geçişin deneysel incelenmesi

    KÜBRA SOY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM

  3. Tez No

    758047

    Design and experimental investigation of a wind tunnel gust generator

    Rüzgar tüneli sağanak akış üreteci tasarımı ve deneysel incelemesi

    İMGE YIĞILI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Havacılık ve Uzay MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA PERÇİN

  4. Tez No

    633785

    Experimental investigation of a single spanwise vortex gust impinging on a rectangular wing

    Açıklık boyunca uzanan tekil bir girdap sağanağın dikdörtgen platforma sahip kanat ile etkileşiminin deneysel incelenmesi

    KADER ENGİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURİYE LEMAN OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM

  5. Tez No

    672856

    Experimental investigation of leading edge suction parameter on massively separated flow

    Hücum kenarı emme parametresinin sıddetlı ayrık akışta deneysel incelenmesi

    EGEMEN AYDIN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURİYE LEMAN OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM

Geri Dön