Geri Dön

Aerodynamic performance enhancement of a 27-inch APC propeller through geometric modifications

Geometrik değişiklikler yoluyla 27 inçlik bir APC pervanenin aerodinamik performansının artırılması

PDF İndir

  1. Tez No: 945052
  2. Yazar: MEHMET EMİN ARSLAN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. SERTAÇ ÇADIRCI
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical 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: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 75

Özet

Günümüz havacılığında pervaneler, hafif keşif dronlarından ağır yük taşıyan endüstriyel platformlara kadar uzanan İnsansız Hava Araçları (İHA) başta olmak üzere, geleneksel genel havacılık ve hızla büyüyen Elektrikli Dikey Kalkış ve İniş (eVTOL) hava araçları gibi çok çeşitli bir yelpazede kritik bir rol üstlenip ön plana çıkmaktadır. Pervanenin boyutları, malzeme yapısı, kanat sayısı ve özellikle kanat geometrisi gibi temel tasarım unsurları, aracın genel aerodinamik verimliliği, uçuş sırasındaki stabilitesi, havada kalış kapasitesi ve nihayetinde görevin başarıyla tamamlanması gibi hayati faktörler üzerinde doğrudan belirleyici bir etkiye sahiptir. Verimsiz tasarımlar, enerji tüketimini artırarak içten yanmalı motorlu hava araçlarında daha yüksek emisyonlara, elektrik motorlu sistemlerde ise enerji kaynaklarının daha çabuk tükenmesine yol açarak çevresel etkileri de beraberinde getirmektedir. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD), pervane tasarımlarını optimize etmek ve pahalı fiziksel prototipleme ile rüzgar tüneli testlerine olan bağımlılığı azaltmak için vazgeçilmez bir araç olarak öne çıksa da, HAD sonuçları ile deneysel veriler arasında farklılıklar olabileceği gerçeği, dikkatli model doğrulaması ihtiyacını doğurmaktadır. Bu tez, bu noktadan hareketle, sistematik ve HAD tabanlı parametrik geometrik modifikasyonlar yoluyla pervanelerin itki verimliliğini artırma yöntemlerini araştırmaya odaklanmaktadır. Bu tezin birincil araştırma hedefi, hava araçları için pervane itki verimliliğini artırmaya yönelik sistematik bir metodoloji geliştirmek ve bu metodolojiyi uygulamaktır. Bu iyileştirme, özellikle kanat büküm açısı dağılımı ve kanat profili kalınlık dağılımı gibi temel kanat geometrisi parametrelerinde yapılacak parametrik değişiklikler aracılığıyla takip edilmiştir. Bu geometrik modifikasyonlar, HAD simülasyonları kullanılarak değerlendirilmiştir. Nihai amaç, belirtilen operasyonel koşullar altında, örneğin sabit Dakikadaki Devir Sayısı (RPM) sınır koşulu gibi, maksimum itki verimliliğine ulaşmak için bu geometrik parametrelerin rafine optimizasyonunu gerçekleştirmektir. Çalışma boyunca tüm analizler, pervanenin farklı uçuş koşullarını temsil eden çeşitli ilerleme oranlarında (J) ve sabit 3000 RPM dönüş hızında yürütülmüştür. Metodolojik yaklaşım, temel (referans) pervane olarak, hem ayrıntılı geometrik verilerine (üretici tarafından sağlanan PE0 formatında) hem de yayınlanmış performans verilerine kolayca erişilebilen ve daha büyük İHA'lar veya küçük genel havacılık uygulamaları için uygun bir boyutta olan APC 27x13E modelinin seçilmesiyle başlamıştır. Bu PE0 dosyası, pervanenin dijital ortamdaki geometrisinin oluşturulması için kritik öneme sahip olup Julia dilinde yazılmış bir kod ile açık kaynaklı bir parametrik uçak geometrisi aracı olan OpenVSP kullanılarak üç boyutlu bir CAD (Bilgisayar Destekli Tasarım) modeline dönüştürülmüştür. HAD analizleri için ilk olarak, ters basınç gradyanları ve ayrılma akışlarını iyi tahmin etmesiyle bilinen k-ω SST türbülans modeli, yarım akış hacmi (180 derecelik periyodik) üzerinde denenmiştir. Ancak, bu modelin viskoz alt tabakayı doğru çözebilmesi için gereken y+ < 1 kriteri, çok ince ağ (mesh) yapılarını (yaklaşık 15.7 milyon eleman) zorunlu kılmış, bu da kapsamlı parametrik çalışmalar için hesaplama maliyetini aşırı derecede artırmıştır. Bu nedenle, tam akış hacmi üzerinde dokuz farklı k-ε türbülans modeli varyantı (standart, realizable, RNG ve her biri için üç farklı duvar sınır tabaka fonksiyonu) üç farklı ağ yoğunluğunda test edilmiştir. Bu değerlendirme sonucunda, standart duvar fonksiyonlarıyla birlikte Realizable k-ε modeli, yaklaşık 2.45 milyon elemanlık bir ağ üzerinde, çözüm süresi ve doğruluk arasında kabul edilebilir bir denge sunduğu için nihai HAD modeli olarak seçilmiştir. Bu model ile elde edilen itki ve tork tahminleri, üretici firma verileriyle sırasıyla yaklaşık %6 ve %5.5'lik bir hata payıyla uyum göstermiş, bu da sonraki karşılaştırmalı analizlerin güvenilirliği için sağlam bir zemin oluşturmuştur. Belirlenen bu HAD modeli ile geometrik manipülasyon stratejileri üç ana başlık altında uygulanmıştır. İlk olarak, pervanenin bir devirde ilerleyeceği teorik mesafeyi belirleyen ve kanat kesitlerinin hücum açılarını doğrudan etkileyen statik hatve parametresinin performansa etkisi incelenmiştir. Bu amaçla, 27 inç çap sabit tutularak, temel 13 inçlik hatveye ek olarak 7, 10, 16 ve 19 inçlik farklı hatve değerlerine sahip varyantlar, PE0 dosyalarındaki yerel kanat açıları hatve formülüne (β(r)=tan^(-1)⁡(H⁄2πr)) göre yeniden düzenlenerek oluşturulmuştur. Ön analizler, 13 inçlik temel pervanenin geniş bir operasyonel aralıkta (J ≈ 0.3−0.5) en dengeli performansı sunduğunu göstermesi üzerine, daha detaylı büküm ve kalınlık optimizasyonları için bu geometri referans alınmıştır. İkinci olarak, kanatlar boyunca büküm açısı dağılımının, yani kanat kesitlerinin dönüş düzlemiyle yaptığı açının yarıçap boyunca değişiminin optimize edilmesi hedeflenmiştir. Pervane kanadının farklı yarıçaplardaki kesitleri farklı bağıl hızlara maruz kaldığından, ideal hücum açısını korumak için büküm kritik öneme sahiptir. Bu kapsamda, dört farklı büküm konfigürasyonu (kök kısmında bükümü azaltıp uçta artıran 'A serisi' ve kök kısmında bükümü artırıp uçta azaltan 'B serisi' – her biri için hafif ve agresif modifikasyonlar) geliştirilmiş, bu modifikasyonlarda nominal pervane hatvesi için sıkça referans alınan kanat yarıçapının %75'indeki büküm açısı referans pervane ile aynı tutulmuştur. Üçüncü olarak, kanat profilinin aerodinamik özelliklerini (örneğin sürükleme, stall karakteristikleri) ve yapısal bütünlüğünü etkileyen kanat profili kalınlık dağılımında değişiklikler yapılmıştır. Bu amaçla yine %75 yarıçaptaki kalınlık, referans pervane ile aynı kalacak şekilde, dört farklı kalınlık varyantı (kanat boyunca 'hafif' ve 'agresif' tekdüze kalınlık değişiklikleri ile kökten uca doğru 'hafif' ve 'agresif' konik kalınlık değişiklikleri) oluşturulmuştur. HAD'den elde edilen aerodinamik sonuçlar, her bir geometrik modifikasyon türünün pervane performansı üzerinde kendine özgü ve belirgin etkileri olduğunu göstermiştir. Statik hatve varyantlarının incelenmesi, beklendiği gibi, daha yüksek hatveli pervanelerin genellikle daha yüksek ilerleme oranlarında daha iyi verimlilik sergilediğini doğrulamıştır. Kanat büküm açısı dağılımı üzerinde yapılan değişiklikler ise verimlilik artışı potansiyeli açısından umut verici sonuçlar vermiştir. Özellikle, B1 olarak adlandırılan varyant (kök kısmında bükümün hafifçe artırıldığı, uç kısmında ise hafifçe azaltıldığı konfigürasyon), J ≈ 0.5 ilerleme oranında yaklaşık η = 0.70'lik bir tepe verimliliğe ulaşarak, referans pervanenin aynı noktadaki verimliliğine kıyasla yaklaşık %1.8'lik bir artış sağlamıştır. Ancak bu varyantın asıl başarısı, daha yüksek ilerleme oranlarında ortaya çıkmıştır; J ≈ 0.6'da verimliliği yaklaşık η = 0.62 olarak hesaplanmış, bu da referans pervanenin aynı koşuldaki η = 0.50'lik verimliliğine göre %23'ün üzerinde önemli bir kazanç anlamına gelmektedir. Bu iyileşmenin, B1 büküm dağılımının, özellikle yüksek ilerleme oranlarında köke yakın kanat kesitlerinin hücum açılarını daha iyi optimize etmesi ve uç kesitlerde aşırı düşük veya negatif hücum açılarından kaçınması sayesinde, kanat elemanlarının daha verimli çalışmalarını sağlamasından kaynaklandığı değerlendirilmektedir. Diğer büküm varyantları ise bu tür tutarlı bir fayda sağlayamamıştır. Buna karşılık, kanat profili kalınlık dağılımında yapılan tüm modifikasyonların (tekdüze veya konik), özellikle orta ve yüksek ilerleme oranlarında, referans pervaneye kıyasla aerodinamik verimliliği genellikle olumsuz etkilediği gözlemlenmiştir. Bu durum, muhtemelen artan profil sürüklemesi veya temel pervane kanat profilinin zaten aerodinamik açıdan oldukça rafine olması nedeniyle, kalınlık değişikliklerinin akış yapısını bozarak erken ayrılmalara yol açmasıyla açıklanabilir. Bu sonuçlar, temel pervanenin kalınlık profilinin mevcut haliyle aerodinamik performans için zaten iyi optimize edilmiş olduğunu düşündürmektedir. Sonuç olarak, bu yüksek lisans tezi, temsili bir sabit hatveli hava pervanesinin itki verimliliğini artırmak amacıyla sistematik, HAD destekli parametrik geometrik modifikasyon yöntemlerini başarıyla araştırmış ve uygulamıştır. Elde edilen temel bulgular, pervane aerodinamik hassasiyetlerine dair değerli bilgiler sunmaktadır. Özellikle kanat büküm açısı dağılımında yapılan değişikliklerin, operasyonel zarfın belirli segmentlerinde (özellikle yüksek ilerleme oranlarında) önemli verimlilik iyileştirmeleri sağlayabileceği gösterilmiştir ki bu, özellikle İHA sektöründeki tasarımcılar için büyük bir önem taşımaktadır. Sunulan iş akışı, daha kısa geliştirme döngülerine ve daha verimli itki sistemleri arayışına katkıda bulunabilir. Bununla birlikte, çalışmanın bazı kısıtlamaları bulunmaktadır: kullanılan Çoklu Referans Çerçevesi (MRF) yaklaşımı, pervane akış alanının zamana bağlı olmayan (steady-state) bir yaklaşımını sunmakta ve gerçekte mevcut olabilecek zamana bağlı etkileri (örneğin kanat geçiş etkileşimlerini) ihmal etmektedir; ayrıca, pervane kanatları rijit kabul edilmiş, bu da özellikle hafif kompozit pervaneler için önemli olabilecek aeroelastik deformasyonun aerodinamik performans üzerindeki potansiyel etkisini dışarıda bırakmıştır. Bir sonraki adım olarak hatve, büküm ve potansiyel olarak kord dağılımlarını eş zamanlı olarak değiştiren çok parametreli optimizasyon çalışmaları yapılabilir. HAD tabanlı adjoint optimizasyonu yöntemi gibi daha gelişmiş gradyan tabanlı optimizasyon tekniklerinin, özellikle B1 büküm varyantı gibi parametrik olarak iyileştirilmiş tasarıma (serbest formda şekil değişikliklerine olanak tanıyarak) uygulanması, daha da rafine performans artışlarının önünü açabilir. Ayrıca, İHA ve eVTOL uygulamaları için gürültü azaltmanın artan önemi göz önüne alındığında, gelecekteki optimizasyon çalışmalarında aero-akustik analizlerin dahil edilmesi de son derece faydalı olacaktır. Son olarak, optimize edilmiş tasarımların rüzgar tüneli testleriyle deneysel olarak doğrulanması, HAD sonuçlarını teyit etmek ve gerçek dünyadaki performans kazanımlarını nicelemek için kritik öneme sahip olacaktır. Bu araştırma, daha sofistike optimizasyon çalışmalarına zemin hazırlamakta ve multi-disipliner çalışmaları entegre edebilecek doktora düzeyindeki araştırmalara bir temel oluşturmaktadır.

Özet (Çeviri)

Propellers are undergoing a significant resurgence in aviation, vital for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), general aviation, and emerging Electric Vertical Take-Off and Landing (eVTOL) aircraft. The design of a propeller—encompassing its dimensions, material, and particularly its blade geometry—is paramount for vehicle efficiency, stability, endurance, and mission success. Inefficient propellers lead to increased energy consumption and environmental impact. This thesis focuses on enhancing the propulsive efficiency of propellers through systematic, computationally-driven geometric modifications. The primary research objective was to develop and apply a methodology for improving propeller propulsive efficiency by parametrically altering key blade geometric parameters. Specifically, this study investigated the effects of static pitch, blade twist distribution, and airfoil thickness distribution using Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations, with all analyses conducted at a fixed rotational speed of 3000 RPM across a range of advance ratios. The methodology commenced with selecting the APC 27x13E propeller as the baseline, chosen for the availability of its geometric data and published performance metrics. The blade geometry was reconstructed into a 3D CAD model using a workflow involving a Julia script and OpenVSP. An initial CFD setup using the k-ω SST turbulence model on a half-domain showed that very fine meshes (around 15.7 million cells) were needed for high accuracy but were computationally prohibitive for extensive parametric studies. Consequently, a turbulence model evaluation was performed using a full-domain model. The Realizable k-ε model with standard wall functions, applied to a mesh of approximately 2.45 million cells, was selected as the final CFD setup. This configuration predicted thrust and torque with error of approximately 6% and 5.5% respectively, when compared to vendor data, offering a suitable balance between accuracy and computational efficiency for the subsequent comparative analyses. Geometric manipulation strategies involved three campaigns. First, static pitch variants (7, 10, 13, 16, and 19-inch pitch for the 27-inch diameter propeller) were generated by adjusting local blade angles according to blade angle equation for static pitch propellers. The 13-inch baseline was found to offer a good overall performance profile across a wider range of advance ratios and was selected for further modifications. Second, four twist angle distribution variants were created (mild/aggressive root untwist with tip overtwist, and mild/aggressive root overtwist with tip untwist), keeping the blade angle at the 75% span station identical to the baseline. Third, four airfoil thickness distribution variants were developed (mild/aggressive uniform thickness changes, and mild/aggressive tapered thickness changes), anchoring the thickness at the 75% span station to the baseline value. Aerodynamic results indicated distinct impacts from each modification type. For static pitch, higher pitch propellers generally yielded better efficiency at higher advance ratios. The twist angle modifications showed the most promising results for efficiency enhancement. Specifically, the B1 variant (mild root overtwist, mild tip untwist) achieved a peak efficiency of approximately η = 0.70 at J ≈ 0.5, a modest gain of about 1.8% over the baseline's peak. However, this variant demonstrated a more substantial relative improvement at higher advance ratios; for instance, at J ≈ 0.6, its efficiency was approximately η = 0.62, a significant gain of over 23% compared to the baseline's η = 0.50 at that condition. In contrast, modifications to the airfoil thickness distribution were generally detrimental, reducing aerodynamic efficiency at moderate to high advance ratios compared to the baseline, suggesting the baseline's thickness profile was already well-optimized. This thesis successfully demonstrated a systematic CFD-driven approach for evaluating and improving propeller aerodynamic performance. The findings highlight that carefully considered twist distribution modifications can yield significant relative efficiency gains, particularly in specific segments of the operational envelope, which is valuable for UAV designers. Limitations include the steady-state MRF approach and the assumption of rigid blades. Future work could involve multi-parameter optimisation, the application of CFD-based adjoint methods for finer refinement of promising designs like the B1 twist variant, aero-acoustic analysis, and experimental validation.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    323700

    Slotlu roket/füze modelleri için aerodinamik performans kestirim yöntemlerinin iyileştirilmesi

    Enhancement of aerodynamic fast prediction methods for slotted rockets/missiles

    BORA ATAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. HAYRİ ACAR

  2. Tez No

    672917

    Investigation of the effect of the plasma actuators in aerodynamic flow control applications

    Plazma aktüatörlerin aerodinamik akış kontrol uygulamalarındaki etkisinin incelenmesi

    HÜRREM AKBIYIK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Makine MühendisliğiÇukurova Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAKAN YAVUZ

  3. Tez No

    223037

    Investigation of flow field around flapping wings

    Salınan kanatlar üzerindeki akışın incelenmesi

    KEREM ANBARCI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2007

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı

    DOÇ.DR. FIRAT OĞUZ EDİS

  4. Tez No

    853233

    Çarpmalı jet ve rib kullanımının kanal yüzeyindeki soğutma performansına etkilerinin araştırılması

    Investigating the effect of impinging jet and rib usage on the cooling performance of the channel surface

    ORHAN YALÇINKAYA

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    EnerjiSakarya Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. UFUK DURMAZ

  5. Tez No

    800054

    Taşıtlarda araç altının tamamen kapalı olmasının lift kuvvetine etkisinin analiz edilmesi

    Analysis of the effect of covering the underbody of vehicle on lift force

    MEHMET ENES AHRAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Otomotiv MühendisliğiSelçuk Üniversitesi

    Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MURAT CİNİVİZ

Geri Dön