Experimental study on discrete vortex gust encountered by a flat plate at 45˚ wing sweep
45˚ ok açılı düz plaka kanadın girdap türü tekil sağanak karşılaşmasının deneysel incelenmesi
- Tez No: 963386
- Danışmanlar: PROF. DR. NURİYE LEMAN OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 71
Özet
Atmosferik ortamlarda faaliyet gösteren hava araçları, genellikle sağanaklar, girdaplar ve türbülanslı akış yapılarından kaynaklanan kararsız aerodinamik bozunumlara maruz kalmaktadır. Bu bozunumlar, özellikle Mikro Hava Araçları (MAV'ler) ve İnsansız Hava Araçları (İHA'lar) gibi küçük ölçekli ve düşük ataletli hava araçları için uçuş kararlılığı, manevra kabiliyeti ve yapısal bütünlük üzerinde ciddi etkiler yaratabilir. Daha büyük ticari uçaklar bu tür bozunumları yüksek ataletleri ve gelişmiş uçuş kontrol sistemleri sayesinde tolere edebilirken, daha küçük hava araçları orta şiddetteki sağanak karşılaşmalarına karşı bile oldukça savunmasızdır. Bu durum sağanak tepkisinin analizini aerodinamik araştırmaların kritik bir alanı haline getirmektedir. Özellikle şehir içi bölgelerde, gemi üst yapılarının arkasında veya arazi düzensizliklerinin yakınında karşılaşılan girdap sağanaklarının hava aracıyla nasıl etkileşime girdiğini anlamak özel bir zorluk teşkil etmektedir. Sürekli sağanaklardan farklı olarak, tekil girdap sağanakları özellikle ok açılı kanatlar veya karmaşık geometrilerle etkileşime girdiklerinde, taşıma kuvveti, sürükleme kuvveti ve yunuslama momenti gibi değerlerde ani değişimlere ve akış ayrılmasına neden olabilecek oldukça kararsız, doğrusal olmayan tepkiler oluşturabilirler. Sağanak karşılaşmalarının önemi göz önüne alındığında, mevcut araştırmaların büyük çoğunluğu iki boyutlu kanatlar üzerinde yoğunlaşmıştır. Ok açılı olmayan düz plakalar için sağanak tepkisine dair önemli miktarda çalışma mevcut olsa da, kanat ok açısını da içeren çalışmalar, özellikle orta ve yüksek ok açıları için, halen oldukça nadirdir. Kanadın ok açılı olması, kanat açıklığı boyunca akış gelişimi, yüksek ok açılarında asimetrik girdap ayrılması ve gelen sağanağa yönsel hassasiyet gibi yalnızca iki boyutlu modellerle yakalanamayan ek karmaşıklıklar getirmektedir. Giderek daha çevik ve sağanaklara dayanıklı hava araçlarına olan talep göz önüne alındığında, bu etkileşimlerin kontrollü laboratuvar ortamlarında deneysel olarak incelenmesi büyük bir gerekliliktir. Bu, özellikle sağlam kontrol stratejileri, uyarlanabilir hava aracı gövde konfigürasyonları ve gerçek zamanlı sağanak önleme sistemlerinin tasarımına yönelik kritik bilgiler sağlar. Yüksek ok açılarına sahip düz plakaların ayrık girdap sağanaklarına verdiği tepkilerin anlaşılması, mevcut aerodinamik literatürdeki önemli bir boşluğu doldurmakta ve sağanak bakımından zengin ortamlarda faaliyet gösteren yeni nesil hava araçları için değerli bilgiler sunmaktadır. Bu çalışmanın temel amacı, 45° ok açısına sahip düz plaka kanat modelinin girdap türü tekil sağanaklara maruz kaldığında gösterdiği aerodinamik tepkiyi deneysel olarak araştırmaktır. Bu kapsamda, hem akım görüntüleme hem de aerodinamik kuvvet ölçümleri gerçekleştirilmiş, böylece kararsız sağanak ortamlarındaki sağanak-kanat etkileşimi bütüncül bir bakış açısıyla incelenmiştir. Elde edilen sonuçların, ok açılı kanat geometrisi, simetri düzlemi ayna etkisi ve kanat uç geometrisinin etkilerini açıklığa kavuşturması ve ok açılı kanat tasarımları için sağanak modelleme stratejilerine katkı sağlaması beklenmektedir. Kontrollü sağanak koşulları altında kararsız aerodinamik tepkileri incelemek amacıyla, serbest su yüzeyine sahip bir su kanalında, bir sağanak üretim mekanizması kullanılarak bir dizi deney gerçekleştirilmiştir. Sağanaklar, dikdörtgensel bir düz plakanın (sağanak üreteci) saat yönünde kontrollü yarım tur dönme hareketi yoluyla oluşturulmuş ve gerçek dünyadaki girdap türü sağanak olgularına benzeyen lokal, geçici bozunumları taklit etmiştir. Sağanak üreteci ile kanat modeli arasındaki düşey mesafe (Δy) ve sağanak üreteci düz plakanın yarı tur dönüş süresi (T) gibi temel parametreler değiştirilerek, sağanak karşılaşmasının, girdabın izlediği yörüngenin ve ok açısının aerodinamik kuvvetler ve akış yapıları üzerindeki etkileri sistematik olarak karakterize edilmeye çalışılmıştır. Bu çalışmada, ok açısız düz plaka, 45° ok açılı düz plaka ve keskin uç modifikasyonuna sahip 45° ok açılı düz plaka olmak üzere üç adet kanat modeli kullanılarak çeşitli kanat konfigürasyonları üzerinde girdap türü tekil sağanak karşılaşması deneyleri gerçekleştirilmiştir. Ek olarak, ok açılı kanat modelleri için iki farklı su seviyesi (su seviyesi kanat simetri ekseniyle çakışacak şekilde ve su seviyesi kanat simetri eksenin öteki tarafına yükseltilerek yarı kanat açıklığının %15'lik kısmını da dahil edecek şekilde) test edilerek bu parametrenin sağanak tepkisi üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Her bir kanat modeli için, iki farklı girdap yörüngesine (h/c = 0, −0.75) karşılık gelen Δy değerleri ve üç farklı yarı dönüş süresi (T = 3s, 4s, 6s) kullanılarak altı deney senaryosu içeren kapsamlı bir matris oluşturulmuştur. Tüm deneylerde, hücum açısı sıfır derece olarak ve Reynolds sayısı 10,000 olarak sabit tutulmuştur. Aerodinamik katsayıları belirlemek amacıyla yüksek çözünürlüklü kuvvet ölçümleri yapılmıştır. Zamana bağlı bu kuvvet ve moment ölçümleri için altı bileşenli bir Kuvvet/Tork sensörü kullanılmaktadır. Sensör, kanat modelinin bağlantı çubuğu ile servo motora bağlı dikey çubuk arasına yerleştirilmiştir. Bağlantı çubuğu, kanat kök kesitinin hücum kenarından geçerek kanat açıklığı (z ekseni) yönünde hizalanmayı sağlamaktadır. Kuvvet ölçümlerinin yanı sıra akış yapıları ve girdap alanlarını elde etmek için Dijital Parçacık Görüntüleme Hızölçer (DPIV) ölçüm tekniği uygulanmıştır. Ok açılı kanat durumunda üç boyutlu etkileri anlamak için, her bir kanat konfigürasyonunda kanat açıklığı boyunca üç ayrı kesitte (η = 0.25, 0.5, 0.825) akım görüntüleme ölçümleri yapılmıştır. Akım görüntüleme ve kuvvet ölçümleri eş zamanlı olarak yapılmış olup, bu deney düzeneği, aerodinamik yüklerin yüksek zamansal çözünürlükte ölçülmesini ve girdap-kanat etkileşim mekanizmalarının doğrudan görselleştirilmesini mümkün kılmış, tekil sağanak karşılaşmalarına özgü karmaşık ve geçici akış olgularının yorumlanması için güçlü bir temel oluşturmuştur. Elde edilen sonuçlar ışığında, su seviyesinin kanat simetri ekseni (kök kesiti) ile çakıştığı standart seviyedeki konfigürasyon ile kanadın karşı tarafındaki yarı açıklığın %15'lik kısmını da kapsayacak şekilde daha derin bir su seviyesinin (kısmen V-şekilli bir model oluşturarak) karşılaştırılması, aerodinamik tepki üzerinde belirgin bir etkisinin olmadığını göstermiştir. Benzer şekilde, uç geometrisindeki farklılık da karşılaştırılmış ve bu farklılık aerodinamik tepki açısından ihmal edilebilir düzeyde fark yaratmıştır. Su seviyesi ve kanat uç geometrisindeki değişikliklerin belirtlilen deney koşulları altında neredeyse hiç etki göstermediği gözlemlenirken, kanat ok açısının etkisi kritik bir faktör olarak öne çıkmıştır. Ok açısı, girdap türü sağanak karşılaşmasına verilen taşıma tepkisinde dikkate değer bir zaman gecikmesi ve ok açısız kanat konfigürasyonuna kıyasla taşıma katsayısı genliğinde bir azalma yaratmıştır. Ayrıca, kanadın sağanak tarafından indüklenmiş taşıma katsayısında gözlemlenen bu zaman kayması, ok açılı kanadın kanat açıklığı boyunca farklı kesitlerinin sağanakla daha farklı zamanlarda karşılaştığını göstermektedir. Bu faz gecikmesi, kanat açıklığı boyunca farklı kesitlerde yapılan akım görüntüleme deneylerinden elde edilen anlık akım görselleştirmeleriyle de doğrulanmıştır. Bu gözlemler, taşıma katsayısı verisinin kanat kesidi bazlı zamanda kaydırılması gibi basitleştirilmiş modelleme tekniklerinin, ok açısı verilmiş kanat konfigürasyonlarının karmaşık sağanaklarla etkileşimlerini yaklaşık olarak elde etmede değerli olabileceğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Aircraft operating in atmospheric environments are routinely subjected to unsteady aerodynamic disturbances caused by gusts, vortices, and turbulent flow structures. These disturbances can severely affect flight stability, maneuverability, and structural integrity, particularly for small-scale and low-inertia aerial vehicles such as Micro Air Vehicles (MAVs) and Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). Despite the importance of gust response, the vast majority of existing research has concentrated on two-dimensional wings. While a considerable body of work exists on gust response for flat plates at no wing sweep, studies incorporating with wing sweep, especially at moderate to high sweep angles, are still rare. The influence of wing sweep introduces additional complexities such as spanwise flow development, asymmetric vortex breakdown at high sweep angles, and directional sensitivity to the incoming gust, which cannot be captured by purely two-dimensional models. Given the increasing demand for agile and gust-resilient aerial platforms, there is a strong need to experimentally study these interactions under controlled laboratory conditions. The primary objective of this study is to experimentally investigate the aerodynamic response of a flat plate wing model with a 45° sweep angle when subjected to discrete vortex gusts. The scope of this work encompasses both quantitative flow visualization and aerodynamic force assessment, enabling a unified view of the fluid-structure interaction under unsteady gust environments. The results are expected to clarify the influence of sweep geometry, symmetry plane mirror effect, and tip geometry, thereby contributing to gust modeling strategies for swept-wing designs. To explore the unsteady aerodynamic response under controlled gust conditions, a series of water channel experiments are conducted using a gust generation mechanism. The gusts are generated via controlled rotational motion of a flat-plate gust generator, simulate localized, transient disturbances that resemble vortex gust phenomena encountered in real-world scenarios. By varying key parameters such as the vertical distance between the gust generator and the wing (Δy) and the half-rotation duration of the generator (T), the study aims to systematically characterize how the gust encounter, trajectory, and the sweep angle affect the resulting force dynamics and flow structures. Three distinct wing configurations are examined: a no-swept flat plate, a 45° swept flat plate, and a 45° swept plate with a sharp tip modification. For each configuration, multiple test cases are executed across two vortex trajectories (h/c), which are adjusted by varying Δy, and three half-rotation durations (T), resulting in a comprehensive matrix of 6 cases. High-resolution force measurements and Digital Particle Image Velocimetry (DPIV) analyses are conducted to quantify vorticity fields in conjuction with lift coefficients. Reynolds number of 10,000 is maintained throughout all experiments. This experimental setup enables both high temporal resolution of aerodynamic loads and direct visualization of vortex-wing interaction mechanisms, forming a strong foundation for interpreting the complex, transient flow phenomena associated with discrete gust encounters. In this study, discrete vortex gust encounter experiments are conducted on several wing configurations, including a no-swept flat plate wing and two swept wing models with differing tip geometries: a sharp tip and a tip aligned with the freestream. Additionally, two submergence levels are tested for the swept wing models to examine their effect on gust response. Comparison between standard submergence level, where the water level coincides with the wing's symmetry axis (root section), and a deeper submergence including 15% of the opposite half-span (creating a partially V-shaped model), revealed no significant influence on the aerodynamic response. Similarly, the tip geometry difference demonstrated negligible differences in aerodynamic response. While the variations in submergence level and tip geometry showed minimal impact under the specific test conditions, the influence of sweep angle emerged as a critical factor. The sweep angle introduced a notable time delay in the lift response to vortex gust encounters and a reduction of lift amplitude compared to the no-swept configuration. Additionally, a time shift in lift response observed along the wing span indicates that different sections of the swept wing experienced the gust at slightly different times. This phase lag was confirmed by comparing instantaneous flow visualizations along the span. These observations support the value of simplified modeling techniques, such as time-shifted lift profiles, to approximate complex gust interactions on swept configurations.
Benzer Tezler
- Experimental investigation of discrete to continuous vortex gust encounters
Tekil sağanak karşilaşmasindan sürekli sağanak karşilaşmasina geçişin deneysel incelenmesi
KÜBRA SOY
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM
- 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
2024
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURİYE LEMAN OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM
DR. ÖĞR. ÜYESİ CEM KOLBAKIR
- An Investigation of flow around two flow bluf bodies in tandem and staggered arrangements by the dicrete vortex method and experiment
Ardarda ve çapraz dizilişli iki küt cisim etrafındaki akış: Ayrık vorteks yöntemiyle hesap ve deney
HACI İBRAHİM KESER
- Vortex induced oscillations of an elastically mounte circular cylinder
Başlık çevirisi yok
OKŞAN ÇETİNER
- Düşey eksenli hidrokinetik türbin için asimetrik kanal tasarımı
Asymmetric duct design for vertical axis hydrokinetic turbine
OĞUZ SUSAM
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. HAKAN ÖKSÜZOĞLU