Geri Dön

Analytical and numerical investigation of whirl flutter

Dönme çırpınmasının analitik ve sayısal yöntemlerle incelemesi

PDF İndir

  1. Tez No: 982057
  2. Yazar: MUSA KÜÇÜKALİ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. SEHER EKEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: 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: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Uçak tasarımlarında elektrifikasyonun artan entegrasyonu, özellikle NASA'nın X-57 Maxwell gibi alışılmışın dışında konfigürasyonlarda, yeni aeroelastik kararlılık problemlerini gündeme getirmiştir. Bu tezde, dönen pervanelerin oluşturduğu jiroskopik momentlerle gövdenin elastik özellikleri arasındaki etkileşimden kaynaklanan bir aeroelastik kararsızlık olan whirl flutter (dönme çırpınması) incelenmiştir. Bu olgu, tarihsel olarak özellikle Lockheed L-188 Electra uçağında olduğu gibi yıkıcı kazalara yol açmıştır. Sürdürülebilirlik ve karbon kullanımının azaltılması, yenilenebilir enerji kullanımı havacılık alanında da yenilikçi çözümleri beraberinde getirmiştir. Bu bağlamda, dağıtılmış elektrikli tahrik sistemlerinin (DEP) yaygınlaşmasıyla kanat üzerine yayılı itki sistemlerinin yeni nesil elektrikli hava aracı tasarımı için kaçınılmaz olmuştur. DEP, tasarım süreçlerinde hava araçlarında whirl flutter fenomeninin gözetilmesi ve sertifikasyon isterleriyle uyumluluğunun gösterilmesi gerekliliğini doğurmasıyla bu fenomen günümüzde yeniden kritik önem kazanmıştır. Bu çalışma, pervaneli uçaklarda whirl flutter fenomenini analiz etmek üzere kapsamlı bir analitik ve sayısal modelleme ve çözüm metodolojisi çerçevesi sunmaktadır. Araştırmanın analitik analizleri, Wilmer H. Reed ve Houbolt tarafından geliştirilen pervane presesyonu (precession) kararsızlığına yönelik analitik modellere dayanmaktadır. Kompleks tasarımlar ve bütünleşik hava aracı modellerinin analizi için kullanılan sayısal analiz aracı (MSC Nastran), Reed ve Houbolt teorisini temel alan aerodinamik yaklaşımla geliştirilmiştir. Bu tezde kullanılan analitik ve sayısal modeller, hem geleneksel hem de modern hava aracı konfigürasyonları için uyarlanmış ve genişletilmiştir. Tez, Lockheed Electra vakaları ve NASA Langley tarafından yapılan deneysel çalışmalar dahil olmak üzere konunun tarihsel ve teorik arka planını inceleyerek başlamaktadır. Hem sayısal hem de analitik çözümler için pervane aerodinamiğinde kullanılan Houbolt ve Reed'in modeli, fiziksel problemi matematiksel olarak modellerken gözetilen varsayımlar ve deneysel verilerle doğrulama süreçlerine özel bir vurgu yapılmıştır. Bu analizler, tezde geliştirilen modelleme yaklaşımlarının temelini oluşturmuştur. Analitik modeller ve sayısal modeller ile NASA çalışma grubu tarafından gerçekleştirilen whirl flutter deneyi bulguları doğrulanması yoluyla probleme farklı metotlar ile çözüm getirilmiştir. Çalışmada iki farklı model geliştirilmiştir: Model I: Yunuslama (pitch) ve kayma (yaw) yönlerinde elastik olarak monte edilmiş rijit kanatlı bir pervanenin analitik yöntemlerle dönme (whirl) çırpıntısının hesaplanması. Model II: Yunuslama (pitch) ve kayma (yaw) yönlerinde elastik olarak monte edilmiş rijit kanatlı bir pervanenin sayısal yöntemle (MSC Nastran) dönme (whirl) çırpıntısının hesaplanması. Analitik çözüm modelinde Houbolt-Reed tarafından geliştirilen quasi-steady aerodinamik teori, MATLAB ortamında sembolik programlama teknikleriyle uygulanmış ve hareket denklemleri türetilmiştir. Parametrik çalışmalar kapsamında, pervane pivot konumu, kütle dağılımı, rijitlik oranları ve sönüm katsayılarının çırpınma başlangıcı üzerindeki etkileri analiz edilmiştir. Sayısal çözüm modelinde yine Houbolt-Reed teorisini kullanan, MSC Nastran dönme çırpıntısı çözücüsünün pervane aerodinamik türevlerini elde etmek için geliştirdiği Fortran kodundan yararlanılmıştır. Analitik çözüm modeli için geliştirilen MATLAB kodunda elde edilen pervane aerodinamik türevleri ile MSC Nastran Fortran kodundan elde edilen türevler karşılaştırılmış ve deneysel veriler ile doğrulanmıştır. Doğrulama çalışmaları, Bennett ve Bland (1961) tarafından gerçekleştirilen deneysel veriler kullanılarak yapılmış ve altı farklı konfigürasyon karşılaştırılmıştır. Geliştirilen analitik ve sayısal modellerin sonuçları, literatürdeki diğer tahminlerden daha az hata payı ile deneysel sınırlar ile uyum göstermiş ve modelin doğruluğunu kanıtlamıştır. Bu çalışma yalnızca dönme çırpıntısına (whirl flutter) dair teorik anlayışı derinleştirmekle kalmamış, aynı zamanda mevzuat gerekliliklerini de ele almıştır. Özellikle, NATO STANAG 4671'in USAR.629 maddesi, tüm pervaneli insansız uçaklar için dönme çırpıntısı (whirl mode) kararsızlık analizinin yapılmasını zorunlu kılmaktadır. Bu tez kapsamında geliştirilen modeller ve çözüm metodolojisi, bu tür sertifikasyon gereklilikleriyle de uyumludur. Sonuç olarak, bu tez pervaneli uçakların erken tasarım aşamasında aeroelastik değerlendirmesi için doğrulanmış ve esnek bir analitik araç seti sunmaktadır. Bulgular, yeni nesil elektrikli uçak teknolojilerine doğrudan uygulanabilir nitelikte olup, güvenli ve sürdürülebilir havacılığın gelişimini desteklemektedir.

Özet (Çeviri)

The increasing integration of electrification into aircraft design has introduced new challenges in aeroelastic stability, particularly for unconventional configurations such as NASA's X-57 Maxwell. This thesis investigates whirl flutter behavior, an aeroelastic instability caused by the interaction between gyroscopic moments from rotating propellers and the elastic properties of the airframe. The phenomenon has historically led to catastrophic failures, most notably in the Lockheed L-188 Electra. Growing concerns regarding sustainability, carbon reduction, and the use of renewable energy have brought innovative solutions to the field of aviation. In this context, the widespread adoption of Distributed Electric Propulsion (DEP) has made wing-integrated distributed thrust systems an inevitable component of next-generation electric aircraft designs. As DEP systems require explicit consideration of the whirl flutter phenomenon in the design process and the demonstration of compliance with certification requirements, this phenomenon has once again gained critical importance. This study presents a comprehensive analytical and numerical framework to analyze whirl flutter phenomena in propeller-driven aircraft. The research builds upon the foundational work of Wilmer H. Reed and Houbolt, who developed analytical models for propeller precession instability. The numerical analysis tool (MSC Nastran), commonly used for complex designs and integrated aircraft models, is implemented with an aerodynamic approach based on Reed and Houbolt theory. The analytical and numerical models employed in this thesis have been adapted and extended for both conventional and modern aircraft configurations. The thesis begins by reviewing the historical and theoretical background of the subject, including the Lockheed Electra cases and experimental studies conducted by NASA Langley. Special emphasis is placed on the assumptions used to mathematically model the physical problem, the Houbolt Reed aerodynamic model applied in both numerical and analytical solutions, and the validation procedures supported by experimental data. These analyses form the foundation of the modeling approaches developed throughout the thesis. Using different methods analytical models and numerical models the findings from NASA research group's whirl flutter experiments were reproduced and validated. Two dynamic models were developed: Model I: Analytical calculation of whirl flutter of a rigid-bladed propeller elastically mounted in pitch and yaw directions. Model II: Numerical calculation (MSC Nastran) of whirl flutter of a rigid-bladed propeller elastically mounted in pitch and yaw directions. In the analytical solution model, the quasi-steady aerodynamic theory developed by Houbolt and Reed was implemented using symbolic programming techniques in MATLAB, and the equations of motion were derived. Within the scope of the parametric studies, the effects of propeller pivot location, mass distribution, stiffness ratios, and damping coefficients on the onset of flutter were analyzed. In the numerical solution model, the Fortran code developed by MSC Nastran to obtain propeller aerodynamic derivatives based on Houbolt–Reed theory was utilized. The aerodynamic derivatives computed using the MATLAB code developed for the analytical model were compared with those obtained from MSC Nastran's Fortran code implementation and validated using experimental data published from NASA's research group. The validation studies were carried out using historical experimental data from Bennett and Bland (1961), comparing six different configurations. Results from the proposed analytical models showed closer agreement with experimental flutter boundaries than existing literature estimates, demonstrating the accuracy and robustness of the modeling approach. This work not only contributes to the theoretical understanding of whirl flutter but also addresses regulatory demands. In particular, NATO STANAG 4671, paragraph USAR.629, mandates the analysis of whirl mode instabilities for all propeller-driven unmanned aircraft. The models and solution methodology developed in this thesis are fully compatible with such certification requirements. In conclusion, this study offers a validated and adaptable toolset for early-stage aeroelastic assessment of propeller-driven aircraft. The outcomes are directly applicable to emerging electric aircraft technologies and support the continued evolution of safe and sustainable aviation.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    382820

    Analytical and numerical investigation of uniformly loaded simply supported circular plates

    Düzgün yayılı yük altındaki basit mesnetli dairesel plakların analitik ve sayısal yöntemlerle incelenmesi

    AQEEL NAJDET NASRET CORAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    İnşaat MühendisliğiAtılım Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TOLGA AKIŞ

  2. Tez No

    836638

    Analytical and numerical ınvestigation of a droplet evaporation in convective environments

    Konvektif ortamlarda damlacik buharlaşmasinin analitik ve sayisal olarak incelenmesi

    FARAZ SALIMNEZHAD

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Makine MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. METİN MURADOĞLU

  3. Tez No

    474949

    Numerical and analytical investigation of aerosol acoustics through ducts

    Kanallardaki aerosol akustiğinin sayısal ve analitik incelenmesi

    ERSEN ARSLAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET ÇALIŞKAN

  4. Tez No

    841619

    Analytical and numerical investigation on increasing shooting range with muzzle brake optimization of MPT-76 light machine gun

    MPT-76 hafif makinalı tüfeğin namlu freni optimizasyonu ile atış menzili arttırılmasının analitik ve sayısal olarak incelenmesi

    HAKAN DİLBAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Makine MühendisliğiMarmara Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BÜLENT EKİCİ

  5. Tez No

    268938

    Analytical, numerical and experimental investigation of the distortion behavior of steel shafts during through-hardening

    Çelik şaftların sertleştirilmesi sırasında oluşan çarpılmaların analitik, numerik ve deneysel olarak incelenmesi

    BETÜL PELİN MARADİT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü

    DR. THOMAS LÜBBEN

    PROF. DR. C. HAKAN GÜR

Geri Dön