Geri Dön

Multi-objective optimization of airfoil geometry for aerodynamic efficiency and noise reduction using bezier parametrization

Bezıer parametrizasyonu kullanarak aerodinamik verimlilik ve gürültü azaltma için kanat geometrisinin çok amaçlı optimizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 985725
  2. Yazar: ALİ İHSAN İŞGÜDER
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MELİKE NİKBAY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık ve Uzay 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: Hesaplamalı Bilim ve Mühendislik Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
  12. Bilim Dalı: Hesaplamalı Bilim ve Mühendislik Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Havacılık, rüzgâr enerjisi, insansız hava araçları (İHA'lar) ve döner kanatlı sistemler gibi aerodinamiğe dayalı mühendislik alanlarında, yüksek taşıma kuvveti üretirken düşük sürükleme seviyelerini korumak temel tasarım hedeflerinden biridir. Ancak modern uygulamalarda yalnızca aerodinamik verimlilik yeterli değildir; düşük gürültü üretimi de giderek daha kritik bir gereklilik haline gelmiştir. Özellikle kentsel bölgelerde kullanılan mikro hava araçları (MAV'lar), çok rotorlu İHA sistemleri, kompakt pervaneler ve yenilenebilir enerji uygulamalarında çalışan küçük rüzgâr türbinleri, çevresel gürültü kısıtları nedeniyle aeroakustik performansa büyük ölçüde bağımlıdır. Bu nedenle, aerodinamik ve aeroakustik performansın eşzamanlı iyileştirilmesi modern mühendisliğin önemli ve çok disiplinli araştırma alanlarından birini oluşturmaktadır. Bu tez çalışması, hava profil geometrilerinin aerodinamik verimlilik ve aeroakustik sessizlik açısından eş zamanlı iyileştirilebilmesine yönelik kapsamlı bir hesaplamalı optimizasyon yaklaşımı sunmaktadır. Çalışmada iki ana motivasyon bulunmaktadır: (i) çok amaçlı optimizasyon yöntemlerinin hava profili tasarımına uygulanması sırasında karşılaşılan şekil parametrelendirme sınırlamalarını aşmak; (ii) aeroakustik performansın doğru tahmin edilebilmesi için yüksek doğruluklu ses tahmin yöntemlerini, pratik hesaplama maliyetleri ile birlikte kullanılabilir hale getirmek. Bu amaç doğrultusunda tez boyunca hem düşük hem yüksek doğruluklu yöntemlerden yararlanılmış; tasarım uzayının etkin şekilde taranması, Pareto-optimal çözümlerin bulunması ve aeroakustik tahminlerin güvenilirliğinin sağlanması için çok aşamalı bir metodoloji geliştirilmiştir. Düşük doğruluklu analiz aşamasında XFOIL aerodinamik panel çözümleyicisi ve NAFNoise modeli birlikte kullanılarak hızlı bir ön değerlendirme gerçekleştirilmiştir. XFOIL, özellikle laminer-türbülans geçişi ve ayrılma kabarcıkları gibi fenomenler için belirli kısıtlar içermekle birlikte, şekil değişikliklerine verilen aerodinamik tepkiyi hızlıca tahmin etmesi bakımından oldukça etkilidir. NAFNoise modeli ise XFOIL'den elde edilen sınır tabakası büyüklükleri ve basınç gradyanlarını kullanarak geriye yönelik akustik tahmin yapar. Ancak literatürde de sıklıkla belirtildiği gibi, bu tip düşük doğruluklu araçlar yalnızca eğilim analizleri için uygundur; özellikle gürültü seviyelerinin doğru tahmini için tam anlamıyla güvenilir değildir. Bu sebeple düşük doğruluklu analizler yalnızca tasarım uzayının ilk elenmesi ve uygun aday geometrilerin seçilmesinde kullanılmıştır. Yüksek doğruluklu analiz aşamasında OpenFOAM tabanlı hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) çözümlemeleri ve libAcoustic kütüphanesi kullanılmıştır. Zaman bağımlı ayrıntılı akış çözümleri sayesinde, hava profil yüzeyi üzerindeki basınç dalgalanmaları ve hava akımının ayrılma, yeniden yapışma ve girdap oluşumu gibi karmaşık davranışları çözülebilmiştir. Aeroakustik tahminler için Curle ve FW-H benzeri yöntemler kullanılmasına rağmen, çok amaçlı optimizasyon için gerekli olan kararlı ve tekil bir akustik metrik elde etmede zorluklar yaşanmıştır. Bu nedenle tezde, yüzey basınçlarının frekans bölgesinde bütünleştirilmesine dayalı olan Surface Acoustic Power (SAP) yöntemi benimsenmiştir. SAP, gerçekçi ses tahminlerine oldukça yakın sonuçlar verebilmesine rağmen, hesaplama maliyeti FW-H yöntemine kıyasla daha düşüktür ve tekil bir sayı (OASPL benzeri) üreterek optimizasyon sürecini oldukça kolaylaştırmaktadır. Bu özellikler SAP yöntemini aeroakustik optimizasyonlar için uygun bir hedef fonksiyonu haline getirmiştir. Şekil parametrelendirmesi, hava profili tasarımında büyük önem taşır çünkü kullanılan yöntemin esnekliği, elde edilebilecek potansiyel geometriler üzerinde doğrudan belirleyicidir. NACA dört ve beş basamaklı profiller gibi klasik yöntemler analitik olarak kolay uygulanabilmesine karşın, modern optimizasyon senaryolarında ihtiyaç duyulan yüksek şekil esnekliğini sağlayamazlar. Bu nedenle tezde Bézier eğrileri tabanlı parametrik model tercih edilmiştir. Bézier eğrileri, sınırlı sayıda kontrol noktası ile yüksek geometrik özgürlük sağlayarak hem aerodinamik hem akustik performans üzerinde duyarlı değişiklikler yapılmasına olanak tanır. Ayrıca kontrol noktalarının düzenli bir yapıda olması, tasarım uzayının düzgün biçimde tanımlanmasını sağlar. Tezde hem üst hem alt yüzeylerin ayrı Bézier eğrileri ile tanımlandığı sekiz kontrol noktalı bir model kullanılmış ve bu modelin optimizasyon sürecinde kararlılık açısından son derece avantajlı olduğu görülmüştür. Bu parametrik yapı üzerine kurulan optimizasyon yaklaşımı, iki aşamalı bir tasarım keşif süreci içermektedir. İlk aşamada Sobol düşük çakışmalı dizileri kullanılarak tasarım uzayı homojen bir biçimde örneklenmiş ve düşük doğruluklu araçlarla ilk değerlendirmeler yapılmıştır. Sobol dizileri, yüksek boyutlu uzaylarda düzenli örnekleme sağlayarak rastgele örneklemeye kıyasla daha dengeli bir dağılım elde edilmesine olanak tanır. İkinci aşamada ise NSGA-II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II) kullanılarak çok amaçlı optimizasyon gerçekleştirilmiştir. NSGA-II'nin Pareto ön cephelerini düzenli bir şekilde oluşturabilme yeteneği ve popülasyon çeşitliliğini koruyan kalabalıklaştırma (crowding-distance) stratejisi, aeroakustik-aerodinamik optimizasyon gibi çatışan amaç fonksiyonlarının var olduğu problemler için önemli avantajlar sunmaktadır. Bu aşamada kullanılan amaç fonksiyonları; taşıma-sürükleme oranının C_l/C_d en büyüklenmesi ve SAP tabanlı akustik gücün en küçüklenmesidir. Yapılan analizler sonucunda, yüksek taşıma-sürükleme oranı sağlayan profillerin genellikle daha yüksek aeroakustik seviyelere sahip olduğu, buna karşın SAP değerleri düşük profillerin aerodinamik verimlilikten bir miktar ödün verdiği gözlemlenmiştir. Bu durum literatürle uyumlu olup aerodinamik baskın tasarımlarda eğrilik ve kalınlık dağılımının akış ayrılmasını geciktirmesiyle yüksek taşıma üretirken; bu tür geometrilerin yüksek hız gradyanlarıyla beraber daha fazla yüzey basınç dalgalanması oluşturduğu bilinmektedir. Optimizasyonun ürettiği Pareto çözümleri incelendiğinde, orta seviye hücum açılarında çalışan profillerin hem kabul edilebilir aerodinamik verimlilik hem de düşük akustik güç üretimi açısından en dengeli performansı sunduğu görülmüştür. Tez kapsamında ayrıca SAP yönteminin doğrulanması amacıyla NACA0015 profilinin belirli bir Reynolds sayısındaki akustik ölçümleri yeniden modellenmiş ve elde edilen SAP değerleri deneysel OASPL seviyeleriyle karşılaştırılmıştır. Deneysel sonuçlara göre belirli frekans bölgelerinde farklar gözlemlense de SAP yönteminin genel eğilimi doğru bir şekilde yakaladığı belirlenmiştir. Bu doğrulama çalışması, SAP tabanlı akustik modelin optimizasyon sürecinde güvenle bir amaç fonksiyonu olarak kullanılabileceğini göstermektedir. Sonuç olarak, bu tez çalışması aerodinamik ve aeroakustik performansın eş zamanlı değerlendirilmesini ve iyileştirilmesini sağlayan bütünleşik bir hesaplamalı tasarım çerçevesi sunmaktadır. Bézier eğrisi tabanlı şekil parametrik modeli, Sobol dizileriyle etkin tasarım uzayı taraması, NSGA-II ile çok amaçlı optimizasyon ve SAP yöntemiyle yüksek doğruluklu akustik değerlendirme birlikte kullanılarak modern hava profili tasarımlarında ihtiyaç duyulan çok disiplinli yaklaşım başarıyla uygulanmıştır. Çalışma sonucunda elde edilen Pareto-optimal profiller, özellikle gürültü kısıtı bulunan düşük Reynolds sayılı uygulamalar için önemli tasarım ipuçları sunmakta ve gelecekte hem insansız hava aracı sistemlerinde hem de yenilenebilir enerji bileşenlerinde kullanılabilecek potansiyel tasarımlar ortaya koymaktadır. Bu yönüyle tez çalışması, aerodinamik ve aeroakustik optimizasyonun bir arada ele alındığı kapsamlı yaklaşımlara katkı sunmakta ve gelecekte yapılacak yüksek doğruluklu deneysel veya nümerik çalışmalar için güçlü bir temel oluşturmaktadır.

Özet (Çeviri)

This thesis addresses the growing need for airfoils that combine strong aerodynamic performance with reduced acoustic emissions—an increasingly critical requirement in applications such as UAVs, wind turbines, and urban air mobility. Traditional optimisation methods often focus exclusively on lift and drag, neglecting the implications of noise generation. To fill this gap, a multi-objective optimisation framework is developed that simultaneously targets aerodynamic efficiency and low-noise operation. The NACA0015 airfoil is adopted as the baseline reference, and Bézier curves are employed for geometry parametrisation, offering smooth shape manipulation with a manageable number of design parameters. The optimisation process follows a two-stage strategy. First, Sobol low-discrepancy sequences are used to explore the high-dimensional design space and capture global parameter trends. Subsequently, the NSGA-II genetic algorithm is applied to refine candidate designs under multiple objectives. While the initial acoustic evaluations relied on far-field Sound Pressure Level (SPL) predictions using the NAFNoise solver, these results were found to be inconsistent and could not be validated against experimental benchmarks. To overcome this limitation, a new parameter—Sound Averaged Parameter (SAP)—was introduced as a statistically robust and numerically stable aeroacoustic objective. SAP cannot be measured directly in experiments, but its definition derives from the SPL spectrum, allowing indirect benchmarking through experimental SPL data of the NACA0015 airfoil. This provided confidence in SAP as a relative acoustic metric suitable for optimisation. The final optimisation framework combined four objectives—maximising lift, minimising drag, improving lift-to-drag ratio, and minimising SAP—while enforcing additional stability-based constraints to filter out oscillatory and statistically unreliable designs. Across NSGA-II and Dakota optimisation runs, over 600 candidate designs were evaluated, of which a subset met both aerodynamic and acoustic criteria in a stable manner. Results demonstrate that the SAP-based optimisation successfully identified Pareto-optimal designs that balance aerodynamic efficiency with reduced acoustic impact. Unlike the SPL-based framework, which produced misleading outcomes, the SAP-based method yielded consistent and interpretable trade-offs. These findings highlight the value of integrating robust acoustic metrics into aerodynamic design, offering an effective methodology for the early-stage development of low-noise, high-performance blades and propellers.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    945052

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

    Geometrik değişiklikler yoluyla 27 inçlik bir APC pervanenin aerodinamik performansının artırılması

    MEHMET EMİN ARSLAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SERTAÇ ÇADIRCI

  2. Tez No

    973150

    Süpersonik rüzgar tüneli tasarım ve analizleri

    Supersonic wind tunnel design and analysis

    NUR SEDA ORMAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Makine Mühendisliğiİzmir Katip Çelebi Üniversitesi

    Makine Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SERCAN ACARER

  3. Tez No

    736619

    A multi-fidelity prediction framework with convolutional neural networks using high-dimensional data

    Yüksek boyutlu veriler ile çok-doğruluklu evrişimsel sinir ağı tabanlı kestirim

    HÜSEYİN EMRE TEKASLAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MELİKE NİKBAY

  4. Tez No

    516548

    Kanal içerisinde rüzgar türbini tasarımı ve had analizi ile kanal profilinin türbin performansına etkilerinin incelenmesi

    Ducted wind turbine design and investigation of the effects of duct profile to the design with cfd analysis

    YİĞİTCAN GÜLSOY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU

  5. Tez No

    754107

    A multi-disciplinary design approach for conceptual sizing of advanced rotor blades

    Gelişmiş rotor palalarının kavramsal boyutlandırması için çok disiplinli tasarım yaklaşımı

    HASAN İBAÇOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYTAÇ ARIKOĞLU

Geri Dön