Geri Dön

Flow structures, loadıng and mıtıgatıon for a large-scale dıscrete vortex gust encounter

Büyük çaplı tekil bir girdap türü sağanak karşılaşmasında akış yapıları, kanada gelen yükler ve bu yüklerin indirgenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 989758
  2. Yazar: MURAT SARITAŞ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. NURİYE LEMAN OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Ayrık sağanak, Discrete gust
  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: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Büyük ölçekli tekil sağanaklar, hem askeri hem de sivil havacılık sektörleri için önemlidir. Operasyonel verimlilikten, güvenlik ve uçak tasarımına kadar uzanan bir etki alanına sahiptirler. Askeri havacılıkta, büyük ölçekli sağanak karşılaşmaları, helikopterler ve insansız hava araçları dahil olmak üzere hava araçlarının zorlu atmosferik koşullarda seyrettiği gözetleme, arama-kurtarma veya taktik operasyonlar gibi düşük hızda ve düşük irtifada yapılan görevler için kritik öneme sahiptir. Güncel olarak sağanak etkilerinin araştırıldığı çalışmalarda (Jones ve Çetiner, 2021; Jones vd., 2022), sağanak türleri üç ana kategoride incelenmektedir. Bir tekil sağanak, izole bir akış yapısını temsil eder. Tekil sağanak karşılaşmalarının üç türü bulunmaktadır. Serbest akıma dik doğrultulu sağanaklar, kanada dik yönlerdeki çalkantıları ele alırken, akış doğrultusundaki sağanaklar serbest akış yönündeki çalkantıları kapsar. Öte yandan, girdap türü sağanaklar, doğası gereği her iki yöndeki çalkantıları içerir. Bu sınıflandırma ve düzgün akışta eşdeğer olarak tanımlanan kanat hareketleri Jones ve Çetiner (2021) tarafından tanıtılmıştır. Akıma dik doğrultulu tekil sağanaklar için ele alınan temel hız profilleri kolaylıkla girdap sağanaklarına uyarlanabilir. Bunun için girdabın merkezinden geçen yatay hat üzerindeki akışa dik hız bileşeninin dağılımını ele almak yeterli olacaktır. Bu noktada sağanak cephesi olarak Akıma dik doğrultulu tekil sağanaklar esas olarak ele alındığında, bir tekil sağanak, şiddetini ifade eden sağanak oranı (GR = Vg /U∞), bu maksimuma ulaşma hızını belirleyen hız profili gradyen mesafesi (H) ve sağanağın etki alanını gösteren karşılaşma genişliği (We) ile tanımlanabilir. Akıma dik doğrultulu tekil sağanaklar için temel hız profilleri bulunmaktadır. Regülasyonlar“1 – cosine”fonksiyonlu hız profillerine atıfta bulunurken, viskoz olmayan teoriler keskin kenarlı sağanaklar için geliştirilmiştir (Jones vd., 2022). Bir girdabın üst iki kadranını ve akışa dik hız bileşeninin dağılımını dikkate alırsak, hız dağılımı kanada yaklaşan benzer bir sağanak cephesini temsil eder. Bu tez, 2018'de başlayan (Engin vd., 2018) tekil girdap türü sağanak karşılaşmalarına yönelik devam eden deneysel araştırmaların bir özetidir. Bu çalışmalara, sürekli girdap türü sağanak karşılaşmaları ve bunların etkisini azaltmaya yönelik incelemelerdeki zorluklar nedeni ile problem ve incelemeyi basitleştirmek, girdap türü sağanakların akış fiziğini ortaya koymak amaçlı başlanmıştır. Girdap türü tekil sağanaklar için hesaplamalı incelemelere örnek olarak Barnes ve Visbal (2017) çalışması gösterilebilir; burada kanada göre farklı akıma dik yönde başlangıç noktalarına sahip rotalarda ilerleyen, saat yönü ve saat yönünün tersinde dönen girdapların NACA0012 profiline sahip bir kanat üzerinde oluşturduğu aerodinamik kuvvetler incelenmiştir. Bu çalışmada girdaplar için Taylor modeli kullanılmış, girdap boyutu ve şiddeti belirlenmiştir. Deneysel incelemeler için, girdap üretimi ve karakterizasyonu, rotor aerodinamiği çalışmalarındaki pala – girdap etkileşimi incelemesine yönelik gerçekleştirilmiş olan Peng ve Gregory (2015) çalışması örnek olarak gösterilebilir. Bu incelemede, ses altı bir rüzgâr tünelinde niceliksel akım görüntüleme kullanılarak tekil bir girdap ile NACA0012 profiline sahip bir kanadın etkileşimi ele alınmıştır. İki farklı serbest akım hızı kullanarak Reynolds sayısının etkisini ortaya koymuşlar ve girdap rotası başlangıcı için üç farklı konum kullanarak girdap etkileşimini kategorize etmişlerdir. Bu tez kapsamındaki deneyler, İstanbul Teknik Üniversitesi Uçak ve Uzay Fakültesi Trisonik Laboratuvarında bulunan serbest yüzeye sahip su kanalında gerçekleştirilmiştir. Çalışmalarda, serbest akış hızı 0,1 m/s olarak sabit tutulmuştur. Bu Reynolds sayısı (Re) 10.000'e karşılık gelmektedir. Test modeli olarak açıklık oranı, AR = 4, olan düz bir plaka kullanılmıştır. Girdap türü sağanak, kanat modeline göre yukarı akış yönünde yer alan bir sağanak üreteci ile oluşturulmaktadır. Sağanak üreteci de AR = 8 açıklık oranına sahip kenarları 45° sivriltilmiş düz bir plakadır. Girdap türü sağanak plakanın saat yönünde yarım dönüşü ile oluşturulmuştur. Çalışmanın temel parametreleri, sağanak üretecinin yarım tur dönüş süresi (T) ve sağanak üreteci ile kanat arasındaki serbest akışa göre düşey mesafe (∆y) olarak belirlenmiştir. yarım tur dönüş süresi (T), sağanağın ilerleme hızını etkilerken, sağanak üreteci ile kanat arasındaki serbest akışa göre düşey mesafe (∆y) üretilen negatif girdap sağanağının yörüngesini kontrol etmektedir. Üç farklı yarım tur dönüş hızı ve serbest akışa göre düşey mesafe değeri ele alınmıştır. T = 4 s ve ∆y = −36 mm, temel inceleme durumunu oluşturmaktadır. ∆y = −36 mm olduğunda sağanak üretecinden yaklaşık 135°'de kopan girdap kanat veteri ile yaklaşık aynı çizgide ilerlemektedir. Temel inceleme durumunun yanısıra T için 3 s ve 6 s değerleri ele alınmış, ∆y = −111 mm kullanılarak tekil girdap rotasının kanadın altına yönlendiği durum incelenmiştir. Tekil girdap yörüngesi açısından ∆y = −36 mm, h/c = 0 durumunu temsil etmektedir. ∆y = −111 mm ise h/c = −0.75 durumuna tekabül etmektedir. Orijinal olarak h/c = 0.75 durumu da incelenmiştir. Ancak bu durumda girdap üretecinin başında kopan pozitif girdap kanadın alt yüzeyine çok yakın ilerlemektedir. Dolayısıyla bu inceleme artık tekil negative girdap sağanağı olarak değerlendirilememektedir. Sayısal çalışmalar ile en büyük fark burada ortaya çıkmaktadır. Zira deneysel olarak eşleniği olmadan bir girdap üretmek oldukça zordur. Öte yandan temel durumun çeşitli vesilelerle sayısal simülasyonları deney düzeneği modellenerek yapıldığı ve büyük bir uyum yakalandığı belirtilmelidir. Niceliksel akış alanı görüntüleri, 2D-DPIV (2D Dijital Parçacık Görüntülemeli Hız Ölçer) sistemi kullanılarak elde edilmiştir. Ayrıca eş zamanlı kuvvet/tork ölçümleri de alınmıştır. Hem görüntüler hem kuvvet/tork verileri 5 set olarak elde edilmekte, daha sonra ortalama alınarak sunulmaktadır. Sağanak karakterizasyonunda aynı zamanda her bir veri seti ayrı ayrı da ele alınarak değerlendirmeler yapılmıştır. Bir girdap sağanak karakterizasyon algoritması geliştirilmiştir. Bu algoritma tekil girdap merkezini bulur, girdap yörüngesini ve dolayısıyla girdap sağanağın ilerleme hızını hesaplar; ayrıca matematiksel girdap modelleri kullanarak girdap boyutunu ve şiddetini belirler. Karakterizasyon sonucunda sağanak oranı ve sağanak karşılaşma genişliği belirlenebilmektedir. İncelenen tekil girdap, Lamb-Oseen girdabı olarak tanımlanmıştır. Temel durumun sağanak oranı yaklaşık 1, karşılaşma genişliği ise yaklaşık olarak veter uzunluğunun (c) %40'ı olarak hesaplanmıştır. Girdap türü sağanağın yayılma hızı ise, sağanak üretecinin dönüş hızı ve üreteç ile kanat arasındaki düşey mesafeden bağımsız olarak serbest akış hızının yaklaşık yarısına eşit bulunmuştur. Sonuçlara da değinilecek olursa, sağanak üretecinin dönüş hızı, girdap türü sağanağın boyutunu veya gücünü kontrol etmemektedir; yalnızca girdabın ilerleme hızını etkilemektedir. Bu durum, askeri standartlarda ve sertifikasyon gerekliliklerinde kullanılan ve akışa dik yönlü sağanakların için tanımlanan hız profili gradyen mesafesi ile eşdeğerdir. Ayrıca, girdap türü sağanağın indüklediği etkili hücum açısı ile taşıma katsayısı arasındaki ilişkiyi değerlendirmek için bir MatLab kodu da geliştirilmiştir. İndüklenen hücum açısı değerleri ile taşıma katsayısı değişimleri arasında bir faz farkı görülmektedir. Bu fark, indüklenen ya da bir başka değişle kanada etki eden hücum açısının, akış kanat modeline ulaşmadan önce, kanadın hücum kenarının önünde belirlenen bir bölgede hesaplanmasından kaynaklanmaktadır. Etkinin bir süre sonra görüleceği düşünülerek indüklenen hücum açısı değişimi zamanda kaydırma yapılarak ele alınabilir. Bu girdabın ilerleme hızı bilgisi kullanılarak yapıldığında, tüm ele alınan durumlar için, indüklenen hücum açısının değişiminin taşıma katsayısının zaman içerisindeki değişimi ile yüksek derecede uyumlu olduğu görülmüştür. İndüklenen hücum açısı ölçümleri, taşıma katsayısı değişimlerini önden bildirmekte ve nasıl olacağını belirlemektedir. Bu nedenle asğanak etkilerinin azaltılması için büyük bir potansiyele sahiptir. Pitot statik tüpleri ile ölçümün havacılıkta yaygın olması nedeni ile su ortamında gerçek zamanlı hücum açısı ölçümleri zordur. Bu göz önüne alındığında, indüklenen hücum açısının sağanak azaltılması için kullanımının uygunluğunu göstermek amacıyla çeşitli deneyler gerçekleştirilmiştir. Kuvvet verileri, sanal kamburluk ve zahiri kütle etkilerini dikkate alan bir diferansiyel denklem yardımıyla yeniden değerlendirilmiş ve girdap türü sağanağın etkilerini azaltmaya yönelik bir kullanılacak kanatçığın hareket profilini oluşturmak için kullanılmıştır. Bu tezin kapsamı içinde ele alınmamış olsa da, kanat profilinin etkisi, tekil girdap türü sağanaklarla sürekli girdap türü sağanakların bağlantısı, özellikle temel durumun incelendiği sayısal simülasyonlar, ayrılmayı ve sürükleme katsayısını tahmin etmek için kullanılan LESP (hücum kenarı emme parametresi) yaklaşımı ve nihayetinde üç boyutluluk konuları da yıllar boyunca ele alınmıştır. Temel durum, her yeni deneysel kampanyada tekrarlanmış ve özellikle kuvvet ölçümleri, insan veya ölçüm aleti kaynaklı hataların en iyi göstergesi olduğu için kontrol amaçlı kullanılmıştır. Büyük ölçekli tekil girdap sağanakları üzerine yapılan bu çalışma, yaklaşık 7 yıl gibi oldukça uzun bir süre boyunca gerçekleştirilen birçok deneye dayandığından, kayda değer bir deneyim birikimi de sağlamıştır. Bu bağlamda, genellikle iyi bir deneycinin titiz olduğu küçük ayrıntılar veya farklılıkların çok önemli olmadığı görülmüştür. Örneğin büyük çaplı ayrılmalar gerçekleştiği için kanat profilinin büyük bir etkisi bulunmamakta, girdap üreteci firar kenarı ile kanat modeli hücum kenarı arasındaki 1−2 mm'lik fark kuvvet ölçümlerinde duyarga hassasiyet mertebesini aşacak farklılıklar oluşturmamaktadır. İlgili akademik ve askeri araştırma konularındaki yeni eğilim, nominal olarak iki boyutlu sağanakların ok açılı veya delta/lambda kanatlarla karşılaşmasının bir inceleme örneği oluşturduğu, üç boyutlu düzensiz akışların fiziğini keşfetme yönünde yapılacak araştırmalar yönünde ilerliyor gibi görünmektedir.

Özet (Çeviri)

Large-scale gusts have significant implications for both military and civil aviation sectors, with their effects extending from operational efficiency to safety and aircraft design. In military aviation, large gust encounters are critical for low-speed, low-altitude missions such as surveillance, search-and-rescue, or tactical operations, where aircraft, including helicopters and drones, must navigate in adverse atmospheric conditions. This thesis is a synopsis of the ongoing experimental investigations on the discrete vortex gust encounters started in 2018 (Engin et al., 2018) aiming to simplify the problem of the mitigation of continuous vortex gust encounters and to gain insight on the flow physics of vortex gusts. Experiments were conducted in the free-surface water channel of the ITU Faculty of Aeronautics and Astronautics Trisonic Laboratories. The freestream velocity used throughout the investigations is kept constant to be 0.1 m/s which corresponds to the Reynolds number (Re) of 10,000. A flat plate of aspect ratio, AR = 4, is used as a test model. A vortex gust was created by clockwise half-rotation of an upstream gust generator plate. The major parameters of the study are the duration of the half rotation (T) of the gust generator plate and the transverse distance (∆y) with respect to the free-stream between the gust generator and the wing. The former affects the propagation speed of the gust and the latter controls the trajectory of the generated negative vortex gust. Three values for the half rotation speed and two transverse distances are considered. T = 4 s and ∆y = −36 mm constitutes the base case. Quantitative flow field images are obtained using a 2D-DPIV (2D Digital Particle Image Velocimetry) system in conjunction with simultaneous force/torque measurements. A vortex gust characterization algorithm is developed; it detects the vortex core, outputs the vortex trajectory, consequently the vortex gust propagation speed; and using vortex models it also determines the vortex size and strength. Therefore, the characterization yields the gust ratio and the gust encounter width. The vortex is found to be characterized as a Lamb-Oseen vortex. The gust ratio of the base case is approximately equal to 1 and the encounter width approximately 0.4 chord (c). The vortex gust propagation speed is also determined in average to be equal to half of the freestream irrespective of gust generator rotation speed and the transverse distance between the gust generator and the model. The gust generator rotation speed does not actually control neither the size nor the strength of the vortex gust. It only affects the propagation speed of the vortex. This is actually equivalent to the velocity profile gradient distance of the transverse gusts which is used in the civilian requirements for certification or in the military standards. A MatLab code is also developed to assess the correlation between the effective angle of attack and the lift coefficient variation. There exists a phase difference in time between the effective angle of attack results and the lift coefficient variation. This difference arises because the effective angle of attack is calculated at a pre-determined area located in front of the leading edge of the wing, before the flow reaches the wing model. The shifted effective angle of attack variation with the lift coefficient time traces shows a highly correlated match for all cases. The effective angle of attack measurements has a high potential to be used in gust mitigation as the effective angle of attack variation leads and dictates the lift variation. Since it is challenging to perform real-time angle of attack measurements in water, several experiments were conducted to show the applicability of the effective angle of attack for gust mitigation. Force data was used to generate a flap detection profile to mitigate the effects of the gust which takes the virtual camber and added mass effects into account with an ordinary differential equation. This thesis is a synopsis of the ongoing research on the discrete vortex gust encounters started in 2018 (Engin et al., 2018) aiming to simplify the problem of the mitigation of continuous vortex gust encounters and to gain insight on the flow physics of vortex gusts.

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

    Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURİYE LEMAN OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM

    DR. ÖĞR. ÜYESİ CEM KOLBAKIR

  2. Tez No

    713481

    Seismic response and prevention of liquefactionfailure of sands partially saturated throughintroduction of gas bubbles

    Gaz girişi ile iyileştirilmiş kısmi doygun kumların sismik davranışı ve sıvılaşmasının engellenmesi

    ESRA ECE ESELLER BAYAT

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2009

    İnşaat MühendisliğiNortheastern Unıversıty

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MISHAC K. YEGIAN

  3. Tez No

    967809

    Hydrodynamic and thermal variability of the turkish strait system

    Türk boğazlar sistemi'nin hidrodinamik ve termal değişkenliği

    ŞEHRİBAN ŞEN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TARKAN ERDİK

  4. Tez No

    887826

    Yazılım sektöründe yetenek yönetimi için uzman sistem geliştirme

    An expert system for talent management in the software industry

    EMİNE KURUOĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA ERSEL KAMAŞAK

  5. Tez No

    905258

    Lityum iyon piller için yazdırılabilir NMC katot mürekkeplerinin sentezi

    Synthesis of printable NMC cathodes for lithium ion batteries

    FATMA SENA TUNCA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    EnerjiSakarya Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MAHMUD TOKUR

Geri Dön