Sunumlarda İzlenmesi Gereken Esaslariha.tubitak.gov.tr/assets/2018_iha_egitim_ilker_yilmaz.pdfKanat Profili Kanat profili veya aerofoil; kanat, pervane, dümen,yelken gibi bir akıkan

HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİNİN

(HAD)

AERODİNAMİK UYGULAMALARI

Prof. Dr. İlker YILMAZ

Nisan 2018

2018 TÜBİTAK

ULUSLARARASI İNSANSIZ HAVA

ARAÇLARI YARIŞMASI

İçindekiler

Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ve Uygulamaları

Kanat Profili Elemanları ve Aerodinamik Bilgiler

Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (Xfoil programı [1]

Örnek Uygulaması)

Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (XFLR5 programı [8]

Örnek Uygulaması)

Referanslar

2

Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiğine (HAD) Genel Bakış

Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD),

-Matematiksel modelleme (kısmi matematiksel denklemler),

-Sayısal yöntemler (ayrıklaştırma ve çözüm teknikleri),

-Yazılım araçları (çözücüler ve ön-son işlemleri)

kullanarak akışkanların hareketini niteliksel ve niceliksel olarak tahmin

etmemizi sağlar[2].

- Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD), Bilim insanları ve

mühendislerin sayısal deneyler (bilgisayar simülasyonları)

yapabilmelerini sağlayan bir sanal akış laboratuvarıdır.

3

DENEY/TEORİ/HAD Karşılaştırma

4

Fayda Eksiklik

DENEY En gerçekçi sonuçlar elde edilir. Maliyet, ölçme zorlukları, ölçekleme

problemleri, ekipman ihtiyacı

TEORİ Sadece genel bilgi verir.Basit geometri ile sınırlıdır. Genellikle

lineer problemleri açıklar.

HADKarmaşık geometrilerin akışı ayrıntılı

incelenebilir.

Kesme hataları, çözücü ve bilgisayar

maliyeti, sınır şartları

Gerçekte [3] Deney [4] HAD [5]

5

- Havacılık ve Uzay

- Otomotiv

-Tıp ve Biyomedikal

- Ev ve Mutfak Aletleri

- Isıtma, Soğutma, Havalandırma ve İklimlendirme Sistemleri

- Güç Santralleri

- Spor Ekipmanları

Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ve Uygulamaları

Kanat Profili Elemanları ve Aerodinamik Bilgiler

Kanat Profili:

- Elemanları

- Etkiyen Kuvvetler ve Momentler

- Performans Büyüklükleri

- Kanat Profili Şekilleri

6

Kanat Profili

Kanat profili veya aerofoil; kanat, pervane, dümen, yelken gibi bir akışkan içinde hareket eden

nesnelerin 2 boyutlu kesitidir. Hava, su gibi herhangi bir akışkan içinde hareket eden taşıta en

uygun taşıma/sürükleme oranını vermek için dizayn edilmiş, kıvrımlı veya düz, genellikle

damla şeklindeki kesitlerdir. Yüzey kuvvetlerinin hesabı sırasında boyut uyumu acısından bu

kesitin derinliğinin (şekilde b büyüklüğü) birim uzunlukta olduğu varsayılır[6].

7

İki boyutlu akım modeli.

Kanat Profilinin Elemanları

Ses altı hızlarda kullanılan kanat profillerinin genellikle dairesel (veya özel olarak

geliştirilmiş bir çok profilde eliptik) bir hücum kenarı vardır. Profil kalınlığı genellikle çeyrek

veter ile yarım veter arasındaki bir noktaya kadar düzgün bir şekilde artar. Kesit bu noktadan

sonra firar kenarına doğru sivrilir. Firar kenarı sivri veya bazı profillerde imalat zorluğu

nedeniyle hafifçe kut olabilir[6].

8

Kanat profili geometrisi[6].

Kanat Profiline Etkiyen Kuvvet ve Momentler

Kanat profilleri etrafında üç yönde kuvvet ve moment bileşenleri oluşur. Bu bileşenler taşıma

(L), sürükleme (D) ve yanlamasına kuvvetler (Y) ile yalpa (Mx), yunuslama (My) ve sapma

(Mz) momentleridir. Aşağıdaki şekil ’de bu bileşenler bir kanat profili üstünde ayrıntılı olarak

gösterilmiştir. Kanat profilleri performans incelemelerinde bu bileşenlerden taşıma ve

sürükleme kuvveti ile yunuslama momenti incelenmektedir.

9Kanat etrafında kuvvet ve moment bileşenleri.

Kanat Profilinin Performans Büyüklükleri

10

Kanat profilleri farklı şekil ve boyutlara sahiptir. Bunun sonucu olarak kanat profillerinin

avantaj ve dezavantajlarını değerlendirirken boyutsuz katsayılar dikkate alınmaktadır.

Taşıma, sürükleme ve yunuslama katsayıları olan boyutsuz katsayılar aşağıdaki gibi ifade

edilmektedir.

Taşıma Katsayısı: 𝐶𝐿 =2𝐿

𝜌𝑉2𝐴

Sürükleme Katsayısı: 𝐶𝐷 =2𝐷

𝜌𝑉2𝐴

Yunuslama Katsayısı: 𝐶𝑀𝑦=2𝑀𝑦

𝜌𝑉2𝐴2

L: Taşıma Kuvveti, D: Sürükleme Kuvveti,

My: Yunuslama Momenti, ρ: Yoğunluk,

V: Akım hızı, A: Planform alanı.

Kanat Profili Şekilleri

11

Selig 1223 Eppler 325

NACA 0012 RG 14

Simetrik Kamberli

Yüksek Taşımalı (İç bükey) Yansıtılmış

Kanat Profili Şekilleri [6]

12

Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (Xfoil [1] programı Örnek Uygulaması)

HAD simülasyonları yapabilmek için birçok yazılım geliştirilmiştir. Her

biri farklı çözüm metotlarına sahiptir. Burada İHA’nın kanat profilinin

aerodinamik analizini kullanım basitliği, hızlı ve güvenilir sonuçlar

vermesi nedeniyle XFOIL [1] programı kullanarak göstereceğiz.

Xfoil yazılımı kanat etrafındaki akışın analizi için potansiyel akış ve

integral sınır tabaka formülasyonunu birleştirerek kullanmaktadır. Yazılım

düşük Reynolds sayılarında kanat performansını hızlı tahmin etmek için

geliştirilmiştir. Xfoil yazılımda dış ve iç akış çözümleri arasında iterasyonla

yakınsama elde edilir. Xfoil yazılımı vizkoz basınç dağılımını, firar

kenarındaki ayrılma etkilerini ve laminer ayrılma kabarcıkları gibi etkileri

hesaplamaktadır. Geçiş hesapları için ortalama eN örtü metodununu

kullanmaktadır.

13

Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (Xfoil programı Örnek Uygulaması)

Simetrik kanat profillerinden NACA 0012 profilinin taşıma, sürükleme ve

moment katsayılarını Xfoil [1] yazılımı kullanılarak belirlenecektir. Xfoil

yazılımı 4 ve 5 haneli NACA (The National Advisory Committee for

Aeronautics) kanat profillerini koordinat bilgisine sahiptir. Fakat istenilirse

kendi tasarımımız olan kanat profillerinin nokta koordinat bilgisi LOAD

komutu ile programa yüklenebilir. Bunun için daha önceden .txt uzantılı

kanat profili dosyasının hazırlanması gerekir.

14


15

Program Ara yüzü

Program tarafından ilk açılışta gösterilen

Örnek Komutlar

Kanat profili sisteme tanıtılır.

Program ihtiva ettiği kanat

profilinin maksimum kalınlık ve

kamber değerlerini gösterir.


Xfoil Programı Arayüzü

16

Örnek Uygulama (Xfoil)

17

BEND komutu ile kanat profili hakkında daha fazla ayrıntılı bilgi istenebilir.

OPER komutu ile önceden belirtmiş

olduğumuz kanat profilini kullanacağımızı

belirtiriz.

VISC komutu ile analizlerde viskozitenin

etkilerinin dikkate alınması sağlanır.

Akış hızımız MACH komutu ile girilir.

Akışın türbülans değeri boyutsuz bir sayı

olan Reynolds sayısı ile girilir

İterasyon sayısı girilir.


18

Hücum açısı girilir ve yazılım

yakınsayana kadar iterasyon devam

eder. Elde edilen son iki değer aynı

olduğu an analiz yakınsamış olur.

Böylece diğer hücum açılarında da

iterasyonlar yapılarak kanat profilinin

taşıma, sürükleme ve yunuslama

katsayıları elde edilebilir. Bu değerler

CPWR komutu ile text formatında

çıktıları alınabilir.


NACA0012 kanat profili için 0° hücum açısında cp-x grafiği görülmektedir. Kanat profilinin alt ve üst

yüzeyinde akış kanada tutunmaktadır. Alt ve üst yüzey arasında basınç farkı olmaması nedeniyle taşıma

oluşmadığı görülmektedir. Hücum açısının artması (5 ° hücum açısında) ile taşıma katsayısı (Cd) arttığı

görülmektedir. 5 ° hücum açısında firar kenarı yakınlarında sınır tabaka ayrılmaları oluştuğu görülmektedir.

19Hücum açısı: 0° Hücum açısı: 5°


20

NACA0012 profili için 0°-10° hücum açılarında 1° aralıklarla elde edilen aerodinamik katsayılar (Cl, Cd

ve Cm) görülmektedir. Hücum açısının artması ile taşıma katsayısının (Cl) arttığı, sürükleme katsayısının

Cd) da arttığı ve yunuslama katsayısının (Cm) çok az değişiktiği görülmektedir.


21

NACA0012 profili için 0°-10° hücum açılarında 2° aralıklarla Cl/Cd, Cm-hücum

açısı değişimi ve yüzeyden ayrılmalar (Xtr/c) görülmektedir.


22

NACA0012 profili, 10° hücum açısında cp-x grafiği ve kanat profilinin alt ve üst yüzeylerinde

akımın izlenmesi.


23

NACA0012 profili için 0°-20° hücum açılarında 1° aralıklarla elde edilen aerodinamik katsayılar

görülmektedir. 18° hücum açısında (tutunma kaybı başlaması ile) taşıma katsayısının azaldığı, sürükleme

katsayısının daha fazla arttığı anlaşılmaktadır.


24

NACA0012 profili, 10° hücum açısında sınır tabaka kalınlığının kanat boyunca gösterimi.


XFoil analizi ve deneyler[7] ile elde edilen taşıma katsayısının mukayese edilmesi.

25

Tutunma kaybı (stol)

Hücum açısının artması ile taşıma katsayısının tutunma kaybı (stol) oluşana kadar arttığı görülmektedir. 15 ° hücum açısına

kadar xfoil sonuçları deneylerle uyumludur. Bu hucüm açısından sonra tutunma kaybı (stol) oluştuğu için deneylerle

uyumsuzluk göstermektedir. Xfoil’de tutunma kaybı(stolu)biraz daha yüksek hücum açılarında meydana gelmektedir.


26

XFoil analizi ve deneyler [7] ile elde edilen sürükleme (yada direnç) katsayısının mukayese edilmesi.

Xfoil analizi ve deneylerde hücum açısı ile taşıma katsayısının değişiminin uyumlu olduğu görülmektedir. Hücum açısının artması ile sürükleme katsayısı da artış göstermektedir. Tutunma kaybının (stol) başlaması ile sürükleme katsayısında artış çok daha fazla olmaktadır.


27

NACA2415 profili, 0°-20° hücum açılarında 1° aralıklarla elde edilen aerodinamikkatsayılar görülmektedir. 16° hücum açısında tutunma kaybının (stol) başladığı, taşımakatsayısının (Cd) hızla arttığı ve sürükleme katsayısının (Cl) ise azaldığı görülmektedir.Yunuslama katsayısının (Cm) ise; negatif yönde arttığı görülmektedir.


28

NACA2415 profili, 0°-20° hücum açılarında 1° aralıklarla elde edilen aerodinamikkatsayılar. 18°’de tutunma kaybı (stol) başlıyor, taşıma katsayısı (Cd) hızla artıyor,sürükleme katsayısı (Cl) azalıyor.

Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (XFLR5 [8] programı

Örnek Uygulaması)

29

XFLR5 yazılımı XFOIL [1] yazılım kabiliyetini kullanmaktadır. Ayrıca, XFLR5 yazılımı girdap

kafes yöntemi, taşıyıcı çizgi teorisi ve panel metoduna dayanan kanat tasarım ve analiz

kabiliyetine sahiptir.

Eppler 399 (E399-il) kanat profilinin taşıma, sürükleme ve moment katsayılarını XFLR5 [8]

yazılımı kullanılarak belirlenecektir. Yazılımda

Xfoil yazılımı 4 ve 5 haneli NACA (The National Advisory Committee for Aeronautics) kanat

profillerini koordinat bilgisine sahiptir. Fakat istenilirse kendi tasarımımız olan kanat

profillerinin nokta koordinat bilgisi LOAD komutu ile programa yüklenebilir. Bunun için daha

önceden .txt uzantılı kanat profili dosyasının hazırlanması gerekir.

Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (XFLR5 [8] programı

Örnek Uygulaması)

XFLR5 [8] yazılımını http://www.xflr5.com web adresinden temin edilebilir.

Yazılım halk kullanımına açık ve lisans gerektirmemektedir.

30

http://www.xflr5.com/

Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (XFLR5 programı

Örnek Uygulaması)

31

XFLR5 [8] yazılımını http://www.xflr5.com web adresinden temin edilebilir. Yazılım halk

kullanımına açık ve lisans gerektirmemektedir. Yazılım çalıştırıldığından ilk olarak File

sekmesinden Xfoil Direct Analysis Seçilir.

http://www.xflr5.com/

Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (XFLR5 programı

Örnek Uygulaması)

32

Daha sonra File sekmesinde Open seçilerek profile ait dosya açılır

(desteklenen dosya türleri *.dat, *.plr, *.wpa ve *.xfl’dir.)

Analizi yapılacak kanat profili geometrisine http://m-selig.ae.illinois.edu/

ads/coord_database.html adresinden ulaşılabilir. Bu web adresinde

binlerce airfoil şeklinin geometri dat dosyasına ulaşılabilir. Ulaşım genel

halk kullanımına açıktır.

http://m-selig.ae.illinois.edu/ads/coord_database.html

Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (XFLR5 programı Örnek

Uygulaması)

33

Design sekmesinde Refine Globally seçilir.

Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (XFLR5 programı Örnek Uygulaması)

34

Açılan sekmede;

• Panel sayısı

• Panel demet parametreleri

• Hücum ve firar kenarı panel

yoğunluk oranı

gibi ayarlar yapmak mümkündür.

Değişiklikler yapıldıktan sonra

apply ve OK tuşuna sonra overwrite

tuşuna basılarak kaydedilir.


35

File sekmesinde Save Project As seçilerek profile ait

data dosyalarının nereye kaydedileceği seçilir.


36

Analysis sekmesinde Define an Analysis seçilerek Reynolds ve Mach değerleri gibi giriş

değerleri seçilir.


37

Program üzerindeki Direct foil Analysis panelinden hücum açısının başlangıç, bitiş değerleri

gibi parametreler seçilirek Analyze tuşuna basılır. Analiz işlemi başlamış olur.


38

View sekmesinde Polar view seçilerek hücum açısına bağlı olarak analiz sonucunda

elde edilen Cl , Cm, Cl/Cd gibi grafiklere ulaşılabilir. Grafiklerin üzerine işaretlenerek

eksenlerde başlangıç, bitiş değerleri ve ne kadar sıklıkla

Referanslar[1] M. Drela, XFOIL – an analysis and design system for low Reynolds number airfoils, in: T.J. Mueller

(Ed.), Low Reynolds Number Aerodynamics, SpringerVerlag, Berlin, 1989, pp. 1–12.

[2] Dmitri Kuzmin, Introduction to Computational Fluid Dynamics, Lecture Notes, Institute of Applied

Mathematics, University of Dortmund.

[3] Alexander Selkirk Island in the southern Pacific Ocean.

[4] Basic, Josip. (2016). Turbulent history of fluid mechanics.

[5] A Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation of the Von Karman vortex street behind a hot

cylinder. (Reynolds number Re = 250. Codes used: Gmsh, dolfyn, and VisIt.)

[6] Yükselen, M.A., UCK 351 Aerodinamik Ders Notları, Erişim tarihi: 05.03.2018.

(http://web.itu.edu.tr/yukselen/Uck351/05-%20Kanat%20profillerinin%20aerodinami%F0i.pdf)

[7] Abbott, I.H., Von Doenhoff, A.E., Theory of wing sections (Including a Summary of Airfoil Data), Dover

Publications, Inc, Newyork, 1959. Erişim tarihi: 05.03.2018.

(https://aeroknowledge77.files.wordpress.com/2011/09/58986488-theory-of-wing-sections-including-a-

summary-of-airfoil-data.pdf

[8] http://www.xflr5.com/xflr5.htm

[9] http://m-selig.ae.illinois.edu/ads/coord_database.html sitesinden binlerce airfoil tipinin dat dosyasına ulaşılabilir.

39

http://web.itu.edu.tr/yukselen/Uck351/05- Kanat profillerinin aerodinami%F0i.pdf

https://aeroknowledge77.files.wordpress.com/2011/09/58986488-theory-of-wing-sections-including-a-summary-of-airfoil-data.pdf

http://www.xflr5.com/xflr5.htm

http://m-selig.ae.illinois.edu/ads/coord_database.html

40

Documents

Sunumlarda İzlenmesi Gereken Esaslariha.tubitak.gov.tr/assets/2018_iha_egitim_ilker_yilmaz.pdfKanat Profili Kanat profili veya aerofoil; kanat, pervane, dümen,yelken gibi bir akıkan