Sunumlarda İzlenmesi Gereken Esaslariha.tubitak.gov.tr/assets/2018_iha_egitim_ilker_yilmaz.pdfKanat...
Transcript of Sunumlarda İzlenmesi Gereken Esaslariha.tubitak.gov.tr/assets/2018_iha_egitim_ilker_yilmaz.pdfKanat...
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 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
Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (Xfoil programı Örnek Uygulaması)
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.
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.
Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (Xfoil programı Örnek Uygulaması)
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.
Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (Xfoil programı Örnek Uygulaması)
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°
Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (Xfoil programı Örnek Uygulaması)
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.
Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (Xfoil programı Örnek Uygulaması)
21
NACA0012 profili için 0°-10° hücum açılarında 2° aralıklarla Cl/Cd, Cm-hücum
açısı değişimi ve yüzeyden ayrılmalar (Xtr/c) görülmektedir.
Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (Xfoil programı Örnek Uygulaması)
22
NACA0012 profili, 10° hücum açısında cp-x grafiği ve kanat profilinin alt ve üst yüzeylerinde
akımın izlenmesi.
Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (Xfoil programı Örnek Uygulaması)
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.
Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (Xfoil programı Örnek Uygulaması)
24
NACA0012 profili, 10° hücum açısında sınır tabaka kalınlığının kanat boyunca gösterimi.
Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (Xfoil programı Örnek Uygulaması)
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.
Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (Xfoil programı Örnek Uygulaması)
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.
Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (Xfoil programı Örnek Uygulaması)
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.
Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (Xfoil programı Örnek Uygulaması)
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
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.
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.
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.
Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (XFLR5 programı Örnek Uygulaması)
35
File sekmesinde Save Project As seçilerek profile ait
data dosyalarının nereye kaydedileceği seçilir.
Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (XFLR5 programı Örnek Uygulaması)
36
Analysis sekmesinde Define an Analysis seçilerek Reynolds ve Mach değerleri gibi giriş
değerleri seçilir.
Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (XFLR5 programı Örnek Uygulaması)
37
Program üzerindeki Direct foil Analysis panelinden hücum açısının başlangıç, bitiş değerleri
gibi parametreler seçilirek Analyze tuşuna basılır. Analiz işlemi başlamış olur.
Kanat Profilinin Aerodinamik Analizi (XFLR5 programı Örnek Uygulaması)
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