ÇIRPAN KANAT AERODİNAMİĞİNDE GİRDAPLARIN DENEYSEL VE SAYISAL OLARAK BELİRLENMESİ

Transkript

1 ÇIRPAN KANAT AERODİNAMİĞİNDE GİRDAPLARIN DENEYSEL VE SAYISAL OLARAK BELİRLENMESİ Dilek Funda Kurtuluş 1,2 Laurent David 2 e-posta: dfunda@ae.metu.edu.tr Laurent.David@univ-poitiers.fr Alain Farcy 2 Nafiz Alemdaroğlu 1 farcy@ensma.fr nafiz@metu.edu.tr 1 ODTÜ, Mühendislik Fakültesi, Havacılık ve Uzay Müh. Bölümü, ANKARA 2 ENSMA/Université de Poitiers, Laboratoire d Etude d Aérodynamique (CNRS UMR6609) Poitiers FRANSA ÖZET Mikro Hava Araçları nın geliştirilmesine yönelik olarak havada asılı durumda çırpan kanat hareketinin aerodinamiği incelenmiştir. Bu çalışmadaki amaç, kanat hareketi ile oluşan girdap dinamiğinin direkt sayısal simülasyon ve deneysel analizlerle karakterize edilmesidir. Simetrik bir kanat kesiti kullanılmıştır. Akım sıkıştırılamaz ve laminer kabul edilmiş ve Reynolds sayısı 1000 alınmıştır. Akımın analizi için deneysel yöntemlerden lazer tabakası kullanılarak akımın görüntülemesi yapılmış. Simetrik şekilde havada asılı durma bir çok böcek türünde ve özellikle arıböceği (hummingbird) kuşlarında gözlenmektedir. Bu uçuş esnasında kanatlar tüm kanat çırpma periyodu süresince formunu koruyarak hareket etmektedirler ve aşağı-yukarı çırpma hareketi bir periyod boyunca simetrik olarak gerçekleşmektedir. I. GİRİŞ Kara, deniz, hava ve uzayda, yüksek yaşamsal tehlike içeren görevlerde insanın yerini alması veya maliyetlerin düşürülmesi amacıyla; insansız (uzaktan kumandalı veya otonom) araçlar teknoloji dünyasında önemli bir konuma gelmeye başlamıştır. Mikro hava araçları, insansız hava araçlarının 15cm den küçük modellerine verilen isimdir. Boyut küçüldüğünden sabit kanatlarda kanat alanı ile doğru orantılı olan taşıma kuvveti yetersiz kalmış ve bu nedenle farklı taşıma kuvveti yaratma teknikleri incelenmeye başlanmıştır. Çırpan kanat aerodinamiği ve itkisi, günümüzde birçok araştırmacının alternatif bir Mikro Hava Aracı itki sistemi olarak ilgisini çekmektedir. Çırpan kanat sisteminin en başta gelen grubunu oluşturan kuşlar, zamana bağlı aerodinamik, değişken geometri, düzensiz dağılımlı gözenekli esnek yüzey yapı ve hızla çevresel şartlara adapte olabilen biolojik sistem unsurlarını bir araya getirerek mükemmel bir uçuş performansı gerçekleştirmektedirler. Bu karmaşık sistemin tam bir benzetimi zordur. Mikro Hava Araçlarının bulundukları konumu hiç değiştirmeden uçuş ve gözetleme yapabilmesini sağlayan havada asılı kalma uçuş modu, çırpan kanat aerodinamiğinde incelenmesi en zor olan uçuş hallerinden biridir. Havada asılı kalma durumundaki araç, sabit bir konumdadır ve serbest akış hızı sıfır alınır. Akışkan hareketleri sadece kanat hareketinden dolayı yaratılmaktadır. Havada asılı kalma hareketinin ana amacı, aracın ağırlığını dengeleyecek düşey bir kuvvet yaratmaktır. Bir kuşun, havada asılı konumda uçuş yapabilme kapasitesinin olup olamayacağı, kuşun boyutuna, kanatların eylemsizlik momentine, kanat hareketlerinin serbestlik derecesine ve kanat şekline bağlıdır. Bu sınırlamalardan dolayı havada asılı konumda kalabilen tür sayısı çok azdır. Daha çok küçük böcek türleri (Drosophila gibi) ve arıkuşu (hummingbird) gibi küçük kuşlar havada asılı kalabilmektedir [1],[2],[3]. DGR- ONERA yarışması bir çok mikro hava aracı kavramının ana hatlarıyla tartışılması için iyi bir platform teşkil etmektedir. Tablo 1 deki kavramların bir çoğu şu anda gelişme ve dizayn aşamasındadır. Havada asılı durumdaki çırpan bir kanat hareketinde, aşağı vuruş hareketi sonunda bir girdap oluşmaktadır. Aynı şekilde yukarı vuruş hareketi başlangıcında da yeni bir başlangıç girdabı (starting vortex) yaratılmaktadır. Kanat çırpma hareketi boyunca oluşturulan bu girdaplar taşıma kuvvetini ortaya çıkarmaktadır. Birçok farlı durum, hücum açısı α, hücum açısı değişme noktası x a, hız değişme pozisyonu x v,dönüş ekseni a ve Reynolds sayısı gibi parametreler değiştirilerek incelenmiştir. Anlık kuvvetler, basınç dağılımları, girdaplılık konturları ve hız dağılımları bu farklı durumlar için karşılaştırılmıştır. Bu parametrelerin anlık 15

2 aerodinamik kuvvet katsayıları üzerindeki etkileri araştırılmıştır. belirli bir nokta etrafındaki dönüş hareketi eklenmektedir. Tablo 1. Mikro Hava Aracı kavramları (DGR-ONERA yarışması [5]) Şekil 1. Mikro Hava Araçları uçuş rejiminin var olan diğer araçlarla karştırılması [4]. İncelenen kanat çırpma hareketi 4 aşamaya ayrılmıştır (Şekil 2); birinci aşama aşağı doğru çırpma hareketinin yarısına denk gelmekte ve kanat ucu pozitif doğrultuyu göstermektedir. İkinci aşama ise yukarı vuruş hareketinin yarısını kapsamaktadır. Üçüncü ve dördüncü aşamalar ise bu iki aşamanın tamamen aynasal simetriğidir. Her aşama da kendi içinde ikiye ayrılmaktadır: doğrusal ileri hareket fazı ve dönüş fazı. Doğrusal ileri hareket fazı süresince, kanat kesiti belirli bir süre boyunca sabit bir hızla hareket etmekte ve buna, Şekil 2. Çırpan kanat hareketinin tanımı ve kullanılan ağ yapısı. Kanat kesiti etrafında O-tip ağ yapısı, kesit yakınında diktörtgen ağ yapısı kullanılmıştır. Tüm ağ yapısı, yazılan ara program yardımıyla hareket ettirilerek kanat çırpma hareketi gerçekleştirilmiştir. Sayısal sonuçlar zamana bağımlı hesaplama yapabilen ve kullanıcı kodu ekleme imkanı veren bir Direkt Sayısal Simülasyon (DNS) kodu ile elde edilmiştir. Sayısal sonuçlarla ilgili ayrıntılı bilgi Ref.[6]-[9] da bulunabilir. 16

3 II. LAZER TABAKASI Birçok bilimsel araştırmada sayısal ve deneysel yöntemlerin birlikte kullanılması gerekmektedir. Yeni sayısal yöntemlerin uygulandığı, özellikle çırpan kanat hareketi gibi zamana bağlı aerodinamik problemlerinde, sayısal sonuçların, doğada var olan etkleşimleri ortaya koyacak deneysel incelemelerle doğrulanması bu sayısal yöntemlerin geliştirilmesi için önemlidir. Buradaki çalışmada da sayısala ek olarak lazer tabakası görüntüleme tekniği kullanılarak [10-11] deneysel bir inceleme yapılmıştır (Şekil 3). Lazer tabakası sadece görüntüleme amaçlı kullanılan bir yöntemdir. Bu deney yönteminde sürekli bir lazer (continuous lasermaksimum 10W) kullanılmıştır. Lazer tabakası görüntüleme yönteminde kullanılan parametreler, lazer, partikül ve kamera tipleri Tablo 2 de gösterilmiştir. Şekil 3. Lazer tabakası deney düzeneği Tablo 2. Lazer tabakası düzeneği parametre tablosu Kanat kesiti Tipi NACA 0012 Veter uzunluğu c=6cm Akış Tipi Su Reynolds sayısı 1000 Hareket Period T= s Görüntüleme periodu (t*=t/t) t * [ 6,7] parametreler α =45, x v =2c, x a =2c Maks. ilerleme hızı cm/s Maks. açısal hız rad/s Partikül Tipi Gümüş kaplı, içi boş küresel parçacıklar konsantrasyon çap 15µm Lazer Tipi sürekli, Argon SPECTRA-PHYSICS 10 W maks. Güç 1W-3W Kayıt Kamera tipi NIKON-MB-21, model F4S Kamera sayısı 1 Görüş açısı 90 Lens focal uzunluğu 60 mm F sayısı 8 çözünürlük 5959 px 3946 px Görüntüleme (Exposure) zamanı 500ms senkronizasyon Testpoint ve ADBasic ile dışardan kumanda edilmiştir III. DENEYSEL VE SAYISAL SONUÇLARIN KARŞILAŞTIRILMASI Hareket 6. periotdan sonra görüntülenmeye başlanmıştır. Bu periotdan sonra hem sayısal hem de deneysel sonuçlarda tüm bir periot boyunca benzer girdaplar elde edilmiş ve ilk periot süresince ani hızlanmadan doğan etkileşimin yok olduğu saptanmıştır. Kırmızı tonlar saatin ters yönünde hareket eden girdapları, mavi tonlar ise saat yönündeki girdapları göstermektedir. Bir önceki periotdan kalan girdaplar lazer tabakasından elde edilen görüntülerde sarı renkle belirtilmiştir. Üç tip girdap tüm periot boyunca gözlemlenmektedir. Bunlar kanat hücum kenarı girdapları (Leading Edge Vortex-LEV), kanat firar kenarında oluşan ileri hareket girdapları (Translational Vortex-TV) ve dönüş ve duruş girdaplarıdır (Rotational Stopping Vortex-RSV). Sayısal sonuçlar hem girdaplılık (ω) hem de hız gradyeninin ikinci invariyantı (Q) cinsinden gösterilmiştir. Şekil 4 te 6. periodun başlangıcında oluşan kanat hücum kenarı girdabının (LEV1) oluşumu gözlemlenmektedir. LEV1 sayısal sonuçlarda girdaplılık görüntülemesinde, saatin ters yönündeki girdap (kımızı) 17

4 ile gösterilmektedir. Ileri hareket fazında ikinci bir kanat hücum kenarı girdabı (LEV2) da oluşmaktadır. Bu girdap her ne kadar girdaplılık değerlerinde LEV1 ile birbirinin devamı gibi görünse de Q konturu çizimlerinde ikinci bir girdap olarak belirlenmektedir. Q değerleri girdap görüntülerinin belirlenmesinde bu nedenle daha önemli olmaktadır. Q konturlarının pozitif (kırmızı) olduğu bölgeler girdap noktalarını göstermektedir. Negatif bölgeler (mavi) ise şekil değiştirme hızının dönme hızına göre baskın olduğu bölgelerdir. Diğer taraftan, kanat kesiti firar kenarında da ilerleme girdabı oluşumu gözlemlenmektedir (TV1). Bu girdap tüm periot boyunca oluştuğu pozisyonda kalacaktır ve kanat kesiti, dönüşünde bu girdabın etkisi içine girecektir. üzerinden kopmasına sebep olmaktadır. İkinci yarım periotda da aynı girdaplar oluşmaktadır. Şekil 5. Lazer tabakası sonucunun t*=6.28 de sayısal girdaplılık, c) Sayısal Q Şekil 4. Lazer tabakası sonucunun t*=6.08 de sayısal girdaplılık, c) Sayısal Q Şekil 5 te dörtte bir periotdan hemen sonraki zaman anındaki girdaplar gösterilmiştir. Bu aralıkta ikinci kanat firar ileri hareket girdabı (TV2) de oluşmuş ve yeni bir ileri hareket girdabi (TV3) oluşmaya başlamıştır. Aynı şekilde, kanat hücum kenarında LEV3 oluşmaktadır. Bu yeni oluşan iki girdap da sayısal Q konturlarında rahatlıkla gözlemlenmektedir (Şekil 5c). Şekil 6 da yaklaşık olarak yarım periodun bittiği an gösterilmiştir. Bu sırada yeni kanat hücum kenarı girdapları oluşmaktadır. Dönüş esnasında, kanat kesitinin firar kenarında saat yönünde olan dönüş ve duruş girdabının (RSV1) oluştuğu gözlemlenmektedir. Bu girdap oluşurken, ileri hareket girdabı TV3 ün kanat Şekil 6. Lazer tabakası sonucunun t*=6.48 de sayısal girdaplılık, c) Sayısal Q 18

5 V. SONUÇLAR ve ÖNERİLER Deneysel sonuçlar sayısal sonuçlara benzer sonuçlar vermiştir. Girdap oluşumları her iki yöntemde de benzer etkileşimler göstermektedir. Q konturlarının bu aerodinamik problemde girdap bölgelerinin tanımlanmasında önemli bir yere sahip olduğu belirlenmiştir. Girdaplılık konturlarında girdapların dönüş yönleri belirlenirken pozitif Q konturları ile dönme hızının şekil değiştirme hızına göre büyük olduğu bölgeler tesbit edilebilmiş ve bu bölgelerin girdap bölgeleri olduğu gözlemlenmiştir. TEŞEKKÜR Yazarlar; TÜBITAK a, CNRS ye, Türkiye Fransız Konsolosluğu na, ODTÜ ve ENSMA ya bu çalışmanın yapılması ve devam ettirilmesindeki katkılarından dolayı teşekkür etmektedirler. KAYNAKLAR [1] Shy W., Berg M., Ljungqvist D., "Flapping and Flexible Wings for Biological and Micro Air Vehicles," Progress in Aerospace Sciences, Vol.35, 1999, pp [2] Rayner J. M. V., A Vortex Theory of Animal Flight. Part 1. The vortex wake of a hovering animal, J. Fluid Mech., Vol.91, part 4, 1979, pp [3] Weis-Fogh, T., Energetics of hovering flight in hummingbirds and Drosophila, J. Exp. Biol., No. 56, 1972, pp [4] Aerovironment, Development of Breakthrough Aerial Vehicles, /area-aircraft/ unmanned.html, [5] Choy, P., DGA-ONERA, Concours international universitaire de drones miniatures, Presentation faite aux Journée Micro-Drones, Toulouse, ConcoursDrones_fr.pdf, [6] Kurtulus D. F., Farcy A., Alemdaroglu N., Vortex Identification Techniques used for Flapping Motion in Hover, 3 rd Ankara International Aerospace Conference, Ankara, Turkey, August [7] Kurtulus D. F., Farcy A., Alemdaroglu N, Unsteady Aerodynamics of Flapping Airfoil in Hovering Flight at Low Reynolds Numbers, 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, AIAA , Reno, Nevada, USA, Jan [8] Kurtulus D. F., Farcy A., Alemdaroglu N., Numerical Calculation and Analytical Modelization of Flapping Motion, Proceeding of 1 st European Micro Air Vehicle Conference and Flight Competition, Braunschweig, Germany, July [9] Kurtulus D. F., Farcy A., Alemdaroglu N, Havada Asılı Konumdaki Çırpan Kanat Profilinin Sayısal ve Analitik Modellemesi, Proceeding of Advanced Technology and their Applications Symphosium HİTEK organized by Turkish Air Force Academy, Istanbul, Turkey, 9-10 December [10] Kurtulus D. F., David L., Farcy A., Alemdaroglu N., Laser Sheet Visualization for Flapping Motion in Hover, 44 rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, AIAA , Reno, Nevada, USA, 9-12 Jan [11] Kurtulus D. F., Numerical and Experimental Analysis of Flapping Motion in Hover. Application to Micro Air Vehicles, Joint Ph.D thesis Poitiers University/ENSMA (Poitiers-France) and METU (Ankara-Turkey), 17 June 2005, Poitiers, France. 19