BİLGİSAYAR DESTEKLİ RÜZGAR TÜNELİ SİMÜLASYONU VE AKIŞ ANALİZİ

2. Ulusal Tasarım İmalat ve Analiz Kongresi 11-12 Kasım 2010- Balıkesir BİLGİSAYAR DESTEKLİ RÜZGAR TÜNELİ SİMÜLASYONU VE AKIŞ ANALİZİ Barış ÖNEN*, Ali ÇINAR** *baris.onen@kocaeli.eu.tr Kocaeli Üniversitesi, Uçak Göve-Motor Bakım Bölümü, 41285-Kocaeli ** alicinar@kocaeli.eu.tr Kocaeli Üniversitesi, Makine Eğitimi Bölümü, 41380-Kocaeli ÖZET Bu çalışmaa, 0,4 m x 0,4 m kesitine eney oasına sahip altı farklı açık evreli, emişli tip, ses altı rüzgar tüneli tasarlanarak, bunların bilgisayar estekli akış simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Rüzgar tünelleri tasarlanırken tecrübelerle en iyi verimlerin ele eiliği limitler ikkate alınmıştır. Tasarlanan rüzgar tünelleri içerisineki akış, bilgisayar estekli simülasyon yazılımı FLUENT kullanılarak moellenmiş ve rüzgar tünellerinin eğişik bölümlerineki basınç, hız ve türbülans ağılımları ele eilmiştir. Ele eilen sonuçlar analiz eilip karşılaştırılarak tasarlanan rüzgar tünelleri içerisine en iyi verimin ele eiliği rüzgar tüneli tespit eilmiştir. Anahtar Sözcükler: Rüzgar Tüneli, Hesaplamalı akışkanlar inamiği, Aeroinamik performans ABSTRACT In this stuy, six ifferent open circuit suction type subsonic win tunnels, which have test rooms with 0,4 m x 0,4 m cross section, are esigne an computer base flow simulations of them are carrie out. The most efficient limits are consiere uring win tunnel esign. The flow insie the esigne win tunnels are moelle using FLUENT computational flui ynamics (CFD) software an pressure, velocity an turbulance ispersions in ifferent sections of win tunnel are obtaine. The obtaine results are analyze an compare. Then the most efficient win tunnel is etermine. Keywors: Win tunnel, Computational flui ynamic, Aeroynamic performance 1. GİRİŞ Kara, eniz ve hava taşıtlarının geçmişten günümüze süregelen hızlı gelişim ve eğişimlerine paralel olarak, tasarım ve imalat aşamalarına eneysel uygulamalar büyük önem kazanmıştır. Taşıtların aeroinamik tasarımı aşamasına rüzgar tüneli eneyleri büyük kolaylık ve güvenilirlik sağlamaktaır. Deneysel uygulamalar çeşitlenikçe rüzgâr 331

tünelleri e eğişik ihtiyaçlara göre farklı ebat ve tiplere izayn eilmekteir. Rüzgar tünellerine oğru ölçüm yapabilmek, rüzgar tüneli eney oasınaki şartların gerçek atmosfer şartlarına yakın olmasıyla mümkünür. Bunan olayı rüzgar tünellerinin tasarımı ve imalatı büyük önem kazanmaktaır. Bir rüzgar tüneli tasarlanırken, tünele ne tür eneyler ve ölçümler yapılacağı, bu eneyler için gerekecek hız rejiminin bilinmesi gerekmekteir. Buna göre tünelin tipine karar verilerek gerekli kabuller ve hesaplar yapılır. Rüzgar tüneli temel olarak hızlanan havanın sabit cisim üzerinen hareket etmesi sonucu cisim ve hava arasına aeroinamik olarak ortaya çıkan eğişikliklerin test eilmesi, incelenmesi ve gözlenmesine imkan veren bir test üzeneğiir. Günümüze bilgisayarların hesaplama ve epolama kapasitelerinin artması sayesine, hesaplamalı akışkanlar mekaniği ile ilgili bilgisayar uygulamalarının kullanımı yaygın hale gelmiştir. Rüzgar tünellerineki akışlarla ilgili hesaplamalar ve akış simülasyonları a bu tür bilgisayar programları ile yapılabilmekteir. Bu çalışmaa, 0,4 m x 0,4 m kesitine eney oasına sahip altı farklı açık evreli, emişli tip ses altı hızlı rüzgar tüneli tasarlanarak, bunların bilgisayar estekli akış simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Bu akış simülasyonlarına, rüzgar tünellerinin eney oalarınaki akım kalitesi karşılaştırılmıştır. Deney oasınaki akımın kalitesi enince, genel olarak eney oasına akımın üniform ve paralel olması ve akımaki çalkantı ve türbülans seviyesinin üşük olması kasteilir. 2. AÇIK DEVRELİ RÜZGAR TÜNELİNİN ANA ELEMANLARININ TASARIMI Emmeli tip rüzgar tünellerine, atmosferen emilen hava eney oasınan sonra kinetik enerjiyi basınç enerjisine önüştüren ifüzöre, buraan a tünelin sonuna yerleştirilen ve akım hızının ayarlanmasını sağlayan eksenel fan vasıtasıyla ışarı atılmaktaır. Şekil 1 e açık evreli emmeli tip bir rüzgar tüneli görülmekteir. Şekil 1. Rüzgar Tüneli Bölümleri 332

2.1 Deney Oası Tasarımı Deney oası, içerisine moelin konuluğu, ölçümlerin yapılığı, moel etrafına meyana gelen aeroinamik olayların gözleniği / inceleniği bölüm olup rüzgar tüneli tasarımına büyük bir öneme sahiptir. Deney oası rüzgar tünelinin karakteristik özelliklerini belirleyen bölüm oluğuan, tünelin boyutlanırması eney oası şartları referans alınarak yapılmaktaır. Deney oası uvarları üzerine oluşan sınır tabaka, eney oası boyunca kalınlaşma gösteriğinen akım hızına artış ve statik basınçta azalma meyana gelir ve üniform akım şartları bozulur. Bu sorunu gierme yollarınan birisi eney oasının kesit alanını akım yönüne sınır tabaka kalınlığının etkisini telafi eecek miktara arttırmaktır [1,2]. Deney oası uvarlarına uygulanacak genişleme açısını belirleyen parametre Reynols sayısıır (Re). Genişleme açısı 10 7-10 8 gibi büyük Reynols sayılarına 0.1-0.25 o, 10 5-10 6 gibi küçük Reynols sayılarına ise 0.25-0.5 arasına alınmalıır [3,4]. Deney oası uvarlarına oluşan sınır tabakanın kalınlaşmasını giermenin bir başka yolu a eney oasının köşelerine köşebentler yerleştirilmesiir [1,2]. Üçgen şeklineki bu köşebentler aynı zamana eney oası boyunca köşe içlerineki akım bozulmalarını a azaltır. Deney oası boyu, hirolik çapla ilişkilenirilebilir. Deney oası boyu arttıkça eney oasınaki akım hızının büyüklüğüne bağlı olarak enerji kayıpları artacaktır. Bu neenle eney oası boyu çok uzun tutulmamaktaır. Kalı ki, eney oası boyu hirolik çapın 3-4 katını geçtiği zaman, uvarlar üzerine oluşan sınır tabaka kalınlığının aşırı artmasınan olayı ifüzöre akım ayrılması riski olabilir [5]. Bununla birlikte, çok kısa bir eney oası a moel önüne üniform akım şartlarının oluşturulamaması bakımınan uygun eğilir. Önerilen eney oası boyu hirolik çapın 3 katı civarıır [6]. Bu çalışmaa eney oası genişleme açısı ( α ) Dç Dg Tan( α ) = (1) 2L o olarak ifae eilir. L o : Deney oası boyu (m) D : Deney oası giriş çapı (m) g D ç : Deney oası çıkış çapı (m) 2.2 Kollektör Tasarımı Rüzgar tünellerine eney oasınan önce bir kollektör kullanılmasının amacı akımın kısa mesafee uniform olarak hızlanırmaktır. Açık evreli bir rüzgar tüneline urgun atmosferen alınan havanın hızı üşük oluğunan, eney oasına istenilen hıza erişilmesi için aralan bir kanal kullanılmalıır. Kollektörün akım hızına yarattığı artışın büyüklüğü aralma oranı ile ilgiliir. Kollektöreki aralmanın ayrıca kollektör girişine akıma muhtemelen mevcut olan hız farklılıklarını ve türbülans veya benzeri üşük 333

frekanslı başka çalkantıları a azalttığı bilinmekteir. Bu azalmanın miktarı kollektörün aralma oranıyla yakınan ilgiliir [1]. Kollektöreki aralma genel olarak türbülansı azaltıcı önemli bir etkiye e sahiptir. Kollektörün aralma oranı ne kaar arttırılırsa eney oasınaki kritik Reynols sayısı eğeri e o kaar artar. Bu bakıman rüzgar tünellerine önerilen aralma oranı 6 ile 9 arasınaır [1,4]. Boyutlarının hesabını yaptığımız rüzgar tüneline aralma oranını 6 olarak seçtik. Formül (2) e ile aralma oranına eşit oluğu görülmekteir. Bu formülen kolektör girişine hız ve alanı bulabiliriz. Kollektör aralma oranı ( n ), n V V A A = 2 = 1 (2) 1 2 bağıntısıyla ele eilir. V 1 V 2 1 : Kollektör giriş hızı(m/s) : Kolektör çıkış hızı (m/s) A : Kolektörün giriş alanı (m 2 ) A : Kolektörün çıkış alanı (m 2 ) 2 Kollektör boyu, genellikle çıkış kesit çapının 1.5-2 katı arasına bir eğer olabilir. Şekil 2 e görülüğü gibi Kolektör başlangıç noktasınan itibaren kolektör uvar eğrisini veren yarıçap ( r ( x) ), 3 3 1 x 1 x r( ) = ( r r ).. 2 r x + 1 1 1 2 2 (3) r ( x) : Kollektör giriş kısmınan itibaren x mesafeeki yarıçap (m) r : Kollektör giriş yarıçapı (m) 1 r 2 x : Kollektör çıkış yarıçapı (m) : Kollektör giriş kısmınan uzaklık (m) bağıntısıyla ele eilir. Bu çalışmaa kollektör boyu (L k ) 0.8 m olarak alınmıştır. 334

2.3 Dinlenme Oası Tasarımı Şekil 2. Kollektör uvar eğrisi için parametreler Dinlenme oası, rüzgar tüneline kollektören önce yer alan ve akımın kollektöre olabiliğince üniform olarak girmesini sağlamak üzere yavaşlatılığı bir kısmıır. Paralel uvarlı, genellikle genişliğine kıyasla boyu çok uzun olmayan kanal içerisine akımı paralel hale getirmeye yarayan bal petekleri ve türbülansı küçültmeye yarayan elekler yer alır. Tecrübeler genel olarak inlenme oası boyunun giriş çapının yarısı mertebesine alınmasının uygun olacağını göstermekteir [1]. 2.4 Difüzör Tasarımı Difüzör, rüzgar tüneline eney oasının hemen arına yer alan, genişleyen bir kanal olup görevi eney oasına yüksek hıza sahip olan akımın yavaşlamasını sağlamaktır. İeal bir ifüzören beklenen, eney oasınan çıkan akımı yavaşlatırken, kinetik enerjisinin e hiçbir kayba neen olmaksızın basınç enerjisine önüştürmesiir [3]. Ancak bu mümkün olmaığınan tasarım problemine heef, kayıpların minimum olmasını sağlayacak ifüzör geometrisinin ele eilmesiir. Nitekim ifüzör performansı, kinetik enerjiyi basınç enerjisine kayıpsız olarak önüştürebilme kapasitesiyle ölçülür. Öte yanan, ses altı akımlara oluşan bozuntuların akımın geliş yönüne e yayılabiliğinen ifüzör içerisineki akıma meyana gelebilecek herhangi bir bozulmanın eney oasınaki akım şartlarını etkileiğinen ifüzörler ikkatli bir şekile izayn eilmeliir. Difüzörün performansı, eney oasınan ifüzöre giren akım kalitesiyle oğru orantılıır. Difüzör içerisine akımın gelişimi ifüzörün geometrisine bağlı olup, bu hususla ilgili önemli parametrelerin, ifüzörün genişleme oranı, genişleme açısı ve ik kesit şekli oluğu belirtilebilir [3]. Difüzörün genişleme oranı ( n ), ifüzör giriş kesiti ( A 1) ile ifüzör çıkış kesiti ( A 2 ) arasınaki oranan ibaret olup, genellikle kollektör aralma oranı civarına seçilmesi önerilmekteir. Difüzör genişleme açısı ( θ ) ise 7 olarak tavsiye eilmekteir [3, 6]. θ 8 en fazla olması ifüzör boyunca oluşacak ters basınç grayantı ifüzör uvarı üzerineki sınır tabakanın ayrılmasına, performansının ve eney oası akım kalitesinin üşmesine neen olur. θ nin küçük olması ise, seçilmiş bir ifüzör genişleme oranı için ifüzör boyunun gereksiz yere artışına bağlı olarak sınır tabaka kalınlaşmasıyla enerji kaybına neen olur. 335

Difüzör boyu ( L ) hesaplanırken ifüzörün sonuna fan yerleştirileceği ve fanın a kesit şeklinin airesel forma oluğu ikkate alınırsa ifüzörün fan yerleştirileceği bölüme bir tarafı kare iğer tarafı aire olan aaptör yerleştirmek gerekecek. Bunun için eney oasınan aaptörün yerleştirileceği yere kaar olan ifüzör boyu ( L 1) ve aaptören fana kaar ifüzör boyu ( L 2) olmak üzere L D D 2.tan / 2 2 1 = (4) ( θ ) bağıntısıyla hesaplanır. D 1 2 : Difüzör giriş çapı (m) (eney oası çıkış çapı) D : Difüzör çıkış çapı (m) (fan çapı) 2.5 Fan Rüzgar tünellerinin geometrik yapısınan, sürtünmeen, kinetik enerjien basınç enerjisine veya basınç enerjisinen kinetik enerjiye önüşümün istenen şartlara olmamasınan olayı bir miktar enerji kayıplarının olması söz konusu oluğunan aimi-üniform akım şartlarının sağlanması için ışarıan bir güç verilmesi zorunluur. Ses altı rüzgar tünellerine gerekli akımın sağlanması için ihtiyaç uyulan bu enerji, tünelin belli bir bölgesine yerleştirilen fan tarafınan ele eilir. Fan seçimine ikkate alınması gereken en önemli kriter fan gücüür. Fan gücü, kayıplar a göz önüne alınarak eney oasınaki ebiyi karşılayacak şekile seçilmeliir. 3. RÜZGAR TÜNELLERİNİN TASARIMI VE BİLGİSAYAR DESTEKLİ SİMULASYONU Tecrübelerle en iyi verimlerin ele eiliği limitler ikkate alınarak eğişik kombinasyonlara 6 farklı rüzgar tüneli tasarlanmıştır. Tasarıma kullanılan tünel verileri tablo 1 e görülmekteir. Tablo 1. Rüzgar Tüneline Değişiklik Yapılan Bölümler Rüzgar (n) ( α ) Tüneli No ( n ) 1 6 0,25 6 2 6 0,5 6 3 7 0,25 7 4 7 0,5 7 5 8 0,25 8 6 8 0,5 8 Tablo 1 e verilen eğerler kullanılarak Tablo 2 eki eğerler ele eilmiştir. 336

Tablo 2. Rüzgar Tüneline yapılan eğişikliğe göre ifüzör boyutları Rüzgar Aaptör Tüneli No D ç Yerleşim Kesiti L 1 D 1 D 2 L 2 1 0,413 0,85 3,574 0,959 1,142 1,492 2 0,425 0,85 3,476 0,959 1,175 1,764 3 0,413 0,95 4,392 1,072 1,233 1,317 4 0,425 0,95 4,294 1,072 1,269 1,61 5 0,413 1 4,801 1,129 1,318 1,552 6 0,425 1 4,703 1,129 1,357 1,866 GAMBİT programı kullanılarak bu rüzgar tünellerine ait 2 boyutlu yüzey moel geometrileri çizilmiştir. Moel geometrileri çizilikten sonra Şekil 3 e gösteriliği gibi yoğunlaştırılmış bir çözüm ağı oluşturulmuştur. Şekil 3. Rüzgar Tüneli Ağ Yapısı Gambit programı kullanılarak moellenen rüzgar tünellerinin aeroinamik analizleri, sonlu hacimler yöntemine göre çalışan Fluent paket programına yapılmıştır. Fluent simülasyon moülüne, rüzgar tünelinin basınç, hız ve türbülans simülasyonları yapılırken, inlenme oası yüzey moeline bal peteği ve elek kullanılmamıştır. Bunun neeni yaklaşık 25000 gözenek aeine sahip bu elemanların katı moel ve yüzey moelleri oluşturulurken çözüm ağı operasyonunun moellerin oluşturuluğu bilgisayara gerçekleştirilmesinin güç oluşuur. Fluent simülasyon moülüne akış analizi yaparken, Bhaskaran [7] tarafınan verilen yöntemen yararlanılmış ve aşağıaki kabuller yapılarak kullanılmıştır. Analizlere Fluent in iki kat sayısal hassaslık (ouble precision) urumu kullanılmıştır. Sıkıştırılamaz akış moellemesi kullanılığınan olayı basınca bağlı çözüm yöntemi uygulanmıştır. 337

Akışkan olarak Cp=1006.43 J/kg.K, Termal iletkenlik=0.0242 W/m.K ve viskozite=1.7894e-05 kg/m-s eğerlerine sahip sıkıştırılamaz ieal hava kullanılmıştır. Analizlere realizable k-ε türbülans moeli kullanılmıştır. Gambit programına 2 boyutlu yüzey geometrisi oluştururken ifüzör çıkışına fanın sağlaığı akış yerine 300 Pa sabit eğerli statik basınç sağlanmış ve rüzgar tüneli yüzey moeli içerisineki hava akışı bu kabule göre gerçekleştirilmiştir. Yakınsama, her parametreeki kalıntıların 1x10-6 olması urumuna kaar çözüme evam eilmiştir. 4. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME Rüzgar tüneli eney oasına Şekil 4 e görülüğü gibi, beş farklı referans kesiti alınarak bu referans kesitlerineki hız, basınç ve türbülans şieti analizleri yapılmıştır. Şekil 4. Rüzgar tüneli-1 eney oası referans kesitleri Şekil 5 e 1 nolu rüzgar tünelineki hız eğişimi görülmekteir. Buraa giriş ağzı yüzeylerine, inlenme oası-kollektör bağlantı köşelerine ve ifüzör çıkışına hızın üşük olması, giriş ve çıkış bölgelerinin atmosfere yakın olması ve bu bölgelere akım paralelliklerinen sapmaların çok yüksek olmasıır. Hızın kolektör boyunca arttığı, eney oası boyunca sabit kalığı görülmekteir. Difüzör boyunca akım hızının azalığı çıkış bölgesine tünel giriş bölgesineki eğere ulaştığı görülmekteir. Şekil 6 a eney oası boyunca ve Şekil 7 e giriş ve çıkış bölümlerineki hız ağılımları görülmekteir. Şekil 5. Rüzgar Tüneli-1 hız ağılımı 338

Şekil 6. Rüzgar tüneli-1 eney oası hız ağılımı Şekil 7. Rüzgar tüneli-1 giriş ve çıkış bölümüne hız ağılımı Deney oası referans kesitlerineki statik basınç eğişimleri Şekil 8 e görülmekteir. Rüzgar tünelinin giriş ve çıkışına statik basınçta artış, iğer referans noktalarına ise statik basıncın belirli bir eğere sabit kalığı görülmekteir. Bu artışların muhtemel sebebi, havanın atmosferen rüzgar tüneline girerken ve çıkışta fan ekseninen rüzgar tünelini terk eerken giriş ve çıkış merkez eksenlerine basınç grayanları oluşturması sonucu meyana gelen türbülans bölgeleriir. 339

Şekil 8. Deney oası referans kesitleri basınç ağılımı Şekil 9 ve 10 a rüzgar tünelinin bölümlerinin farklı eğerlerine türbülans şietineki eğişimler görülmekteir. Ayrıca eney oası içerisine hıza bağlı türbülans miktarına artış gözlemlenmiştir. Buna sebep olarak en yüksek hıza eney oasına ulaşılması ve yapılan simulasyona inlenme oasına bal peteği ve elek moeli koyulamamasını gösterebiliriz. Şekil 9. Deney oası genişleme açısına göre türbülans şietinin eğişimi 340

Şekil 10. Farklı kolektör aralma oranlarına türbülans şieti eğişimi Şekil 11 e ise eney oasınaki farklı hız eğerlerine türbülans şietinin eğişimi görülmekteir. Hızaki üşüşe paralel olarak türbülans şietinin arttığı görülmüştür. Şekil 11. Rüzgar Tüneli-1 için farklı hızlara türbülans şieti eğişimi Yapılan çalışmaa kollektöreki farklı aralma oranı, ifizöreki farklı genişleme oranı ve eney oasınaki farklı genişleme açısı verileri sonucu 50 m/sn lik hıza 1 numaralı rüzgar tünelinin aha başarılı oluğu görülmüştür. 5. KAYNAKLAR [1] MEHDA, R. D., BRADSHAW, P., Design Rules for Small low spee Win Tunnels, Aeronautical Journal, November, 433-449, (1979). [2] ERİM, M. Z., ATLI, V., KAVASOĞLU, Ş.,. Alçak Ses Altı Bir Hava Tünelinin İmalatı ve Deney Oasına Hız Profilinin Tayini, VII. Bilim Kongresi Tebliğ Özetleri, Tübitak, 29 Eylül-3 Ekim 633-664, (1980). 341

[3] GORLIN, S. M., SLEZINGER, I. I.., Win Tunnels an their Instrumentations, John Willey an sons, Moscow, (1966). [4] RAE, W. H., POPE, A., 1984 Low Spee Win Tunnel Testing, John Wiley & Sons, Inc., New York, USA, (1984). [5] BRADSHAW, P., The effect of win tunnel screens on nominally two imensional bounary layers, journal of flui mechanics, 22, 679687, (1965). [6] PUNKHURST, R. C., HOLDER, D. W., 1952. Win Tunnel Technique, Sir Isaac Pitman & Sons Comp., Lonon, (1952). [7] BHASKARAN, R., Compressible flow in a nozzle, Cornell University. http://courses.cit.cornell.eu/fluent/airfoil/inex.htm, (Erişim tarihi: 15.03.2010) 342