Kanat profili

Kanat profili veya aerofoil, kanat, yelken, dümen, pervane kanadı, rotor veya türbin gibi bir akışkan içindeki hareketi kaldırma kuvveti oluşturabilen nesnenin kesit şeklidir.

Akışkan içinde hareket eden katı cisimler aerodinamik kuvvet oluşturur. Bu kuvvetin serbest akış hızına göreceli dik bileşenine kaldırma kuvveti denir. Göreceli serbest akış hızına paralel bileşene sürükleme kuvveti denir. Kanat profili, sürükleme kuvvetinden daha çok kaldırma kuvveti oluşturan aerodinamik şekildir. Kanat profilleri, geometrilerini değiştirerek farklı hızlarda kullanılmak üzere tasarlanabilir: subsonic uçuş için olanlar yuvarlatılmış hücum kenarına sahipken, süpersonik uçuş için tasarlananlarda keskin bir hücum kenarı ile daha incedir. Hepsinde keskin bir arka kenar vardır.

Hücum açısı akışkanın taşıta göre göreceli hareket yönü esas alınarak hesaplanır. Profil etrafında akışkanın hızı ve yönü değişken olacağından, uzakta bir noktadaki hız vektörü kullanılır.

Kanadın kambur olan üst kısmında akışkanın katetmesi gereken yol, alt kısmından daha fazladır. Bu sebeple üstteki akışkan daha hızlı hareket eder. Bernoulli prensibine göre hızı artan havanın statik basıncı düşer. Bir cismin birbirine zıt iki yüzeyinde farklı hızlarda hareket eden hava basınç farkı oluşturarak aerodinamik bir kuvvet oluşturur.

Sabit kanatlı hava taşıtının kanatları ve dengeleyicileri ve helikopter rotor kanatları, kanat profili şeklindeki kesitlerde yapılır. Kanat profilleri ayrıca pervanelerde, fanlarda, eksenel kompresörlerde ve türbinler de bulunur. Yelkenler de kanat profilleridir ve yelkenli teknelerin salma omurga, dümen ve omurga gibi sualtı yüzeyleri, kesit olarak benzerdir ve kanat profilleriyle aynı prensiplerde çalışır. Yüzen ve uçan yaratıklar ve hatta birçok bitki ve sapsız (ing: sessile) organizmalar kanat profillerini/hidrofoilleri kullanır: kuş kanatları, balıkların vücutları ve kum dolarlarının (ing: Sand dollar, sea cookie) şekli en yaygın örneklerdir. Kanat profili şeklindeki kanat, otomobil veya başka bir motorlu taşıt üzerinde bastırma kuvveti oluşturarak çekiş özelliğini iyileştirir.

Rüzgar düz levha, bina veya köprünün kenarı gibi bir nesne tarafından engellendiğinde, nesne sürükleme ve ayrıca rüzgara dik bir aerodinamik kuvvete maruz kalır. Bu, nesnenin kanat profili olarak nitelendirildiği anlamına gelmez. Kanat profilleri, aynı alandaki benzer boyuttaki düz plakalardan daha çok kaldırma kuvveti üretebilen ve önemli ölçüde daha az sürükleme kuvveti ile kaldırma kuvveti oluşturabilen çok verimli kaldırıcı şekilleridir. Kanat profilleri, uçak, pervane, rotor kanatları, rüzgar türbinleri ve diğer havacılık mühendisliği uygulamalarının tasarımında kullanılır.

Rüzgar tüneli testinde elde edilen kaldırma ve sürükleme eğrisi sağda gösterilmiştir. Eğri, pozitif kamburluğu olan bir kanat profilini temsil eder, bu nedenle sıfır hücum açısında bir miktar kaldırma kuvveti oluşur. Artan hücum açısı ile kaldırma kuvveti, kaldırma eğrisinin eğimi denilen kabaca doğrusal bir ilişki ile artar. Yaklaşık 18 derecede bu kanat profili durur ve bunun ötesinde kaldırma kuvveti hızla azalır. Kaldırmadaki kuvvetindeki azalma, durma açısında ve ötesinde üst yüzey üzerinde ayrılan ve büyük ölçüde kalınlaşan üst yüzeyin sınır tabaka hareketi ile açıklanabilir. Kalınlaştırılmış sınır tabakasının yer değiştirme kalınlığı, kanat profilinin etkin şeklini değiştirir, özellikle de sirkülasyonu ve kaldırmayı azaltmak için genel akış alanını değiştiren etkin kamberini azaltır. Daha kalın sınır tabakası ayrıca basınç direncinde büyük bir artışa neden olur, böylece toplam direnç durma noktasının yakınında ve ötesinde keskin şekilde artar.

Kanat profili tasarımı, aerodinamik'in önemli bir yönüdür. Çeşitli kanat profilleri farklı uçuş rejimlerine hizmet eder. Asimetrik kanat profilleri, sıfır hücum açısında kaldırma oluşturabilirken, simetrik kanat profili akrobatik uçakta olduğu gibi sık ters uçuşa daha uygun olabilir. Kanatçıklar bölgesinde ve kanatucu yakınında simetrik kanat profili, viril-perdövitesi önlemede hücum açılarının aralığını artırmak için kullanılabilir. Böylece akım ayrılması olmadan geniş bir açı aralığı kullanılabilir. Ses altı kanat profilleri, hücum açısına doğal olarak duyarsız olan yuvarlak hücum kenarlıdır. Bununla birlikte, kesit kesinlikle dairesel değildir: Eğrilik yarıçapı, sınır tabakasının ayrılma olasılığını en aza indirmek için kanat maksimum kalınlığa ulaşmadan önce artırılır. Bu, kanadı uzatır ve maksimum kalınlık noktasını hücum kenarından geriye doğru hareket taşır.

Süpersonik kanat profilleri şekil olarak çok daha açılıdır ve hücum açısına çok duyarlı olan çok keskin hücum kenarına sahip olabilir. Bir süperkritik kanat profilinin, süpersonik akışı ses altı hızlara geri döndürmede çok uzun olması için ön kenara yakın maksimum kalınlıktadır. Genellikle bu tür transonik kanat profilleri ve ayrıca süpersonik kanat profilleri, sürükleme sapmasını azaltmak için az kamburdur. Modern uçak kanatları, kanat açıklığı boyunca her biri kanadın her bir bölümündeki koşullar için optimize edilmiş farklı kanat profil bölümlerine sahip olabilir.

Hareketli büyük-kaldırma kuvvetli cihazlar, flaplar ve bazen çıtalar, hemen hemen her uçakta kanat profillerine takılır. Arka kenar kanadı, kanatçık gibi davranır; ancak, bir kanatçıktan farklı olarak, kullanılmadığı takdirde kısmen kanadın içine geri çekilebilir.

laminer akış kanadı orta kamber hattında maksimum kalınlığa sahiptir. Lineer rejimde Navier–Stokes denklemleri analizi, akış boyunca negatif basınç gradyanının hızı düşürmekle aynı etkiye sahip olduğunu gösterir.

Böylece ortadaki maksimum kamber ile, daha yüksek seyir hızında kanadın daha büyük bir yüzdesinde laminer akış sağlamak mümkündür. Ancak, bazı yüzey kirleri, laminer akışı bozarak türbülanslı hale getirir. Örneğin, kanatta yağmur varken akış türbülanslı olur. Belirli koşullar altında, kanattaki böcek döküntüleri, küçük laminer akış bölgelerinin de kaybolmasına neden olur. NASA'nın 1970'lerdeki araştırmalarından önce ve 1980'lerde uçak tasarım topluluğu, İkinci Dünya Savaşı dönemindeki uygulama girişimlerinden, yaygın üretim toleransları ve yüzey kusurları kullanılarak laminer akış kanadı tasarımlarının pratik olmadığını anladı. Bu inanç, kompozit malzemelerle (örneğin, elyaf takviyeli plastikten yapılmış kanatlarla kullanılmak üzere Profesör Franz Xaver Wortmann tarafından geliştirilen laminer akışlı kanat profilleri) geliştirildikten sonra değişti. İşlenmiş metal yöntemleri de tanıtıldı. NASA'nın 1980'lerdeki araştırması, laminer akışlı kanat tasarımlarının pratikliğini ve kullanışlılığını ortaya çıkardı ve ses altı genel havacılık uçaklarından transonik büyük nakliye uçaklarına ve süpersonik tasarımlara kadar modern pratik uçak yüzeylerinde laminer akış uygulamalarının yolunu açtı.

Planlar kanat profillerini tanımlamak için tasarlanmıştır – bir örnek NACA sistemi'dir. Çeşitli kanat profili üretim sistemleri de kullanılmaktadır. Geniş uygulama alanı bulan ve NACA sisteminden daha eski olan genel amaçlı bir kanat profili örneği Clark-Y'dir. Günümüzde kanat profilleri, bilgisayar programları kullanılarak belirli işlevler için tasarlanabilmektedir.