Bir kanat profili üzerinde camsı tipte buzlanmanın hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemiyle incelenmesi
Investigation of glaze ice formation on an airfoil using computational fluid dynamics
Yazar: ARTUNÇ OĞUZATA
Danışman: DOÇ. DR. DUYGU İPCİ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering

Özet:
Gelişen teknolojiyle beraber daha güçlü motorlara sahip olan uçaklar, artan hız ve irtifa nedeniyle buzlanma problemiyle yüzleşmek zorunda kalmıştır. Uçuş güvenliğini tehlikeye atan bu sorun, ciddi mal ve can kayıplarına neden olmuş, mühendislerin ve tasarımcıların üstesinden gelmek zorunda oldukları bir probleme dönüşmüştür. Bu çalışmada, kanat profilleri üzerinde boynuz şeklinde buzlanmaya neden olan ve kaldırma katsayısını en çok etkileyen camsı tipte buzlanmanın oluşumu, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) kullanılarak sayısal olarak incelenmiştir. Araştırmada, NACA 23012 kanat profili kullanılmıştır. Literatürde, NACA 23012 kanat profili için gerçekleştirilen camsı buzlanma deney şartlarından biri seçilerek analizler bu şartlar için gerçekleştirilmiş ve analiz doğrulanmıştır. Buzlanma analizi: kanat etrafında akış alanının hesabı, kanat üzerinde damlacık çarpması ve buz birikim hesapları ile üç aşamada gerçekleştirilmiştir. Kanat etrafındaki akış alanı Ansys Fluent yazılımı ile SST k-w türbülans modeli kullanılarak belirlenmiştir. Elde edilen bu veriler Fensap-ICE yazılımı ortamına aktarılarak kanat üzerindeki damlacık dağılımı ve damlacık birikme verimi DROP3D çözücüsü ile hesaplanmıştır. Son olarak buzlanma birikimi, ICE3D çözücü ile çok adımlı çözüm yaklaşımı kullanılarak elde edilmiştir. Farklı atak açıları, farklı sıvı su içeriğine sahip ortamlar ve farklı medyan hacim çaplarındaki damlacık boyutları için kanat üzerindeki buzlanma analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizin doğrulanmasında kullanılan şartlar altında, kanat için tutunma kaybının   atak açısında başladığı belirlenmiş ve deneysel çalışma sonuçları ile uyumlu olduğu görülmüştür. Damlacık çaplarının camsı tipte buzlanmaya etkisi, süper soğutulmuş büyük damlacık boyutunun altındaki değerler için incelenmiş olup, çapın artması ile kanat yüzeyi üzerinde buzlanmanın daha geniş bir alana yayıldığı gözlemlenmiş ve buz yüksekliğini etkilemediği belirlenmiştir. Sıvı su içeriğinin artması ile kanat üzerinde buzlanmanın oluştuğu alanın büyüklüğünün genişlemesi ile buz yüksekliğinin de çok az arttığı görülmüştür.

Abstract:
With advancing technology, aircraft equipped with more powerful engines have been forced to confront the issue of icing due to increased speed and altitude. This problem, which jeopardizes flight safety, has led to significant material and human losses, turning into a challenge that engineers and designers must overcome. In this study, the formation of glaze ice, which causes horn-shaped icing on wing profiles and most significantly affects the lift coefficient, was numerically investigated using computational fluid dynamics (CFD). The NACA 23012 wing profile was employed in the research. One of the icing conditions for NACA 23012 wing profile available in the literature was selected for analysis to validate the results. The icing analysis was conducted in three stages: calculation of flow field around the wing, droplet impingement on the wing, and accumulation of ice. The flow field around the wing was determined using the Ansys Fluent software with the SST k-w turbulence model. These data were then transferred to the Fensap-ICE software environment to calculate droplet distribution and droplet collection efficiency on the wing using the DROP3D solver. Finally, icing accumulation was obtained using the ICE3D solver with a multi-shot solution approach. Icing analyses on the wing were conducted for different angles of attack, environments with varying liquid water content, and droplet sizes with different median volume diameters. Under the conditions used for validation, it was determined that the onset of stall for the wing occurred at  degree angle of attack, which was found to be consistent with experimental results. The effect of droplet sizes on glaze icing was examined for values below the size of supercooled large droplets, revealing that an increase in droplet size led to a wider spread of icing on the wing surface without significantly affecting ice height. An increase in liquid water content resulted in an expansion of the area where icing occurred on the wing, with a minimal increase in ice height.