NACA0015 kanat profili üzerinde çift yarıklı koordineli jet aktüatör ile aktif akış kontrolünün deneysel ve sayısal incelenmesi
Experimental and numerical investigation of active flow control by coordinately jet actuator with dual slot on NACA0015 airfoil
Yazar: FATİH SONKAYA
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SERTAÇ ÇADIRCI ; DR. ÖĞR. ÜYESİ DUYGU ERDEM
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Kanat profilleri aerodinamik açıdan sahip oldukları avantajlar sebebiyle endüstriyel ve askeri alandaki birçok uygulamada kullanılmaktadır. Bu uygulamalar içerisinde kanadın getirmiş olduğu etkinin değiştirilmesi veya geliştirilmesi amacıyla kullanılan akış kontrol yöntemleri önemli bir yer tutmaktadır. Kontrol işlemi esnasında dışarıdan enerji girdisi olup olmama durumuna göre pasif ve aktif kontrol olarak ikiye ayrılan akış kontrol yöntemleri, kanat kullanılan uygulamalar içerisinde tarih boyunca çeşitli şekillerde kullanılmıştır. Zaman içerisinde, özellikle de havacılık alanındaki gelişmeler ve enerji sektöründeki verimliliğin arttırılması yönündeki çabalar sonucunda akış kontrol yöntemlerine olan ilgi giderek artmıştır. Bununla birlikte elektronik ve yazılım alanlarındaki ilerlemeler ile bu ilgi daha da artmış ve konu hakkında yapılan çalışmaların alanı oldukça genişlemiştir. Son olarak fiziksel prensiplerin pratik uygulamalara dönüştürülmesinde sağlanan kolaylıklar da bu gelişmelere eklenmiş ve akış kontrol yöntemlerinin özellikle de aktif akış kontrol yöntemlerinin birçok alanda uygulanması oldukça avantajlı hale gelmiştir.
Kanat etrafındaki akışı düzenlemek amacıyla kullanılan yöntemlerden olan pasif akış kontrol yöntemleri genellikle kanat üzerine yerleştirilen sabit geometrilerden oluşturulmaktadır. Bu durumda sabit eklenti kanadın tüm olası şartlarında kullanılmakta ve kanadın kontrol edilmek istenen şartları haricinde performans kaybı yaşamasına sebep olmaktadır. Aktif akış kontrol yöntemlerinde ise bu olumsuz durum olabildiğince minimuma indirilmiştir. Kullanılan yöntemin istenilen şartlarda devreye alınıp istenilmeyen şartlarda devre dışı bırakılması, kontrolün kanat üzerindeki etkisinin her zaman olumlu kalmasını sağlamaktadır. Bununla birlikte pasif sistemlerde aktif sistemlere kıyasla dışarıdan bir enerji girdisi olmaması ve oldukça basit üretim süreçlerine sahip olması, pasif yöntemlerin tercih edildiği uygulamalarda görülen önemli tercih sebeplerindendir. 
Tez kapsamında yapılan literatür araştırmaları sonucunda aktif kontrol yöntemlerinden jet aktüatörlü sistemin kullanılmasına karar verilmiştir. Devamında literatürdeki çalışmalara katkı verebilmek amacıyla yeni bir jet aktüatör tasarımının yapılması planlanmıştır. Buna göre NACA0015 kanat profili üzerine açılan iki yarıklı jet aktüatör çıkışına sahip bir tasarım oluşturulmuştur. Bu tasarımda kullanılan jet aktüatör, bir krank-biyel mekanizması yardımıyla pistonu ileri-geri hareket ettirmekte ve böylece pistonun oluşturduğu akış hareketi ile birlikte her iki yarık çıkışında koordineli bir şekilde emme-basma işlemi meydana getirilmektedir. Hareketin tek bir mekanizmayla oluşturulması yarık çıkışlarındaki işlemlerin sıralı bir düzen halinde oluşmalarını sağlamaktadır. Tez kapsamında hazırlanan bu tasarımın kanat performans parametrelerine olan etkisi farklı jet frekanslarında ve çeşitli hücum açılarında incelenmiştir. Sayısal ve deneysel çalışmalar sonrasında elde edilen sonuçlar kanat kontrolünün etkisinin daha iyi gösterilebilmesi amacıyla çeşitli yönlerden kıyaslanmıştır.
Deneysel çalışmalar tasarlanan modele ait sınırların belirlenmesiyle başlamıştır. Buna göre referans alınan literatür çalışmasında kullanılan modele ait sınırlar ile birlikte kullanılacak rüzgar tüneli ve çeşitli hazır ürünlerin boyutlarının değerlendirilmesi sonrasında, kanat modelinin ölçüleri ve tasarımı oluşturulmuştur. Hazırlanan tasarımın ana gövdeleri ve bazı alt parçalarının tasarımı 3B yazıcı yardımıyla üretilmiştir. Tüm parçaların üretimi ve temini sonrasında gerekli basınç ölçüm noktaları oluşturulmuş ve tüm sistemin montajı yapılmıştır. Sonrasında kanat modeli 0-20 derecelik hücum açıları arasında hareket edebilecek şekilde ve akışın 3 boyutlu etkilerini giderecek şekilde oluşturulan tünel içerisindeki düzeneğe yerleştirilmiştir. Kanada ait performans sonuçlarının elde edileceği deneylere başlamadan önce kanadın üzerindeki yarıklara ait jet çıkış hızları sıcak tel anemometresi kullanılarak ölçülmüştür. Hız değerleri yarık çıkışları boyunca 8'er noktada elde edilmiştir. Böylece jet aktüatör içerisindeki pistonun verimi ve kaçak miktarı ortaya çıkmıştır. Sonrasında gerçekleştirilen deneylerde ise akış kontrolünün kanat performansına olan etkisinin basınç katsayısı ve kuvvet karakteristikleri açısından incelenmesi hedeflenmiştir. Deneyler kontrolsüz kanat için ve 3 farklı frekanstaki jet aktüatörlü kanat için 9 farklı hücum açısında tekrarlanmıştır. Kanat üzerindeki basınç prizlerinden alınan verilerle kanat etrafındaki basınç kaysayısı dağılımı elde edilmiş ve grafiklerle gösterilmiştir. Bununla birlikte kanadın Cl ve Cd katsayıları, kanat üzerinden elde edilen basınç değerlerinin kullanılmasıyla değişen hücum açısına göre hesaplanmıştır. Deneylerde son olarak kanat etrafındaki akışın dumanla görüntülenmesi gerçekleştirilmiştir. Görüntüleme işlemi ile birlikte akış kontrolünün kanat üzerindeki tutunma kaybı durumunun geciktirilmesine olan etkisi gösterilmiştir.
HAD analizleri için ilk olarak uygun sayısal modelin oluşturulması çalışması yapılmıştır. Bunun için literatürdeki bazı çalışmaların analizleri farklı türbülans modelleriyle gerçekleştirilmiş ve deney sonuçlarıyla kıyaslanmıştır. DES modeli ile elde edilen sonuçların gerçeğe en yakın sonuçları verdiği tespit edilmiştir. Bu çalışmadan sonra tez kapsamında kullanılacak NACA0015 kanat profili için çizimler hazırlanmış ve ağ yapısı oluşturulmuştur. DES türbülans modeli içerisindeki farklı RANS modelleri ile analizler tekrarlanmış ve elde edilen basınç katsayısı ile kuvvet karakteristiklerine ait değerler deney sonuçlarıyla kıyaslanmıştır. Burada en uygun sonucu veren türbülans modeliyle kalan analizler sürdürülmüştür. Daha sonra analizin ağ yapısındaki eleman sayısının farklı değerleri için sonuçlar irdelenmiş ve model için yeterli olan eleman sayısı tespit edilmiştir. Bu adımdan sonra akış kontrollü modelin çizimi oluşturulmuştur. Oluşturulan modelin ağ yapısının sıklığı genel olarak önceki analizden alınmışsa da kanat etrafındaki eleman sayısı burada daha yoğun bir haldedir. Kritik hücum açılarında gerçekleştirilen HAD analizleri sonucunda akış alanına ait hız dağılımının görselleri verilmiş; basınç katsayısı ve kuvvet karakteristikleri deney sonuçlarıyla ve kontrolsüz duruma ait sonuçlarla kıyaslanmıştır.
Tez kapsamında gerçekleştirilen çalışmalar sonrasında gerekli değerlendirmeler yapılmış ve bazı sonuçlara varılarak çeşitli öneriler getirilmiştir. Buna göre kullanılan akış kontrol sistemi jet frekansına bağlı olarak değişmekle birlikte kanat üzerinde olumlu etkilere sahiptir. Özellikle tutunma kaybının geciktirilmesi, taşıma katsayısının arttırılması ve sürüklenme kuvvetlerinin azaltılması gibi avantajlar bunlardan bazılarıdır. Sonuç olarak tasarlanan modelin kanat uygulamalarında aktif kontrol yöntemi olarak kullanılması mümkün gözükmektedir. Ancak gerçekleştirilen çalışmanın hem deneysel hem de sayısal kısmında geliştirilmesi gereken noktalar bulunduğundan model üzerinde daha fazla çalışma yapılması daha uygundur. İlerleyen dönemde yapılacak çalışmalarda tasarlanan modelin daha detaylı şekilde analizlerinin gerçekleştirilmesi, uygulanan aktüatör frekansı için aralığın genişletilmesi ve farklı jet aktüatör tipleri ile çeşitli performans parametreleri açısından kıyaslanması bu çalışmalara örnek olarak verilebilir.

Abstract:
Due to their aerodynamic advantages, wing profiles are used in many industrial and military applications. In these applications, flow control methods used to change or improve the effect of the wing have an important position. Flow control methods, which are divided into passive and active control methods according to the presence or absence of external energy input during the control process, have been used in various ways throughout the history in the applications where the wing is used. Over time, interest in flow control methods has increased, especially as a result of advances in aviation and efforts to increase efficiency in the energy sector. Moreover, this interest has increased with the advances in electronics and software fields and the field of studies on the subject has expanded considerably. Finally, the convenience of converting physical principles into practical applications has been added to these developments and it has become very advantageous to apply flow control methods, especially active flow control methods, in many areas.
Passive flow control methods used to regulate the flow around the airfoil are generally composed of fixed geometries placed on the airfoil. In this case, the fixed part is used in all possible conditions of the airfoil and causes the performance loss of the airfoil except for the conditions to be controlled. In active flow control methods, this negative situation is minimized as much as possible. Activating the method used in the desired conditions and deactivating it under undesirable conditions ensures that the effect of the control on the airfoil always remains positive. On the other hand, the fact that there is no external energy input in passive systems compared to active systems and that they have very simple manufacturing processes are among the important reasons that are preferred in applications where passive methods are used.
As a result of the literature research done within the scope of the thesis, it was decided to use jet actuator system which is one of the active control methods. In order to contribute to the studies in the literature, a new jet actuator design is planned. Accordingly, a design which has jet actuator that has two slot outlets opening onto the NACA0015 airfoil has been generated. The jet actuator used in this design moves the piston back and forth with the aid of a crank-connecting rod mechanism, whereby the suction-blowing movement of the piston is formed in a coordinated manner at both slot outlets. The eventuating of the movement by a single mechanism ensures that the processes realized as senchronous. The effect of this design on airfoil performance parameters was investigated at different jet frequencies and various angle of attack. The results obtained after numerical and experimental studies were compared in various aspects in order to better demonstrate the effect of wing control method. Moreover, visuals were obtained from both experimental and numerical studies in order to show the velocity distribution of the flow around the airfoil.
Experimental studies started with determination of the boundaries of the designed model. Firstly, an assesment was made on the boundaries of the model used in the reference literature study, the dimensions of the wind tunnel and the size of the various products. According to this assessment, the dimensions of the design are clarified. The main bodies and some sub-parts of the prepared design are produced with the help of 3D printer. Thus, manufacturing of wing model has become easier. After the production and supply of all parts, necessary pressure measurement points were formed and the whole system was assembled. The wing model was placed in the wind tunnel as centered to eliminate the 3-dimensional effects of the flow. It can be turned to attack of angles between 0-20 degrees in the wind tunnel. Before starting the experiments to obtain the performance results of the airfoil, jet exit velocities of the slots on the airfoil were measured using hot wire anemometer. Velocity values were obtained at 8 points along the slot outputs. Thus, the efficiency of the piston in the jet actuator and the amount of leakage have been revealed. Accordingly, the highest velocity value of the flow at the slot exit was approximately 13% lower than expected. Furthermore, it has been found that the flow rate of the suction operation of the jet actuator is lower than the flow rate of blowing operation. In the subsequent experiments, it was aimed to investigate the effect of flow control method on airfoil performance in terms of pressure coefficient and force characteristics. The experiments were repeated at 9 different angle of attack for the uncontrolled airfoil model and for the controlled airfoil model which has 3 different jet actuator frequencies. The distributions of the pressure coefficient around the airfoil were obtained from the pressure outlets on the airfoil and they are shown in graphs. Moreover, Cl and Cd coefficients of the airfoil were calculated according to the angle of attack by using the pressure values obtained from the pressure outlets on the airfoil. Finally, the smoke flow visualization around the airfoil was carried out in the experimental studies. Thus, the effect of flow control method on stall was presented visually.
The study was carried out to determine the appropriate numerical model, before the CFD analysis was performed. For this purpose, some studies in the literature were analyzed with different turbulence models and compared with experimental results. It was found that the results obtained with DES model gave the most realistic results. After this study, drawings were prepared for NACA0015 airfoil to be used within the scope of the thesis and a mesh was generated on model. The analysis was repeated with different RANS models in DES turbulence model and the values of pressure coefficient and force characteristics obtained were compared with the experimental results. DES / k-w SST turbulence model was determined as the most suitable turbulence model according to the results. Then, the results for the different values of the number of elements in the mesh of the CFD analysis were examined and sufficient number of elements for the model was determined. After this step, the drawing of the flow controlled airfoil model was generated. Density of the mesh structure of the controlled airfoil model is more dense from uncontrolled airfoil model. As a result of CFD analysis performed at critical attack of angles, visuals of velocity distribution of flow area was given; pressure coefficient and force characteristics of airfoil were compared with experimental results and results of uncontrolled airfoil model.
After the studies carried out within the scope of the thesis, the results were evaulated and some suggestions were made. Accordingly, the flow control method used in study has positive effects on the airfoil; however, magnitude of the effect varies according to value of jet frequency. Delaying of stall, increasing the lift coefficient and reducing the drag coefficient are some of these positive effects. As a result, it is possible to use the designed model as an active control method in wing applications. However, since there are points that need to be developed in both experimental and CFD study, further work on the model may be required. Further detailed analysis of the model, widening the range for the actuator frequency applied and comparing the different types of jet actuators with different performance parameters are examples for these studies.