Elektrikli İHA sistemleri için biyomimetik pervane tasarımı
Design of biomimetic propeller for electric UAV systems
Yazar: AHMET TAVŞAN
Danışman: PROF. DR. HÜDAYİM BAŞAK
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Endüstriyel Tasarım Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies
Dizin: Aerodinamik tasarım = Aerodynamic design ; Biyomimetik bilim = Biomimetic science ; Gemi pervaneleri = Ship propellers ; Pervaneler = Fans ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic ; İnsansız hava aracı = Unmanned aerial vehicle

Özet:
Elektrikli dönerkanat İHA sistemlerinin yaygınlaşmasıyla birlikte bu hava araçlarının uçuş sürelerini artırma ve oluşturdukları gürültüyü azaltma yönünde pek çok nümerik veya deneysel akademik araştırmalar yapılmıştır. Ancak günümüzde ticari amaçla kullanılan elektrikli hava araçları hala içten yanmalı motorlar için geliştirilmiş pervanelerin ölçekli hallerini kullanmaktadırlar. Yapısı itibariyle elektrikli motorlara kıyasla daha yüksek devirlerde verimli çalışan içten yanmalı motorlar için tasarlanan pervaneler de yüksek devirlerde verimli olmaları üzerine tasarımlanmıştır. Elektrik motorlarının verimli çalıştığı düşük devirlerde gerekli itkiyi elde edebilmesi için daha düşük devirler için tasarımlanmış bir pervaneye ihtiyaç duyulmaktadır. Bu ihtiyacın giderilmesi için doğadaki canlıların kanat yapılarını baz alan tasarımlar yapılmıştır. Biyomimetik tasarımların nispeten daha düşük devirde ve dolayısıyla daha sessiz bir itki ürettiği sonucu literatürdeki çalışmalarla belirlenmiştir. Bu çalışmalar içerisinde ağustos böceği ve arılar gibi böceklerden ilham alınarak geliştirilen tasarımların yanında akçaağacı tohumu ve javan salatalık tohumu gibi bitkilerden de ilham alınmıştır. Literatürdeki çalışmalarda pervaneye ait veter dağılımlarının canlılardan kopyalandığı görülmüştür. Bu çalışmayla literatürde eksik görülen kısımların tamamlanması amaçlanmıştır. Bu doğrultuda pervane kanadı veter dağılımı, pervane burulma açısı dağılımı ve kanat profili yusufçuk böceğinin arka kanatları kullanılarak tasarlanmıştır. Nümerik analizlerle devir-itki değerleri ve iyileştirmeler hesaplamalı akışkanlar dinamiği kullanılarak çalışılmıştır.

Abstract:
With the widespread use of electric rotary wing UAV systems, many numerical or experimental academic studies have been carried out to increase the flight times of these aircraft and reduce the noise they generate. However, today's commercial electric aircraft still use scaled versions of propellers developed for internal combustion engines. By their nature, the propellers designed for internal combustion engines which are operating efficiently at high speeds are designed to be efficient at high speeds too. A propeller designed for lower revolutions is needed in order to obtain the necessary thrust at low speeds, where electric motors operate efficiently. In order to meet this need, designs based on the wing structures of living creatures in nature have been made. It has been determined by studies in the literature that biomimetic designs produce a relatively lower speed and therefore a quieter thrust. In addition to the designs inspired by insects such as cicadas and bees, these studies were also inspired by plants such as maple seeds and javan cucumber seeds. In these studies, it was seen that the chord-length distributions of the propeller were copied from nature. With this study, we aimed to complete the previous studies in terms of parts that have not been studied. With this study, propeller blade chord-length distribution, propeller twist distribution and airfoil were designed using biomimetic discipline based on inspirations of the rear wings of the dragonflies. RPM-thrust values and aerodynamic improvements were studied by numerical analysis by using CFD.