Biyo-esinlenmeli kanat modelinin ses altı rüzgâr tünelinde aerodinamik karakteristiğinin incelenmesi
Investigation of aerodynamic characteristics of bio-inspired wing model in subsonic wind tunnel
Yazar: SAMET GİRAY TUNCA
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ARİF ÖZGÜR
Kütahya Dumlupınar Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Endüstri Ürünleri Tasarımı = Industrial Design ; Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Aerodinamik tasarım = Aerodynamic design ; Alternatif enerji = Alternative energy ; Alternatif enerji kaynakları = Alternative energy resources ; Endüstri tasarımı =   ; Hava akımı = Air flow ; Laminer akış = Laminar flow ; Rüzgar enerjisi = Wind energy ; Rüzgar tüneli = Wind tunnel ; Türbülanslı akış = Turbulent flow ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Bu tez çalışması düşük Reynolds sayılı hava akışında biyo-esinlenmeli kanat modelinin aerodinamik karakteristiğini incelemek için yapılmıştır. Pterozorların yüksek uçuş kabiliyetleri ve manevra yetenekleri bu çalışmada biyo-esinlenmeli deneylerin yapılması için temel alınmıştır. Kütahya Dumlupınar Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü Rüzgâr Tüneli Laboratuvarında bulunan açık çevrimli ses altı rüzgâr tünelinde pterozor kanadının fosil kaynaklı yapısından esinlenilerek oluşturulan 3 farklı kesitinden elde edilmiş Pt01, Pt02 ve Pt03 kanat profillerinin aerodinamik analizlerinin elde edilmesi amaçlanmıştır. Çalışmada kanatlar üzerinde etkisi olan aerodinamik kuvvetlerin ve laminer akış ayrılmalarının analizleri yapılmıştır. Bu deneyler kuvvet sistemi, akış görüntüleme tekniği olarak duman teli sistemi ve MiniCTA yüzey probları ile gerçekleştirilmiştir. Deneyler, Reynolds sayıları 25000, 50000 ve 75000 olarak seçilerek, farklı akış koşullarında yapılmıştır.
Aerodinamik kuvvet ölçümleri ve duman görüntüleme deneyleri hücum açısı 0 dereceden başlayarak 20 dereceye kadar 2' lik artışlarla gerçekleştirilmiştir. Aerodinamik kuvvet ölçümlerinde kaldırma ve sürükleme kuvvet katsayıları belirlenmiştir. 3 kanat profilinin tutunma kayıplarının olduğu hücum açıları belirlenerek kanat profillerinden elde edilen aerodinamik kuvvet değerleri birbirleri ile karşılaştırılmıştır.
Duman teli ile akış görüntüleme analizleri yapılarak, kanatların etrafındaki rüzgâr akışının davranışları görselleştirilmiştir. Bu deneylerden akışın laminer, geçiş ve türbülanslı bölgelerinin tespit edilmesinde yararlanılmıştır. Bununla birlikte deney sonuçları laminer ayrılma kabarcıklarının (LSB) konumu, boyutu ve oluşumu ile ilgili görüntülerin elde edilmesinde kullanılmıştır.
MiniCTA ile laminer ayrılma kabarcıklarının (LSB) kanat profillerinin yüzeylerindeki bölgelerini tespit etmek için deneyler gerçekleştirilmiştir. Elde edilen veriler kanat yüzeyinde oluşan ayrılma kabarcıklarının (LSB) boyutu ve konumu ile bunların kanatlardaki aerodinamik performansa olan etkilerini ortaya koymuştur. Duman görüntüleri ve MiniCTA yüzey probu ile yapılan deney sonuçları karşılaştırılmıştır. Sonuçların birbiri ile uyumluluk gösterdiği tespit edilmiştir.
Bu çalışma biyo-esinlenmeli kanat profillerinin akış kontrolü ve enerji verimliliği açısından potansiyel faydalarını vurgulayarak, gelecekteki tasarım ve optimizasyon çalışmalarına katkı sağlamayı amaçlamaktadır.

Abstract:
This thesis study was carried out to examine the aerodynamic characteristics of the bio-inspired wing model in low Reynolds number air distribution. The high flight abilities and maneuverability of pterosaurs were used as the basis for conducting bio-inspired experiments. It was aimed to obtain aerodynamic analyzes of Pt01, Pt02 and Pt03 airfoils obtained from 3 different sections inspired by the fossil-based structure of the pterosaur wing in the open-loop subsonic wind tunnel located in the Wind Tunnel Laboratory of the Mechanical Engineering Department of Kütahya Dumlupınar University. In the study, aerodynamic forces and laminar formation separations affecting the wings were analyzed. This experiment was carried out with a force system, a smoke wire system as a flow imaging technique, and MiniCTA surface probes. The experiments are a structure created under different conditions by choosing Reynolds as 25000, 50000 and 75000.
Aerodynamic force measurements and smoke imaging experiments were carried out in increments of 2 degrees, starting from 0 degrees and up to 20 degrees. Lift and drag force coefficients were determined in aerodynamic force measurements. The angles of attack at which the 3 airfoils had stall were determined and the aerodynamic force values obtained from the airfoils were compared with each other.
By performing flow imaging analyzes with smoke wires, the behavior of the wind flow around the wings was visualized. These experiments were used to detect laminar, transitional and turbulent regions of the flow. In addition, the experimental results were used to obtain images regarding the location, size and formation of laminar separation bubbles (LSB).
Experiments were carried out with MiniCTA to detect the regions of laminar separation bubbles (LSB) on the surfaces of airfoils. The data obtained revealed the size and location of separation bubbles (LSB) formed on the wing surface and their effects on the aerodynamic performance of the wings. Smoke images and experimental results with the MiniCTA surface probe were compared. It has been determined that the results are compatible with each other.
This study aims to contribute to future design and optimization studies by highlighting the potential benefits of bio-inspired airfoils in terms of flow control and energy efficiency.