Kanat profili ve kanat burulma açısının adjoint tabanlı aerodinamik tasarım optimizasyonu
Adjoint based aerodynamic design optimization of airfoil and wing twist
Yazar: MERT CANGUL
Danışman: PROF. DR. ATİLLA BIYIKOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering

Özet:
Bu çalışmada, hava aracı için iki boyutlu kanat profili ve üç boyutlu kanat geometrisi için SU2 açık kaynak kodlu HAD çözücüsü ile elde edilen taşıma kuvveti, sürükleme kuvveti, yunuslama momenti katsayısı ve kalınlık oranı değerlerinden yola çıkılarak, aerodinamik tasarım optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Optimizasyon çalışmasının gerçekleştirilmesinde SU2 programı ve Scipy kütüphanesi bir arada kullanılmıştır. SU2 programı ile hesaplanan aerodinamik katsayılar, gradyanlar ve değerler, Scipy kütüphanesinde bulunan ardışık ikinci derece en küçük karesel programlama metodunun girdisidir. Amaç fonksiyonu ve kısıt fonksiyonları için gradyan değerleri, SU2 programının kendi içinde bulunan adjoint çözücü ile hesaplanmıştır. İki boyutlu kanat profilinin tanımlanması için Hick-Henne tümsek fonksiyonları kullanılmışken, üç boyutlu kanat geometrisinin tanımlanması için serbest şekil deformasyonu kutusu kullanılmıştır. Temel eğitim uçağının manevra ve yüksek hız uçuş koşulları için yapılacak HAD analizi koşulları, bu sınıftaki uçakların uçuş kılavuzlarındaki bilgiler doğrultusunda örnek değerler alınarak belirlenmiştir. İki boyutlu çalışmada manevra ve yüksek hız koşulları için, belirtilen hızlarda ve manevrayı sağlayan hücum açılarında sürükleme kuvvetinin en düşük değere ulaştırılması amaç fonksiyonu iken bu koşullardaki taşıma katsayısının sabit kalması eşitlik kısıt fonksiyonu olarak tanımlanmıştır. Eşitsizlik kısıt fonksiyonu olarak yunuslama momenti katsayısı ve kanat profili kalınlık oranı kullanılarak eniyileme gerçekleştirilmiştir. Temel eğitim uçağı için gerçekleştirilen üç boyutlu eniyileme çalışmasında ise kanat genişliği boyunca kanat profilinin burulma açısı değiştirilerek kanat geometrisinin taşıma katsayısı / sürükleme katsayısı oranının maksimum değere ulaştırılması amaçlanmıştır. Ayrıca, Onera M6 kanadının transonik akış bölgesinde sabit taşıma katsayısında sürükleme katsayısını minimum değere ulaştırma amacıyla burulma açısı optimizasyonu da gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
In this study, two-dimensional and three-dimensional aerodynamic design optimizations are performed with SU2 open-source CFD code for an air vehicle regarding lift coefficient, drag coefficient, moment coefficient, and thickness to chord ratio. SU2 optimization cycle is used for the optimization studies including Scipy library. Aerodynamic coefficients and gradients are the input parameters for the sequential least squares quadratic programming optimization algorithm. Gradients of the objective and constraint functions are obtained with adjoint solver of the SU2. Hicks-Henne bump functions are used to parametrize the airfoil. Free Form Deformation box is used to parametrize the wing geometry. In airfoil optimization study, a maneuevering and a high speed contitions are chosen for a basic trainer aircraft to perform multipoint optimization. For these optimization conditions, baseline lift coefficients are defined as the equality constraint function of the baseline airfoil. Moment coefficient and thickness to chord ratio are defined as the inequality constraint function and drag coefficient is defined as the objective function. In three-dimensional study, twist angle optimization is performed for a basic trainer aircraft. Lift to drag ratio is defined as the objective function. Also, twist angle optimization is performed for Onera M6 wing in transonic flow conditions with Euler flow solver. Lift coefficient is defined as the equality function and drag coefficient is defined as the objective function.