Doğadan esinlenmiş bütünleşik uçan kanat tasarımının aerodinamik karakteristiklerinin deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of aerodynamic characteristics of bio-integrated blended wing desing
Yazar: MUHAMMED AKİF ÖZDEN
Danışman: PROF. DR. MUAMMER ÖZGÖREN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET SEYHAN
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Uçak Mühendisliği = Aeronautical Engineering

Özet:
Hızla gelişen günümüz dünyasında, hızlı ve güvenli ulaşımın yanı sıra uzak veya tehlikeli bölgelere erişim talebi artmaktadır. İnsansız Hava Araçları (İHA'lar) veya dronlar, bu talepleri karşılamada kilit bir rol oynar. İnsan müdahalesini ortadan kaldırarak, İHA'lar keşif, gözetim ve zorlu arazilerde ulaşım gibi görevlerde mükemmel performans gösterirler. Bu çok yönlü araçlar aynı zamanda tarım, medya, eğlence ve askeri sektörlerde yüksek manevra kabiliyeti, uzun uçuş süresi ve maliyet etkinliği gibi avantajlar sunmaktadır. Bu tez çalışmasında doğadan esinlenilmiş bütünleşik kanatlı hava aracı tasarımının aerodinamik özelliklerinin deneysel olarak incelenmiştir. Yapılan araştırma biyomimetik bir uygulama olup İHA'ların aerodinamik verimliliğini artırmaya yönelik katkıda bulunulmuştur. Hayalet vatozun kıvrık kanat yapısı ve akrobatik manevralarından esinlenerek taklit edilerek modeller SolidWorks yazılımı ile tasarlandı ve  üç boyutlu baskı teknolojisi kullanarak üretildi. Simetrik olan her bir modelin rüzgâr tünelinde çeşitli hücum açıları ve giriş hızı şartlarında incelendi. Bu testler, emme tipi bir rüzgâr tünelinde kuvvet ölçümlerini, yüzeydeki akış formlarını incelemek için yağ deneyleri olarak gerçekleştirildi. Bütünleşik Kanat (BK) tasarımının aerodinamik karakteristikleri, yağ ve duman deneyleri ile akış görselleştirme nitel sonuçları farklı hücum açılarında sunularak yorumlandı. Altı eksenli kuvvet ölçüm sensörü ile yüksek frekansta sürüklenme ve taşıma kuvvetleri zamanla değişimi ve zaman ortalaması değerlerinin hem hücum açısına hem de geometrik veter (kiriş) uzunluğuna bağlı olarak tarif edilen Reynolds sayısının ses altı akış şartlarında akış karakteristiklerinin belirlenmesi üzerine çalışıldı. Rüzgâr tüneli deneyleri, farklı hücum açıları (0o-25o), farklı Reynolds sayılarında (Re=70.000 ve Re=150.000) akış karakteristikleri, taşıma kuvveti, sürüklenme direnç katsayısı, CL/CD oranları, değerleri farklı geometrik modeller için yapılarak deney sonuçları karşılaştırmalı bir şekilde sunuldu. Hücum açısı arttıkça taşıma kuvvet katsayısı artmaktadır ve sürüklenme direnç katsayısı da artmaktadır. Ancak artan hücum açısıyla birlikte hücum kenarından ayrılan akış yüzeye tutunamadığı için taşıma katsayısında düşme olurken direnç katsayısı artmakta ve sonuç stol (havada tutunamama) durumuna düşmektedir. Önerilen biyomimetik kanat geometrisi ile stol açısı değerinin 14 dereceye kadar geciktirilebileceği görülmüştür. Elde edilen veriler farklı Türbülans modelleri kullanılarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği analiz sonuçlarının öncelikle doğrulanması amaçlı kullanılabilir. Ayrıca, Rüzgâr tüneli deneyleri düşük hızlarda sınırlı olduğu için tam sağlanamayan dinamik benzerlik analizin sağlanması için yüksek hızlarda sayısal analizleri yapılması da faydalı olabilir.

Abstract:
In the rapidly evolving world of today, there is an increasing demand for fast and secure transportation, as well as access to remote or hazardous areas. Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), or drones, play a key role in meeting these demands. By eliminating human intervention, UAVs excel in missions such as reconnaissance, surveillance, and traversing challenging terrains. These versatile vehicles also offer advantages like high maneuverability, prolonged flight durations, and cost-effectiveness in sectors such as agriculture, media, entertainment, and military. This thesis study has been experimentally investigated the aerodynamic characteristics of bio-inspired integrated wing aircraft designs. The performed research is a biomimetic application aimed at enhancing the aerodynamic efficiency of UAVs. Models inspired by the flexible wing structure and acrobatic maneuvers of manta rays were designed using SolidWorks software and produced using 3D printing technology. The models were test by using wind tunnel testing to examine it under various attack angles and inflow speeds. These tests performed in a suction-type wind tunnel have included force measurements, surface oil and smoke flow experiments to study surface flow patterns in the flow field. The results obtained has presented a comparative analysis of experimental outcomes for different geometric models at varying angles of attack (0o-25o) and Reynolds numbers (Re=70.000 and Re=150.000), focusing on flow characteristics, lift/drag forces, lift/drag coefficients and CL/CD ratio. Both the lift force coefficient and the drag force coefficient rise with increasing angle of attack. Stall results from the flow exiting the leading edge being unable to stick on to the surface, which causes the lift coefficient to decrease and the resistance coefficient to increase as the angle of attack increases (inability of air vehicle to hold in the air). The stall angle value can be delayed by up to 14o when using the suggested biomimetic wing geometry. First, the data gathered can be utilized to confirm, using various turbulence models, the findings of computational fluid dynamics research. Additionally, given the limitations of wind tunnel studies conducted at low speeds, numerical analysis carried out at high speeds could be helpful in providing dynamic similarity analysis.