Esnek kanatların düşük Reynolds sayılarında kararsız aerodinamiğinin incelenmesi
Investigation of unsteady aerodynamics of flexible wings at low Reynolds numbers
Yazar: HACIMURAT DEMİR
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA SERDAR GENÇ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu tez çalışmasında, esnek kanatlarda akışkan-yapı etkileşimi üzerine deneysel ve sayısal çalışmalar yapılmıştır. Bu amaç doğrultusunda, farklı açıklık oranlarına (AR=1, AR=3 ve 2D) sahip esnek kanatlar için farklı hücum açılarında (α=0°-40°) ve Re=2.5x104, 5.0x104 ve 7.5x104 için duman teli deneyi, kuvvet ölçüm deneyi, hız ve deformasyon ölçüm deneyi gerçekleştirilmiştir. Düşük hücum açılarında hücum kenarına yakın kısımda kısa kabarcık gözlemlenmiş ve hücum açısının artışı ile daha geniş hale gelmiştir. Kabarcıktan dolayı hücum kenarından kopan girdaplar firar kenarına doğru hareket etmiş ve kanatta titreşimlere sebep olmuştur. Reynolds sayısı artışıyla tüm esnek kanatlar için kabarcık ve ayrılmış akış bölgesi küçülmüştür ve kanatta farklı titreşim modları ortaya çıkmıştır. 2D esnek kanat AR=1 ve AR=3 esnek kanatlarla karşılaştırıldığında, düşük hücum açılarında oluşan hücum kenarı ayrılmaları
ve kabarcığın daha baskın olduğu gözlemlenmiştir. 2D esnek kanatta uç girdapları oluşmamasından dolayı kabarcık daha etkindir ve aerodinamik performans daha düşüktür. Sayısal modellemeden elde edilen sonuçlar incelendiğinde, esnek kanat üzerinde oluşan deformasyon geometrisi deneysel sonuç ile benzerlik göstermiştir. Ayrıca, ön gerilme değerinin artması ile esnek kanat üzerinde oluşan deformasyonun ve kaldırma kuvvetinin azaldığı görülmüştür. Rijit kanat ile kıyaslandığında tüm ön gerilme değerleri için esnek kanatta daha fazla kaldırma elde edilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Akışkan-Yapı Etkileşimi, Düşük Reynolds Sayısı Aerodinamiği, Esnek Kanat, Laminer Ayrılma Kabarcığı, Titreşim Modu, Yer Değiştirme.

Abstract:
In this thesis, experimental and numerical studies on the fluid-structure interaction in flexible wings were performed. In accordance with this purpose, smoke-wire flow visualization experiment, force measurement, velocity and deformation measurements were conducted for flexible wings with different aspect ratios (AR=1, AR=3 and 2D) at
varying angles of attack (α=0°-40°) and Reynolds numbers of 2.5x104, 5.0x104, and 7.5x104. It was observed that short bubble was seen near the leading edge of the wing at lower angles of attack, and then it became larger with the increasing the angle of attack. Vortices formed from the leading edge due to the bubble moved towards the trailing edge of the wing and caused to vibration on the flexible wing. As Reynolds number increased, the size of the bubble and separated flow region shrank for all flexible membrane wings, and various vibrational modes came into existence on the flexible membrane wings. Leading edge separations and the bubble occurred on the wing at low
angles of attack were larger and more significant for 2D flexible wing compared with AR=1 and AR=3 flexible membrane wings. Due to the absence of tip vortices on 2D flexible wing, separation bubbles were more effective and aerodynamic performance was less. When the results obtained from the numerical modeling were analyzed, it was
understood that the geometry of the deformation region on the wing was similar to the experimental result. Besides, it was seen that deformation on the flexible wing decreased with increasing pre-stress value, and it caused to decrease in lift. Compared with the rigid wing, flexible wing achieved more lift for all pre-stress values.

Keywords: Displacement, Flexible Wing, Fluid Structure Interaction, Laminar Separation Bubble, Low Re Numbers Aerodynamics, Vibration Mode.