Biyomimetik tabanlı uçak kanadı tasarımı
Biomimetic based aircraft wing design
Yazar: ANIL AKDEMİR
Danışman: PROF. DR. HÜDAYİM BAŞAK
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Endüstriyel Tasarım Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Gökyüzünde uçan tüm canlıların ve nesnelerin aerodinamik performansı en çok kanat şeklinden etkilenmektedir. Bu nedenle, tasarım yapılırken en kritik aşama aerodinamik verimliliği yüksek bir kanat tasarlamaktır. Bu süreçte oluşturulan tasarımların yüksek kaldırma kuvvetine, düşük rüzgâr direncine ve dengeli bir uçuşa sahip olmaları amaçlanmaktadır. Tez çalışması kapsamında, amaçlanan tasarıma ulaşabilmek için Biyomimetik bilim dalından faydalanılmış ve doğada aerodinamik performansı en yüksek olan kuş türlerine benzetilerek yeni kanat tasarımları oluşturulmuştur. Tasarımlar oluşturulurken aerodinamik ve yapısal analizlerde kıyaslama yapılabilmesi için kanat geometrisinde, kullanılan malzemede ve seçilen kanat kesitinde Cessna 172 uçak kanadı referans alınmıştır. İki boyutlu kanat kesiti seçimi için literatür araştırması sonucunda en çok tercih edilen kesitler ile Cessna 172 uçağının kanat kesiti olan NACA2412 akış analizinde karşılaştırılmıştır. XFLR5 programında yapılan akış testinde 106 Reynold değerindeki ve 0°-20° hücum açısı aralığındaki kanat kesitlerinin aerodinamik performansları incelenmiştir. Bu incelemeye göre NACA2412 kesitinin aerodinamik verimi diğer kesitlere göre daha yüksek çıkmıştır. Üç boyutlu akış analizinde ise Biyomimetik kanat tasarımları ile Cessna 172 uçağının kanadı, XFLR5 programında -8° ve 8° hücum açısı aralığında 63 ms-1 seyir hızında incelenmiştir. Albatrosa benzetilerek oluşturulan kanat tasarımının aerodinamik veriminin diğer tasarımlara göre daha yüksek olduğu görülmüştür. Akış analizleri sonucunda albatros kanat tasarımı, Cessna 172 uçak kanadı tasarımına göre kaldırma katsayısında %6,26, sürükleme katsayısında %15,73, süzülme oranında %15,16 iyileşme sağlamıştır. Ayrıca kanat ucunda oluşan girdaplı hava akışında da iyileşme olduğu gözlemlenmiştir. Yapısal analiz için Ansys programında Albatrosa benzetilen kanat ve Cessna 172 uçağının kanadının tekrar analizleri gerçekleştirilmiştir. Akış analizi sonuçlarında elde edilen basınç değerleri, yapısal analizde kanat üzerinde yük dağılımı olarak kullanılmıştır. Aynı malzeme kullanılarak oluşturulan tasarımlarda, albatrostan esinlenerek oluşturulan kanadın ağırlığının halihazırda kullanımda olan Cessna 172 uçağının kanat ağırlığına göre %34,156 daha az olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca albatros kanat tasarımının kanat ucunda oluşan deformasyonun da Cessna 172 uçağında oluşan deformasyona göre %50,902 daha az olduğu görülmüştür.

Abstract:
The aerodynamic performance of all living things and objects that fly in the sky is most affected by the shape of their wings. Therefore, the most critical step in design is to achieve a wing with a high aerodynamic efficiency. The designs which have been created in this process are expected to have high lift, low drag and stable flight. Within the scope of the thesis study, in order to reach the intended design, the science of Biomimetics was used and new wing designs were created by simulating numerous the bird species' wings which have the highest aerodynamic performance in nature. The most preferred sections were defined as a result of the literature search for two-dimensional wing section selection and they were compared with the wing section of Cessna 172 aircraft, NACA2412, in flow analysis. In the flow test performed in the XFLR5 program, the aerodynamic performances of the wing sections at 106 Reynolds value and 0°-20° angle of attack were investigated. According to this analysis, the aerodynamic efficiency of the NACA2412 section was higher than the other sections. In the three-dimensional flow analysis, biomimetic wing designs and the wing of Cessna 172 aircraft were examined in the XFLR5 program at a cruising speed of 63 ms-1 between -8° and 8° angle of attack. It has been observed that the aerodynamic efficiency of the wing design, which is inspired by the albatross, is higher than the other designs. As a result of the flow analysis, the albatross wing design provided %6,26 improvement in lift coefficient, %15,73 in drag coefficient and %15,16 improvement in glide ratio compared to Cessna 172 aircraft wing design. For structural analysis, the wing which was inspired by the albatross and the wing of Cessna 172 aircraft were redrawn in the Ansys program. The pressure values obtained from the flow analysis results were used as the load distribution on the wing in the structural analysis. In the designs created using the same material, it was observed that the weight of the wing inspired by the albatross was %34,156 less than the wing weight of the Cessna 172 aircraft. In addition, the deformation of the wing tip of the albatross wing design was %50,902 less than the deformation of the Cessna 172 aircraft.