Bir insansız hava aracı pervanesinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği yardımıyla sayısal analizi ve aeroakustik optimizasyonu
Numerical analysis and aeroacoustic optimization of a uav propeller using computational fluid dynamics
Yazar: VEYSEL EROL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET ŞUMNU ; DR. ÖĞR. ÜYESİ YÜKSEL ERASLAN
İskenderun Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Havacılık Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering

Özet:
İnsansız hava araçları (İHA), çeşitli endüstrilerde (tarım, arama-kurtarma ve gözlem vb.) yaygın hale gelmiştir. Verimli ve çok yönlü çözümler sunmaktadır. Artan kullanım ile insan ve çevre sağlığına etkisi araştırma konusu haline gelmiştir. Topluma yakın çevredeki gürültü emisyonları sakinler üzerinde önemli bir olumsuz etkiye sahiptir. Dikkat edilmesi gereken bir nokta, pervane palası tasarımı ve pervanenin çalışmasıyla oluşan gürültü emisyonlarını azaltmaktır. İHA pervane palalarındaki basınç dalgalanmaları, pala uçlarında oluşan girdap ve pala arkasında oluşan türbülans etkileri gibi nedenler gürültüye sebep olabilir. Bu gürültü kontrolünün tasarım etkenleri dikkate alınarak yapılmasına odaklanılmıştır. Bu tez çalışmasında, pala kesit geometrisinin aerodinamik performansında iyileştirilme çalışması yapılmıştır. Ardından doğrulanan yöntemin 3 boyutlu pervane geometrisinin aeroakustik optimizasyon çalışması yoluyla pala açısının akustik güç seviyesi üzerindeki etkisi incelenmiştir. Pala kesit profili olarak NACA4412 ve E63, pervane modeli olarak 280 mm çapında 2 palalı bir pervane (GHK 11x4,7SF) kullanılmıştır. Pala kesit geometrileri ve pervane modeli ANSYS Fluent programı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi kullanılarak oluşturulmuştur. Pala kesit geometrisinin aerodinamik performans (taşıma-sürükleme oranı) oranına bakılırken pervane modelinin akustik güç seviyesi incelenmiştir. Pala kesit geometrisi için Taguchi L9 ortogonal dizisi kullanılırken pervane için Taguchi L27  metodu kullanılarak, pala kesit geometrisi için optimum aerodinamik ve pervane modeli için optimum aeroakustik performans elde etmek amacıyla optimizasyon çalışması yapılmıştır. Kesit ve şekil optimizasyon çalışması neticesinde itkiden bir miktar kayıp ile pervane akustik güç seviyesinde en az 4,36 dB ve en fazla 7,126 dB düşüş elde edilebileceği gösterilmiştir.

Abstract:
Unmanned aerial vehicles (UAVs) have become widespread in various industries (agriculture, search and rescue and observation, etc.). They offer efficient and versatile solutions. With increasing use, their effects on human and environmental health have become a subject of research. Noise emissions in the environment close to the society have a significant negative impact on the residents. A point to be considered is to reduce the noise emissions generated by the propeller blade design and propeller operation. Pressure fluctuations in UAV propeller blades, vortexes formed at the blade tips and turbulence effects formed behind the blade can cause noise. This noise control is focused on considering the design factors. In this thesis study, an improvement study was carried out in the aerodynamic performance of the blade section geometry. Then, the effect of the blade angle on the acoustic power level was investigated through the aeroacoustic optimization study of the 3D propeller geometry of the verified method. NACA4412 and E63 were used as blade section profiles, and a 2-blade propeller (APC 11x4,7SF) with 280 mm diameter was used as the propeller model. Blade section geometries and propeller model were created using the ANSYS Fluent program Computational Fluid Dynamics (CFD) method. While the aerodynamic performance (lift-drag ratio) ratio of the blade section geometry was examined, the acoustic power level of the propeller model was examined. While Taguchi L9 orthogonal array was used for the blade section geometry, Taguchi L27 method was used for the propeller, an optimization study was carried out in order to obtain optimum aerodynamic performance for the blade section geometry and optimum aeroacoustic performance for the propeller model. As a result of the section and shape optimization study, it was shown that a decrease of at least 4,36 dB and at most 7,126 dB could be achieved in the propeller acoustic power level with some loss of thrust.