Havacılık uygulamaları için açık kaynaklı parametrik bir aerodinamik şekil optimizasyon çerçevesinin geliştirilmesi
Development of an open-source aerodynamic shape optimization framework for aerospace applications
Yazar: BUĞRA BATAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ TAMER ÇALIŞIR ; DR. ŞAHİN YİĞİT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Sürekli büyüyen havacılık sektöründe uçuş sayısının artması nedeniyle uçakların karbon ayak izi de artış göstermektedir. Uçakların aerodinamik performansının iyileştirilmesi kritik bir gereklilik haline gelmiştir. Bu nedenle, uçak bileşenlerinin tasarımında aerodinamik şekil optimizasyonu (ASO) büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, transonik rejimde sabit bir uçak kanadı (ONERA M6) ve N2A-EXTE hava aracının geometrilerini optimize etmek için açık kaynaklı araçlar kullanılarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) tabanlı parametrik bir ASO döngüsü tasarlanmıştır. Sunulan ASO çerçevesi kullanılarak elde edilen sonuçlar, sabit bir kanadın (ONERA M6) taşıma-sürükleme oranı yaklaşık olarak %18 oranında ve N2A-EXTE hava aracı için ise maksimum %10'luk göreceli iyileştirme yaptığını göstermiştir. Optimize edilmiş aerodinamik yüzeylerin üzerindeki basınç dağılımı ve süpersonik bölgelerin başlangıç geometrisi ile kıyaslanması sonucunda yapılan göreceli iyileştirmenin nedenleri ortaya konmuştur. Ayrıca N2A-EXTE hava aracı için oluşturulan yeni tasarımlar için hacim, yüzey alanı ve boylamsal statik kararlılık karakteristiği açısından orijinal hava aracı geometrisi ile kıyaslanmıştır. Jenerik bir kanat ve gerçek bir hava aracı üzerinde yapılan optimizasyon çalışmaları ASO döngüsünün yeterince kararlı olduğunu ve iyi çalıştığını ortaya koymuştur. Bu çalışmada tasarlanan ASO döngüsünde yer alan açık kaynak yazılımlar başka tasarım araçları ile yer değiştirilebilir olup farklı havacılık uygulamalarında ve hava araçlarının ön tasarım aşamalarında kolaylıkla kullanılabilmektedir. Mevcut çalışmada sunulan ASO döngüsü gelecekte yapılacak çok disiplinli ASO çalışmasının ilk adımı olarak düşünülebilir.

Abstract:
As the number of flights in the ever-growing aviation industry increases, so does the carbon footprint of airplanes. Improving the aerodynamic performance of aircraft has become a critical requirement. Therefore, aerodynamic shape optimization (ASO) is of great importance in the design of aircraft components. In this study, a computational fluid dynamics (CFD) based parametric ASO framework is designed using open-source tools to optimize the geometries of a fixed aircraft wing (ONERA M6) and N2A-EXTE aircraft in the transonic regime. The results obtained using the presented ASO framework show that a fixed wing (ONERA M6) improves the transport/drag ratio by approximately 18% and a maximum relative improvement of 10% for the N2A-EXTE aircraft. The reasons for the relative improvement in the pressure distribution over the optimized aerodynamic surfaces and supersonic regions compared to the initial geometry are presented. The new designs for the N2A-EXTE aircraft are also compared with the original aircraft geometry in terms of volume, surface area and longitudinal static stability characteristics. Optimization studies on a generic wing and a real aircraft have shown that the ASO framework is sufficiently stable and works well. The open source software included in the ASO framework designed in this study is interchangeable with other design tools and can be easily used in different aerospace applications and preliminary design stages of aircraft. The ASO framework presented in the present study can be considered as the first step in future multidisciplinary ASO framework.