Önder kenar yumrularının kanat yelken performansına etkisi

Bu tez çalışmasında, önder kenar yumrularının kanat yelken performansı üzerine etkileri, ticari Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) kodu Star-CCM+ kullanılarak incelenmiştir. Kanat yelkenlerin önder kenarına yumruların eklenerek performans iyileştirilmesi fikri, kendine özgü yüzgeçleri sayesinde hızlı ve yüksek manevra yeteneğine sahip canlılar olan kambur balinaların yüzgeçlerinden esinlenilmiştir. Böylece iyileştirilmiş kanat yelken kullanılarak "America's Cup" teknelerinin yarış rotasını daha kısa sürede bitirmesi hedefleniştir. Bu sebepten dolayı incelenecek kanat yelken olarak 2013 "America's Cup"'ta kullanılan AC72 model teknelerin yelkeni seçilmiştir. Yelkenli tekne hareketlerinin arkasındaki fizik yasalarının, rüzgaraltı ve rüzgarüstü seyirler arasındaki yelken trimi farklarının doğru ortaya konulup anlaşılması; tekne ve yelken tasarımının en iyi şekilde yapılabilmesinde önemli rol oynamaktadır. Dolayısıyla ikinci bölümde, yelken fiziği ve teorisi hakkındaki temel bilgiler açıklanmıştır. Ayrıca yine bu bölümde kanatların ve kanat profillerinin kaldırma kuvveti üretebilmesi hakkındaki teorik bilgiler açıklanmaya çalışılmıştır. Üzerinden sıvı akımı geçen profillerin nasıl kaldırma kuvveti üretebildiği hakkında birçok yaygın ancak yanlış teoriler mevcuttur. Bu sebepten dolayı bu doğa olayı hakkındaki güncel doğru bilgilerin ve teorilerin ortaya konması sonraki aşamalar için önem ve temel arz etmektedir. Kaldırma kuvveti üretimi hakkındaki kabul görmüş en yaygın teori Kutta- Zhukowski teoremidir. Bu teoreme göre profil üzerindeki akım durma noktalarının asimetrik olabilmesi ve dolayısıyla kaldırma kuvveti üretilebilmesi için akıma gövde etrafında bir çevrinti eklenmektedir. Bu çevrintinin eklenmesiyle profil üzerindeki hız artmakta, altındaki hız azalmakta ve dolayısıyla bir basınç farkından dolayı kaldırma kuvveti üretilebilmektedir. Tezin üçüncü bölümünde kanat yelken tasarımı ve mevcut doğadan esinlenilmiş kanat için yapılan literatür çalışmaları incelenmiştir. Literatürde kambur balina kanadının morfolojisini inceleyen ve özelliklerini ortaya koyan çeşitli çalışmalar bulunmaktadır. Bu çalışmalardan yola çıkılarak, önder kenar yumruların kanat performansı üzerine etkilerini HAD, rüzgar tüneli deneyi ve panel metodu gibi yöntemler ile inceleyen çalımalar araştırılarak bu tezde yer verilmiştir. Kambur balina ve doğadan esinlenilmiş kanatlarda yapılan çalışmalarda, önder kenar yumrularının perdövites açısını geciktirdiği ve yüksek hücum açılarında standart kanada göre daha iyi kaldırma kuvveti / direnç oranı sağladığı görülmüştür. Ancak çalışmalar arasında çeşitli farklar da bulunmaktadır. Örneğin kimi deneylerde önder kenar yumrularının düşük hücum açılarında performansı olumsuz etkilediği görülürken kimi çalışmalarda benzer etki görülmeyerek yumruların düşük açılarda olumsuz etki yapmadığı belirtilmiştir. Ayrıca yumruların performans iyileştirmesini sağlayan fiziksel nedenler hakkında da çeşitli farklı teoriler ortaya konmuştur. Bu fiziksel nedenler hakkındaki teoriler yine 3. bölümde açıklanmaya çalışılmıştır. Bu konu hakkındaki en yaygın teori, yumruların bir girdap jeneratörüne benzer etki yaratarak profil üzerinde akım ayrışmasını engellediği ya da geciktirdiği şeklindedir. Bu sayede kanat üzerinde daha iyi bir basınç dağılımı elde edilerek yüksek hücum açılarında kaldırma kuvveti/direnç oranı iyileştirilebilmektedir. Kanat yelkenlerin ve yumruların etkisinin incelenmesinden önce; HAD analizlerinde en iyi ağ sıklığı, uygun sayısal ve matematiksel modellerin belirlenmesi için validasyon çalışması yapılmıştır. Öncelikli olarak sonraki analizlerde temel olması ve en iyi ağ yoğunluğunu belirleme amacıyla ağ bağımsızlığı çalışması gerçekleştirilmiştir. Ağ yoğunluğu kanat yelkenin profil uzunluğu cinsinden fonksiyonu olacak şekilde sistematik olarak azaltılmıştır. NACA 0012 profiline sahip 150mm uzunluğa ve genişliğe sahip bir kanadın performansı, Tezel ve diğerleri (2015) tarafından Piri Reis Üniversitesi'nde yapılan rüzgâr tüneli deneyinin verileri ile karşılaştırılmıştır. Kanat, Star-CCM+ 'ın daimi olmayan "Reynolds Ortalamalı Navier-Stokes Denklemi Çözücüsü" (U-RANS) kullanılarak 10 ila 32 derece arasında değişen hücum açılarında analiz edilmiştir. Daimi olmayan çözücü kullanılmasının sebebi akım ayrışmalarının önemli olduğu bir analiz gerçekleştirildiği içindir. Deneyde kullanılan rüzgar tüneli ve kanadın yerleşimi birebir HAD ortamına aktarılarak çeşitli türbülans modelleri ile analizler gerçekleştirilmiştir. Yapılan çalışmada deneysel verilere en yakın sonuç "implicit unsetady" çözüm metodu ve " Shear Stress Transport k-w (SST k-w)" türbülans modeli kullanılarak elde edilmiştir. Bu türbülans modelinin avantajı görece bilgisayar işlemci gereksinimini çok arttırmaması ve daha önemlisi, akım ayrılması olan durumlarda diğer türbülans modellerine göre daha doğru sonuç vermesidir. Farklı hücum açılarında deney ile hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi arasında benzer davranışlar olduğu görülmüştür. Ayrıca yine aynı rüzgâr tüneli deneyinde kanadın önder kenarına yumrular eklenerek yapılan çalışma da HAD ortamında tekrarlanmış ve deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Hem HAD hem de deney sonuçları yumru eklenmiş kanadın düz kanattan genel olarak daha iyi performans verdiğini göstermiştir. Düz kanat 24 derece hücum açısı yakınlarında perdövites yaşarken yumru eklenmiş kanat düz kanada göre önemli derecede daha fazla kaldırma kuvveti üretmeye devam etmiştir. Bir sonraki aşama olarak 2013 "America's Cup" yarışlarında kullanılan AC72 teknesinin kanat yelkenini incelemeye geçilmiştir. Yelkenin geometrisi 2011 yılında yayınlanan kural kitabına göre dizayn edilmiştir. Kuralda yelken 12 parçaya bölünmüş ve her parçadaki profil uzunluğu maksimum ve minimum değerler arasında kısıtlanmış. Ayrıca yelkenin toplam alanı 255 ile 260 metrekare arasında olmak zorundadır. Kural profil seçimi ve toplam kanat parça sayısı konusunda takımları serbest bırakmıştır. Katı kanat yelkenler kumaş yelkenler gibi bombe açısını rüzgara göre ayarlayamadıkları için, bombe oluşturmak amacıyla belli bir eksende dönebilen birden fazla parçaya sahip yelkenden oluşmaktadır. Çok parçalı kanat yelkenler bir nevi uçak kanatlarındaki flaplar gibi düşünülebilir. Yarışmada takımlar 2'den fazla parçaya sahip yelkeni kontrol etmenin fazla zor olmasından ve elde edilen performans getirisinin iki parçadan sonra çok artmamasında dolayı, ana parça ve flap'dan oluşan üzere iki parçalı kanat yelken kullanmışlardır. Dolayısıyla bu tezde de iki parçalı 257 metrekare alana sahip bir yelken dizayn edilmiş ve yelken profili olarak yapılan araştırmalara göre öndeki ana parçada NACA 0025 arkadaki flap olarak adlandırılan parçada NACA 0009 kullanılmıştır. Yelken geometrisinin oluşturulmasından sonra yumruların etkisini HAD ortamında incelemek üzere 6 farklı yumru boyutundan oluşan bir test matrisi oluşturulmuştur. Yumru geometrisi sinüs dalgası şeklinde tasarlanmış, dalganın genliği ve yüksekliği profil uzunluğunun fonksiyonu olacak şekilde sistematik olarak değiştirilmiştir. Başlangıç analizi olarak yumruya sahip olmayan düz kanat yelkenin kaldırma kuvveti katsayısı, direnç katsayısı ve kaldırma kuvveti/direnç oranı 140'den 320'ye kadar olan hücum açılarında 20 artım aralığı olacak şekilde elde edilmiştir. Böylece yelkenin perdövites açısı ve genel karakteristiği karşılaştırma için ortaya konmuştur. Düz yelken için perdövites hücum açısının 260 olduğu gözlemlenmiştir. Daha sonra yumru eklenmiş 6 adet kanat yelken 230 ve 300 açılarda incelenmiş ve yelkenin kaldırma kuvveti katsayısı, direnç katsayısı ve kaldırma kuvveti/direnç oranı ölçülmüştür. Böylelikle yumruların etkisinin, perdövites öncesi ve sonrası hücum açılarındaki etkileri düz kanat yelken ile karşılaştırılabilmiştir. En iyi sonuçlar, en yüksek dalga boyu ve düşük genliğe sahip yumru geometrisi ile elde edilmiştir.300 hücum açısında bu yumru geometrisine sahip kanat yelkenin düz yelkene oranla yaklaşık %30 daha iyi kaldırma kuvveti/direnç oranı sağladığı görülmüştür. Son aşama olarak, düz kanat yelken ile en iyi performans artışını sağlayan yumruya sahip modifiye yelken daha detaylı bir karşılaştırma yapabilmek için 140'den 320'ye kadar olan tüm hücum açılarında 20'lik artışlar ile incelenmiştir. Analiz sonuçlarına göre yumrulu kanat yelken ile düz kanat yelkenin perdövites hücum açısı aynı kalırken, daha yüksek hücum açılarında önder kenar yumrusu eklenmiş yelkenin 320 açıya kadar yaklaşık %30'luk performans artışını koruduğu gözlemlenmiştir. Diğer bir sonuç ise perdövites hücum açısından küçük açılarda yumruların genel performansı ihmal edilebilecek düzeyde etkilediği yönündedir. HAD analizlerinin sonuçları ve yorumları tezin beşinci bölümünde ele alınmıştır.