Çırpan kanat aerodinamiğinde esneklik etkilerinin deneysel olarak incelenmesi

Bu doktora tezinde, esnek kanatların çırpan kanat aerodinamiğindeki etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Bu amaçla bir tane rijit kanat ve üç tane veter doğrultusunda esnek kanat üretilmiş ve kanatların aerodinamik performansları su kanalı deneyleriyle karşılaştırılmıştır. Parçacık Görüntüleyerek Hız Ölçümü sistemi ile kanat etrafı anlık hız alanları ve girdap yapıları belirlenmiş, eş zamanlı olarak kuvvet ölçümleri alınmıştır. Görüntü alma sistemi aynı zamanda esnek kanatların anlık deformasyonlarını elde etmek için de kullanılmıştır. Doğal frekans etkileri ve kanat deformasyonları kuvvet verileri ve verimlilik ile ilişkilendirilmiştir. Doğada kanat çırpma hareketi yapan uçucu ya da yüzücü hayvanlara baktığımızda, kanatlarında ya da kuyruklarında esnek yapılara sahip olduğunu görebiliriz. Bu yüzden, doğayı örnek alınarak yapılacak olan hava/su aracı tasarımlarında bu esneklik etkilerinin incelenip anlaşılması önem taşımaktadır. Ana amaç olarak, harmonik çırpma hareketi ya da ani yunuslama hareketi yapan kanatların farklı esneklik dereceleri altında aerodinamik performanslarının incelenmesi hedeflenmiştir. Deneyler İstanbul Teknik Üniversitesi, Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesi'ne bağlı Trisonik Laboratuvarı'nda bulunan kapalı devre, açık yüzey, geniş ölçekli su kanalında gerçekleştirilmiştir. Deneylerde iki farklı hareket gerçekleştirilmiştir. Bunlardan birisi ani yunuslama hareketi olarak tanımlayacağımız, belirli bir sürede gerçekleşen hücum açısı değişimi ve sonrasında kanadın sabit hücum açısında kaldığı hareket tipidir. Kanatlara yunuslama hareketi Kollmorgen/Danaher Motion AKM33E servo motor kullanılarak verilmiştir. Kanat modellerine hızlı ve yavaş olmak üzere iki tip yunuslama hareketi verilmiştir. Kanatlar 0° hücum açısından 45° hücum açısına hızlı durumda 1 saniyede, yavaş durumda 6 saniyede getirilmiştir. Bunlar sırasıyla 1 ve 6 taşınım zamanına denk gelmektedir. Motor hareket profilleri belirli genlik ve süre için Labview programıyla oluşturulmuştur. Labview aynı zamanda kuvvet verisi alımını ve PIV sistemini senkronize çalışması için tetiklemektedir. Diğer hareket türü ise harmonik kosinüs konum fonksiyonu ile oluşturulan ötelenme hareketidir. Modellerin ötelenme hareketi Kollmorgen/ Danaher Motion AKM54K servo motor ile sağlanmıştır. Farklı genlikler ve frekanslar için ötelenme hareketi profilleri yunuslama hareketinde olduğu gibi Labview programı ile oluşturulmuştur. Deneyler dört farklı malzemeden üretilen kanatlar ile gerçekleştirilmiştir: pleksiglas malzemeden üretilen rijit kanat, esnek kanat olarak homojen polikarbon levha (lexan), asetat kanat ve üç boyutlu yazıcıda basılan kanat. Rijit kanat 5 mm kalınlığına, 100 mm veter uzunluğuna sahip olup her tarafının aydınlatılabilmesi için şeffaftır. Esnek kanatların hücum kenarında bulunan 10 mm metal parça ile kanatların veter boyunca esnekliğe sahip olmaları sağlanmış olup açıklık boyunca olan esneklik engellenmiştir. Kanatların bağlantı ve dönme ekseni hücum kenarı olup bu eksen aynı zamanda kuvvet sensörünün merkezi ile çakışmaktadır. Üretilen kanat modellerinin doğal frekansları bu tezin ana parametrelerinden birisidir. Hareket parametreleri bu doğal frekanslar göz önünde bulundurularak belirlenmiştir. Doğal frekans belirlenirken kanatlar su kanalının içerisinde, kendi deney pozisyonunda bulunurken ani yükleme ile veter doğrultusunda serbest salınımları sağlanmış ve sensör verileri hareket sönümleninceye kadar kaydedilmiştir. Bu verilerin analizi sonucunda rijit, lexan, baskı ve asetat kanatların doğal frekansları sırasıyla 7.40 Hz, 2.32 Hz, 1.25 Hz, 0.51 Hz olarak belirlenmiştir. Kuvvet verisi altı bileşenli ATI NANO-17 IP68 Kuvvet/Tork sensörü ile alınmıştır. Sensör model çubuğu ile motordan gelen çubuk arasına, z-ekseni kanadın hücum kenarına denk gelecek şekilde yerleştirilmiştir. Yunuslama hareketi yapan rijit kanatlar için, yavaş ya da hızlı harekette, akış genel olarak açıklık oranı AR=4 ve üzerinde iki boyutlu karakter göstermektedir. Hareket süresince, açıklık oranının etkisi kuvvet dağılımının karakterini değiştirmeden kuvvet genliğini ötelemek şeklinde olmaktadır. Açıklık oranının dolayısıyla akışın üç boyutluluğunun etkisi hareket bittikten sonra belirleyici olmaktadır. Kuvvet dağılımlarındaki lokal maksimumlar açıklık oranı AR > 2 için görülmektedir. AR ≥ 6 durumunda iki tepe noktası oluşmaktadır. Bu ikincil hatta üçüncül tepe noktaları yeni oluşan hücum kenarı girdabı dolayısıyla meydana gelmektedir. Kanatların efektif açıklık oranları aynı olsa bile, simetri ekseni kullanılanların, simetri ekseni kullanılmadan tamamen daldırılarak elde edilen açıklık oranlı kanatlar ile aynı akış topolojisine ve kuvvet-zaman dağılımlarına sahip olmadıkları görülmüştür. Akışın üç boyutluluğu sebebiyle bazı küçük farklılıklar oluşmaktadır. Bu yüzden, simetri ekseni vazifesi görecek plaka dikkatli bir şekilde kullanılmalı ve kanat ile bu plaka arasındaki mesafe iyi ayarlanmalıdır. Bu çalışmada bu mesafe 2 mm (diğer bir deyişle veter uzunluğunun %2'si) kadardır. Esnek kanatlarda yunuslama hareketi ana olarak gelen akışın kanatları deforme etmesi ile ilintilidir. Esnekliği en yüksek kanat olan asetat kanatta bu eğilme deformasyonu miktarı daha fazla olmakta bu da hücum açısını azaltmaktadır. Sonuç olarak da asetat kanatta düşük CD elde edilmektedir. Akış yapıları incelendiğinde, asetat kanatta akım çizgileri hem yavaş hem hızlı hareket durumunda diğer kanatlardan farklılıklar göstermektedir. Sürekli bir hücum kenarı girdabı ve firar kenarı girdabı oluşumu asetat kanat için gözlenmektedir. Ötelenme hareketi yapan rijit kanatlarda, hareket ile akışa dik kuvvet bileşeni arasında oluşan faz farkı, kanat çırpma frekansı arttıkça azalmaktadır. Belirli bir frekans için faz farkı, kanat çırpma genliği arttıkça artmaktadır. Kanadın iz bölgesinde oluşan girdaplar arasındaki yatay mesafenin dağılım grafiği ile akışa dik kuvvet bileşeninin fazlarının değişim grafiği benzer özellikler göstermektedir. Diğer taraftan, düşük kanat çırpma frekanslarında, akış doğrultusundaki kuvvet fazları çırpma genliği arttıkça azalmaktadır. Bu faz azalması, faz 90° değerine yakınsayacak şekilde devam etmekte, bu da kanadın maksimum hızına sahip olduğu duruma denk gelmektedir. Fazlar minimum değerine eriştikten sonra artış trendine girmektedir. Minimum faz gecikmesi, sürükleme rejiminden itki rejimine geçildiği ve maksimum verim elde edildiği indirgenmiş frekans ile çakışmaktadır. İtki üretilmeye başlandığında akış doğrultusundaki kuvvet fazları artışa geçmektedir. Ayrıca, girdap yapılarına bakıldığında, sürüklemeden itkiye geçiş, hücum kenarı girdabının hücum kenarı civarında kalmaya başladığı ve kanat üzerinden iz bölgesine doğru ilerlemediği durumda görülmüştür. Esnek çırpan kanatlarda, kanatlar doğal frekans civarında çırptırıldığında (f/fn ~1), firar kenarı genliği dağılımı tepe noktası yapmaktadır. Asetat kanat için doğal frekanstan daha büyük çırpma frekansları test edilebilmektedir ve f/fn = 2'den sonra firar kenarı genlikleri tekrar artışa geçmektedir. Genlik değerleri ölçüm aralığının maksimumu olan f/fn = 4.4'e kadar sürekli artış göstermektedir. Bu gözlem, rezonans frekansının ötesindeki çırpma frekanslarında da yüksek firar kenarı genliği elde edildiğini göstermektedir. Esnek kanatlar Φy fazlarında rijit kanatlara göre oldukça farklı dağılım göstermektedir. Doğal frekansın, Φy fazları üzerinde etkisi olduğu görülmektedir. Faz değerleri doğal frekans civarına kadar artmakta, daha sonra bir azalış ve sonrasında artış davranışı sergilemektedir (asetat kanat için gözlenebilir). Doğal frekansın yanında, çırpma genliğinin de fazlar üzerinde doğal frekans civarında görülen tepe noktasını yok edici şekilde etkisi vardır. Bu da doğal frekansın ve çırpma genliğinin birlikte yorumlanması gerektiğini göstermektedir. Birleştirilmiş Φy - ΦTE faz grafiklerinde ise ilginç bir sonuç elde edilmiştir: firar kenarı fazları ve Φy kuvvet fazları farklı kanatlar için farklı çırpma frekanslarında kesişmektedirler. Kesiştikleri frekanslar kanadın doğal frekansına denk düşmektedir. Diğer bir deyişle, Φy ve ΦTE fazları kanatlar doğal frekanslarında çırptırıldığında birbirine eşittir. Esnek kanatlar, firar kenarının ve Fy kuvveti fazlarının eşit olduğu doğal frekans salınımlarında yüksek verimliliğe sahiptirler. Rijit kanatların aksine, Φx fazlarının değişimi esnek kanatlarda Φy fazları ile benzerlik göstermektedir. Bu benzerlik, esneklik etkilerinin sadece akıma dik doğrultudaki kuvvetlere değil akım doğrultusundaki kuvvetlere katkı sağladığını göstermektedir. Esnek kanatlarda firar kenarının eğilmesiyle beraber, elastik kuvvetler hem akıma dik doğrultuda hem de akım doğrultusunda ortaya çıkmaktadır. Iki kuvvet bileşeni arasındaki bu benzerlik, özellikle akış doğrultusundaki kuvvetlerde elastik kuvvetlerin diğer kuvvetlere (sirkülasyon ve zahiri kütle) baskın olduğunu göstermektedir. Verimlilik tepe noktaları kanat çırpma genliği arttırıldığında daha yüksek Strouhal sayılarına doğru kaymaktadır. Esnek kanatlarda maksimum verimlilik 0.1 – 0.6 Strouhal sayısı aralığında elde edilmiştir. Yüksek verim bölgesi literatürde 0.2 – 0.4 Strouhal sayısı aralığında belirtilmiştir ve esnek kanatlar için de bu aralık genellikle geçerlidir. Aralığın sınırları farklı genliklerde çırpan esnek kanatlar için biraz genişletilmiştir. Aynı girdap yapıları esnek kanatlarda hareket döngüsünün farklı evrelerinde oluşmaktadır. Firar kenarı hareketinin girdap oluşum zamanını belirlediği gözlenmiştir. Kanatlar daha esnek hale geldikçe, firar kenarında oluşan girdaplar gecikmekte ve bunun sonucunda firar kenarı girdap yapıları bir kanat çırpma periyodunda daha geç oluşmaktadır. Veter boyunca olan esnekliğin burada sunulan parametreler ile firar kenarı girdap zamanlamasını ve girdap şiddetini değiştirdiği fakat hücum kenarı girdap yapılarına belirgin bir etkisinin olmadığı görülmüştür. Rijit kanat için, girdaplar bir veter uzunluğu mesafeden sonra patlamaktadır. Kanatlar esnek hale geldikçe girdaplar daha geç patlamaya başlamaktadır. En esnek kanat olan asetat kanatta girdaplar ölçüm alanının tamamında bütünlüğünü korumakta ve takip edilebilmektedirler. Ayrıca, iz bölgesinde görülen girdap sayısı da kanat esnekliği arttıkça artmaktadır. Doğal frekansı civarında çırpan esnek kanatların firar kenarı zamanlamasıyla beraber kanat etrafında oluşan yüksek hız alanlarını destekleyip bunlardan faydalandığı gözlenmiştir. Diğer düşük verimli durumlar ise bunu gerçekleştirememektedir. Bunu bir çeşit akışı "yakalayıp" girdaplar vasıtasıyla iz bölgesine aktarma şeklinde düşünebiliriz. Bu durumun da yüksek verimlilik için anahtar noktalardan biri olduğu görülmüştür.