Ardaşık yerleştirilmiş çırpan kanatlı enerji üreticinin deneysel incelenmesi

Enerji ihtiyacının hızlı artışı çevresel ve sürdürülebilirlik kaygılarını de artırmakta. Dolaysıyla temiz ve yenilenebilir enerji insanoğlunu kaçınılmaz arayışı olmaktadır. Doğadan esinlenmiş çırpan kanatlı enerji üreticinin potansiyeli araştırılmıştır. Çırpan kanatlı enerji üreticinin fizibilitesi ve avantajları araştırılmış ve literatürde gösterilmiştir. Fakat yüksek performansa sahip bir çırpan kanatlı enerji üreticisi geliştirmek için literatürdeki bilgeler yetersiz kalmaktadır. Çırpan kanatlı enerji üretici araştırmalarına başlamadan önce çırpan kanatlı mikro hava araçları araştırmalarını incelemekte yarar vardır. Çünkü çırpan kanatların mikro hava araçlarında kullanımı daha fazla araştırılmış ve literatürde daha fazla bilgiye ulaşmak mümkün. Bu çalışma kapsamında ilk önce itki üretmeyi amaçlayan çırpan kanatlı uygulamalar incelenmiştir. Çırpan kanat kullanımı yardımıyla itki kuvveti yaratmanın mümkün olduğu uzun zamandır bilinmektedir. Kanat profilleri üzerindeki daimi olmayan akışlar ile ilgili araştırmaların bir kısmı gerçek döner kanatların karşılaştığı açısal değişimleri simgeleyen yunuslama hareketi üzerine yoğunlaşmıştır. Diğer yandan, biyobenzetim çalışmalarının bir kısmında da yalnız akım yönüne dik ötelenme hareketi incelenmiştir. Eş zamanlı yunuslama ve akıma dik yönde ötelenme hareketlerinden oluşan kanat çırpma hareketi geniş bir parametre alanına sahiptir ve yalnızca yunuslama veya yalnızca akıma dik yönde ötelenme hareketlerinin incelendiği çalışmalara nazaran daha az sayıda araştırmaya konu olmuştur. Yunuslama ve akıma dik yönde ötelenme yapan iki boyutlu bir kanat profili üzerine etkiyen kuvvetleri ölçümü sonucu, yüksek Strouhal sayılarında sinüzoidal olmayan efektif hücum açısı değişimlerinin çoklu girdap oluşumuna ve bunun sonucu olarak da yüksek itki beklenen bölgelerde performans düşüşüne yol açtığı gösterilmiştir. Ancak yüksek Strouhal sayılarında maksimum efektif hücum açısının da büyük olduğu durumlarda, hücum açısı değişimi yüksek mertebe frekans bileşenlerine sahip olmamakta ve çoklu girdap oluşumlarının gerçekleşmediği durumlar da gözlenebilmektedir. Bu çalışmada farklı yaklaşımlar kullanılarak bu tip enerji üretici için yüksek performans sağlayan parametreler belirlenmek amaçlanmıştır. İlk önce tek kanatlı durumlar için üç boyutluluk etkisi araştırılmıştır. İkinci adımda yan duvarların iki ve üç boyutlu durumlara etkisi araştırılmış. Son olarak da iki kanat arası faz açısının çırpan kanatlı enerji üreticisi için ardışık kanat uygulamasına etkisi incelenmiştir. Bu deneysel çalışmada, sinüzoidal ve sinüzoidal olmayan yunuslama ve öteleme hareketi yapan kanat etrafındaki akış yapıları ve kanat üzerine etki eden kuvvetler akım görüntüleme yönteme ve duyarga ile ölçülmüştür. Bütün durumlar için Reynolds sayısı, yunuslama ekseni, yunuslama ve ötelenme genlikleri sabit tutulmuştur. Tek kanatlı serbest ve sınırlandırılmış akış için  = 90° ve 110° faz açısı incelenmiştir. Fakat 90° faz açısı 110° göre daha iyi performans sergilediği göz önünde bulundurularak ardışık kanat uygulamalarında sadece  = 90° kullanılmıştır. İlk iki kategori için hızlı dönüş (TR = 0.1) ve sinüzoidal dönüş (TR = 0.5) arasında hareket parametreleri kısmında belirtildiği gibi beş farklı hareket tipi kullanılmıştır. Deneyler büyük ölçekli su kanalında yapılmıştır. Kanat çırpma hareketleri bilgisayar kontrollü servo motorlarca sağlanmıştır. Tüm PIV verileri 2 CCD kamera kullanılarak Nd:Yag lazer aydınlatma düzleminde alınmış. İki kameradan alınan görüntüler çok az çakıştırılarak ve iki ortak nokta kullanılarak vektör elde edilmeden önce laboratuvarda geliştirilmiş yazılımlar ile birleştirilmektedir. Hız alanları ortalama korelasyon kullanılarak elde edilmiştir. Ortalama korelasyonda sorgulama pencereleri 64 × 64 alınmış ve %50 üst üste bindirme kullanılmıştır. Veri alma hızı her bir periyotta tek kanatlar için 16, ardışık kanatlar için 32 akış alanı temsil edilecek şekilde ayarlanmış ve sırsıyla 25 ve 3 devir süresince veri alınmıştır. Sistem hareket başladıktan sonra 5. periyottan itibaren veri alacak şekilde tetiklenmektedir. Kuvvet ve moment verileri altı eksenli suya dayanıklı eşzamanlı veri alabilen ve kanadın hemen uç plaka sonrasındaki kısmına bağlı kanatla birlikte dönen duyarga ile ölçülmüş. Sensör, kanat ile kanadın dönmesini sağlayan hareket aktarım çubuğunun arasına monte edilmiştir. Kuvvet/moment duyargası model ile beraber dönmekte olduğu için, elde edilen Fx ve Fy kuvvetleri kullanılarak, modelin o anki hücum açısı ile modele etki eden taşıma ve sürükleme kuvvetleri elde edilmektedir. Kuvvet/moment ölçümlerinde, PIV görüntüleri ile senkronize olarak, 10000Hz'de model hareketinin 30 periyodu süresince veri alınmıştır. Ani ve ortalama güç katsayısı, elde edilen verilerin faz ortalaması alınarak tek bir devire indirilip gösterilmiştir. Deneylerden elde edilmiş bazı önemli bulgular bu bölümde kısaca özet şeklinde verilmiştir. Kanat dönüş hızlandıkça daha şiddetli girdaplar daha erken kanat yüzeyinden ayrıldığı gözlemlendi. Üç boyutlu durumlarda hücum kenarı girdapları (LEV) ve kanat ucu girdapları etkileşime girdiği ve şiddeti küçülerek iz bölgesine atıldığı görüldü. Sonuç olarak üç boyutluluk iki boyuta kıyasla verimliliği düşürdüğü elde edildi. Hızlı dönüşler için (TR = 0.1) hiçbir durumda pozitif güç elde edilememiştir. Çırpan kanatlı enerji üreticinin performansı yan duvarlardan çok etkilendiği gözlemlenmiştir. Duvarla sınırlandırılmış akışın sinüzoidal duruma göre sinüzoidal olamayan durumlar için etkisi daha az olduğu gözlemlenmiştir. Sinüzoidal hareketler duvarla sınırlandırılmış akış durumunda serbest akışa göre daha verimli olduğu ölçülmüştür. Fakat duvar ve kanat arasındaki mesafe çok küçük olduğunda verimliliği de olumsuz etkilediği görülmüştür. Sonuçlara bakıldığında en iyi performans veren duvar mesafesi olduğu ve bu duvar mesafesinde kanat üzerinden ayrılan girdapların duvar ile etkileşimi sonucu dönüşlerde harcanan enerjinin belli bir kısmını tazmin edilebileceğini göstermiştir. Ardışık uygulamalarda ön kanat iz bölgesi ile etkileşiminin arka kanadın enerji üretme performansı çok etkilediği görülmüştür. İki kanat arasındaki faz açısı değiştirilerek girdap etkileşim şeklinin değiştiği görüldü. Ön kanattan kopan girdaplar arka kanadın hücum kenarı girdabı (LEV) oluşumu, büyümesi ve kopma şeklini değiştirdiği gözlemlendi. Kanat arası faz açısı ile girdap etkileşim zamanı ve yönü değiştirilebilir. Sonuç olarak faz değişimi ile arka kanadın performans kaybı en düşük seviyeye indirgenebilir. Farklı hareket tipleri için elde edilen sonuçlarda çok farklılık göstermektedir. Sadece sinüzoidal hareket yapan ve faz açısı 135° olan durumda arka kanadın ortalama güç katsayısı tek kanatlı duruma göre daha iyi sonuç verdiği. Ama bütün diğer durumlar için arka kanadın performansı tek kanada göre daha az olduğu görülmüştür Dolaysıyla da enerji üretimi maksimize edilebilir. İncelenmiş bazı durumlarda yapıcı girdap etkileşimi gerçekleşmiştir ve daha güçlü girdap oluşturarak daha yüksek enerji üretmiştir.