Dikey kanatçıkların tamamen batmış sualtı kanatlarına etkilerinin sayısal yöntemle incelenmesi

Kanatlar bir yüzeyde akışkanın diğer yüzeyine göre daha yüksek hızda ve alçak basınçta akması prensibi ile iki yüzey arasında basınç farkı yaratarak kaldırma kuvveti oluşturmak amacı ile tasarlanan yapılardır. Bu sayede kaldırma kuvveti elde edilir. Ancak kanatların uç noktaları yüksek basınçtan alçak basınca ikincil bir akışın söz konusu olduğu kanadın performansını olumsuz etkileyen bir girdabı oluşturur. Bu girdabın etkilerinin azaltılıp kanadın performansını arttırmak yüz yıla yakın bir süredir özellikle havacılıkta önemli bir araştırma konusudur. Kanatçık ismi verilen ve kanat uçlarına belli bir açı ile yerleştirilen ek kanat parçalarının tasarımı bu konuda yürütülen araştırmaların büyük bir kısmını oluşturmaktadır. Tahmin edileceği üzere, bahsi geçen uç girdap sorunu, ayaklı tekne ismi verilen deniz araçlarının altına yerleştirilen ve hava yerine suda işlev gören kanatlar için de geçerlidir. Bu çalışmada basit geometrilere sahip kanatçık yapılarının, her kanatta benzer özellikler gösterecek temel parametrelerinin değişimlerinin, su altında kullanılan bir kanadın verimine olan etkileri incelenmiştir. Bölüm 1 ve 2 de kanatların çalışma prensibi, ayaklı tekneler ve kanatçıklar hakkında genel bilgi ve literatürde yapılan çalışmalar yer almaktadır. Sonuç elde etmek amacı ile Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) kullanılmıştır. HAD analizlerinin yönetici denklemleri, Reynolds ortalaması alınmış Navier Stokes (RANS) temelli nümerik çalışmanın daimi akış için basınç hız-bağıntısı veren ayrıklaştırma yöntemi olan SIMPLE algoritması ve sınır tabaka akış çözümlemesi için seçilen SST k-ω türbülans modeli hakkında detaylı bilgi Bölüm 3 te verilmiştir. Çalışmada temel olarak NACA0012 kesitli, kesit uzunluğu 1 metre, yan oranı 6 olan dikdörtgen kanat kullanılmıştır. Tüm çalışma boyunca temel kanadın hücum açısı 5o de ve Reynolds sayısı 6x106 da sabit tutulmuştur. Analizler için oluşturulan çözüm hacimleri ayna prensibi kullanılarak yarı kanat açıklığı etrafında oluşturulmuştur. Kesitleri NACA0006 olarak seçilen kanatçıkların bahsi geçen temel kanatın uç kısmına eklenmesiyle oluşturulan yeni kanat yapılarının performansları, incelenen her bir parametre için birbirleri ile ve kanatçıksız temel kanat ile karşılaştırılmıştır. Kanatçıklar genel olarak kolay üretilmesi basit bir temel geometri olarak 0.3 sivrilme oranı ile kama kanat olarak ele alınmıştır. Kanat ve kanatçık geometri parametreleri, kullanılan çözüm ağının özelliklerinin detayları ve akışkan özellikleri Bölüm 4 te verilmiştir. Kullanılan HAD çözüm ağı ve yönteminin tutarlılığı ve güvenilirliğini kontrol etmek amacı ile bir geçerleme çalışması yapılmıştır. Geçerleme çalışması üç ayrı bölüme ayrılmıştır. İlk olarak NACA0012 kesiti etrafındaki akışın ve sınır tabakanın modellenmesinin kontrolü amacı ile iki boyutlu geçerleme çalışması, NASA tarafından geliştirilen CFL3D HAD kodunun sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Daha sonra iki boyutlu olarak yeterli görülen çözüm ağının kanat açıklığı boyunca dağılımının kontrolü için iki buçuk boyutlu olarak adlandırılan sonsuz yan oranlı kanadı temsil eden çözüm ağının geçerlemesi yapılmıştır. En son olarak üç boyutlu çözüm ağının kontrolü iki buçuk boyutlu geçerleme çalışmalarından elde edilen profil sürüklenme kuvveti katsayısı ile kaldırıcı hat metodu ile elde edilen kaldırma kuvveti katsayısı ve indüklenmiş sürüklenme kuvveti katsayısı kullanılarak yapılmıştır. Ağdan bağımsızlık çalışmaları geçerleme çalışmaları ile birlikte yürütülmüş ve 3 boyutlu kanat için seçilmiş nihai çözüm ağı parametreleri kanatçıklı kanatların çözüm ağları oluşturulurken aynen korunmuştur. Ağdan bağımsızlık ve geçerleme çalışmaları ile ilgili detaylı bilgi Bölüm 5 te yer almaktadır. Bölüm 6 da çeşitli kanatçık geometrili kanatların sonuçlarını birbirleri ile ve kanatçıksız kanat ile karşılaştırılmalarının yorumları yer almaktadır. Bu çalışmada incelenen kanatçık geometrisi parametreleri, kanatçık kök kesit uzunluğunun temel kanat kesit uzunluğuna oranı, kanatçık kanat açıklığının temel kanat kesit uzunluğuna oranı, kanatçığın doğrultu yönü ve kanatçık izler kenarının çalıklık açısıdır. Bu parametrelerden ilk ikisi, sırası ile CCR, SCR, DW ve β olarak sembolize edilmiştir. Optimal değerlerinin farklı temel kanatlarda ve farklı akış şartlarında değişiklik gösterebileceğinden dolayı kant-kanatçık bağlantı kısmına ovalleştirme yarıçapı ve kanatçık burulma açısı gibi parametreler incelenmemiştir. İncelenen kanatçıkların sadece indüklenmiş hızlara etkisinin gözlemlenebilmesi amacı ile kanatçığın kendisinin kaldırma kuvvetine katkısı olmaması gerektiği öngörülmüş ve dolayısı ile kanatçık yatıklık açısı 0o olarak sabitlenmiştir. Karşılaştırmalarda kaldırma kuvveti katsayısı (CL), sürüklenme kuvveti katsayısı (CD) ve bu iki değerin birbirine oranı ile elde edilen verim katsayısı (CL/CD) temel alınmıştır. Ancak bunların yanı sıra kanat üzerinde ve iz bölgesinde alınan bazı kesitlerdeki x girdaplılık değerleri, basınç katsayısı dağılımları ve hız vektörleri incelenerek yorum yapılmıştır. İlk olarak CCR oranı 0.5 doğrultu yönü yukarı doğru ve β 0o olarak sabitlenmiştir. İncelenen kanatçıklı kanatlar sırası ile W1, W2 ve W3 olarak kodlanmıştır. Analizler neticesinde en verimli kanat %6.19 CL/CD artışı ile W1 olarak belirlenmiştir. W1 kanadı aynı zamanda 3 kanat arasında CL artışı olarak da %10.03 le en yüksek değeri sağlamıştır. CD değerlerinde ise düşüş gözlemlenmemiş ancak en az yükseliş %2.41 oranı ile W3 de gözlemlenmiştir. Bu durum kanatçıkların yüzeylerinin profil sürüklenme kuvvetine katkılarının indüklenmiş sürüklenme kuvvetini azaltma etkilerinde fazla olduğunu göstermektedir. W3 en az yüzey alanına sahip olduğundan CD artışında en az değeri vermektedir. Ancak uç girdabını sönümleme ve ya öteleme bakımından en başarısız kanat olduğundan verim artışında en düşük değere sahip olduğu saptanmıştır. İncelenen 3 farklı CCR değerli kanat yapısı içinden en verimlisinin CCR değeri 1 olan olduğu saptanmıştır. İkincil olarak SCR parametresi üç farklı değerde 0.5, 0.75, 1 olarak incelenmiş ve diğer parametreler W1 in parametreleri ile aynı değerde sabit tutulmuştur. Dolayısı ile iki yeni kanatçıklı kanadın analizi yapılmış ve bu kanatlar SCR değerleri 0.75 ve 1 olmak üzere sırası ile W4 ve W5 olarak kodlanmıştır. Analizler neticesinde en verimli kanat, %6.44 CL/CD artışı ile W4 olarak belirlenmiştir. W4 kanadı, kanatçıksız kanada göre CL de %12.22 artış ve CD de %5.42 artış sergilemiştir. W5 kanadı %13 ile en yüksek CL artışını sağlamış ancak aynı zamanda CD artışında da %7.23 ile en yüksek değeri göstermiştir ve CL/CD değerinde %5.38 ile W4 ten daha başarısız bir performans sergilemiştir. Elde edilen sonuçlar göz önüne alınarak, SCR oranının verime etkisinin parabolik bir yapıya sahip olduğu gözlemlenmiştir. Yani, kanatçık açıklığının artışı bir optimal değerden sonra verimi olumsuz etkilemektedir. Bunun sebebi bu optimal değerden sonra kanatçığın uç girdabın etkisini sönümleme oranının, kanatçığın artan yüzey alanının sürüklenme kuvvetini arttırma oranına göre düşük kalmasıdır. Bu çalışmada En uygun SCR oranı 0.75 olarak bulunmuş olsa da bu değer farklı kanatlarda ve farklı akış parametrelerinde değişiklik gösterebilir. Dolayısı ile belirli bir kanat için kanatçık tasarımı yapılırken bu optimal oran detaylı bir SCR oranı incelenmesiyle belirlenmesi gerektiği sonucuna varılmıştır. Bir sonraki parametre olan kanatçık doğrultu yönü, toplamda üç farklı şekilde, yukarı, aşağı ve her iki tarafa da olmak üzere incelenmiştir. Diğer parametreler W4 kanadı ile aynı olmak koşuluyla aşağı doğru yönlendirilmiş ve her iki tarafa da yönlendirilmiş kanatçıklı kanatlar, sırası ile W6 ve W7 olarak kodlanmış ve analiz edilmiş ve sırası ile W6 ve W7 olarak kodlanmıştır. Analizler neticesinde W6 kanadı incelenen tüm kanatçıklı kanatlar arasında en az verim (CL/CD) artışını sağlayan kanat olmuştur. Ancak, kanatçıksız kanada göre CD artışına sebebiyet vermemesiyle önemli bir özelliğe sahiptir. Bu özellik bir ayaklı teknede hali hazırda var olan kanada direkt olarak uygulanabilmesidir. Diğer kanatçıklar böyle bir durumda ayaklı teknenin daha fazla kaldırma kuvvetine ihtiyaç duymayacağı azami süratte seyir ederken fazladan sürüklenme kuvveti üreterek teknenin genel direncin artmasına ve hız kaybetmesine neden olacaktır. W6 ise azami sürat seyrinde bir kayba neden olmayacak bunun yanı sıra az da olsa kanat verimini arttırdığından, yani aynı sürüklenme kuvvetine karşılık daha çok kaldırma kuvveti üreteceğinden teknenin gövde seyrinden kanat seyrine geçiş hızını düşüreceği öngörülmüştür. W4 avantajının kullanılabilmesi için ise var olan kanat sökülerek, var olan kanatla aynı sürüklenme değerini verecek ancak verimi daha yüksek olduğu için daha fazla kaldırma kuvveti üretmesi, boyut olarak daha küçük ve ya hücum açısı daha küçük olan bir kanat kullanılmalıdır. Bu durumda gövde seyrinden kanat seyrine geçiş hızını W6 nın düşürdüğünden daha fazla düşüreceği öngörülmüştür. Farklı bir kanat tasarımı ile yine W4 kanatçıklı bir kanatın var olan kanatla değiştirilmesi ile kaldırma kuvveti katsayısı sabit tutularak direncin düşmesi sağlanıp, kavitasyon ve akım ayrılması olmaması koşulunda teknenin azami hızı arttırılabileceği öngörülmüştür. Diğer bir deyişle, W6 nın avantajı, daha düşük bir yatırım maliyeti ile tekne veriminin diğer kanatçıklara nazaran daha az olsa da arttırılabilme kapasitesidir. W7 kanadı ise temel kanatla karşılaştırıldığında %13.55 değerinde CL artışı ile W4 kanadından daha çok kaldırma kuvveti sağlamaktadır. Ancak CD de W4 kanadından %7.83 değeri ile daha çok artışa neden olmaktadır. Bu değerler neticesinde de CL/CD oranında W4 ün gerisinde kalarak %5.28 artış sağlayabildiği gözlemlenmiştir. Bu durum W4 kanadı ile W5 kanadının karşılaştırmasına benzer şekilde W7 kanadının da uç girdabın etkilerini daha iyi sönümlemesine rağmen geniş yüzey alanının sebep olduğu yüksek profil sürüklenme kuvvetinin CL/CD oranını olumsuz etkilediği sonucuna varılmıştır. Son parametre olarak kanatçık izler kenarının çalıklık açısı β, 0o ve 15o olarak incelenmiştir. W4 ile karşılaştırılmak üzere, W8 olarak kodlanan β=15o olan ve diğer parametreleri W4 ile aynı olan kanatçıklı kanadın analizleri yapılmıştır. Analizler sonucunda W8 kanadının temel kanada göre sağladığı %11.93 CL artışı, W4 kanadının gerisinde kalmıştır. Ancak sergilediği %6.78 CL/CD artışı W4 kanadından i sadece %0.03 daha fazladır. Bu değer geçerleme çalışmalarında belirtilmiş olan hata oranı göz önüne alınırsa geçersiz sayılabilecek kadar küçüktür. Bu iki kanadın iz dağılımları ve basınç katsayısı dağılımları incelendiğinde, W8 kanadının daha az kavitasyon riskine sahip olması gibi bir avantajı olmasına rağmen daha bozuk bir iz dağılımına neden olması ve üretim bakımından daha karmaşık bir yapısı olması, W4 kanadına göre tercih edilebilmesini tartışmaya açık bırakmıştır.