Taşıyıcı yüzey sistemlerinin girdap kafes yöntemi ile analizi ve genetik algoritma ile eniyilemesi

Hava araçlarının aerodinamik tasarımı, analizi ve eniyilemesi, akışkanlar dinamiği bilimiyle uğraşan araştırmacıların üzerinde durduğu karmaşık ve esasında çok-disiplinli mühendislik problemleridir. Bu kapsamda, günümüzde uygulanan Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) çözümleri tasarım sürecinin ilk aşamalarında birçok sebeple uygun görülmemektedir. Onun yerine daha basit çözümler sunan, akış alanıyla ilgili temel yaklaşımlarda bulunanarak çözümü hızlandıran yöntemlerin kullanımı daha yaygındır. Hesaplamalı aerodinamik uygulamalarında sıkça kullanılan Girdap Kafes Yöntemi (VLM) taşıyıcı yüzeylerin üzerindeki potansiyel akışı çözmektedir. Ludwig Prandtl'ın 1918 yılında tanıttığı taşıyıcı çizgi modeli (PLL) sonlu düz kanatlar için analitik bir çözüm sağlarken, yine Prandtl'ın ortaya koyduğu teoriyi esas alan VLM ile herhangi bir konfigürasyondaki çok elemanlı taşıyıcı yüzey sisteminin incelemesi girdap-kafes modeli ile mümkün olmaktadır. Bu modelde yüzeyler çözümlemenin yapılacağı panellere bölünür ve her panele taşıyıcı özelliğini veren atnalı girdapları yerleştirilir. Potansiyel akım sınır şartı kullanılarak çözülen girdap şiddetleri ile taşıyıcı yüzey üzerine etki eden aerodinamik kuvvetler Kutta-Joukowski Kanunu ile hesaplanır. Konsept ve ön tasarım süreçlerinde ilgili hava aracının taşıyıcı yüzeyleriyle ilgili kanat açıklığı, açıklık oranı, kök ve uç veter uzunlukları gibi birçok parametrenin belirlenmesi gerekmektedir. Ancak, her bir parametrenin belirlenmesi başlı başına bir eniyileme çalışması gerektirmektedir. Bunun sebebi ise taşıyıcı yüzeyler birbirleri arasında aerodinamik etkileşim içindedir. Bir yüzeye ait parametre diğer bir yüzey üzerinde etki yaratmaktadır ve hava aracının genel performansı açısından bu etkinin incelenmesi önem arz etmektedir. Doğanın genetik mekanizmalarını açıklayan Darvinci Evrim Teorisi (DET), yapay sistemlerin eniyilemesinde de etkin bir şekilde kullanılabilmektedir. Evrimsel Algoritmaların (EA) bir alt sınıfı olan Genetik Algoritmalar (GA), doğanın kanunlarını yapay sistemlere uygulayarak, zorluklar karşısında kendi kendini geliştiren sistemler üretmektedir. Bu uygulamanın temellerini John H. Holland 1975 yılında atmıştır. Holland'ın yürüttüğü çalışmalar hem yapay sistemlerin eniyilemesi hem de doğal sistemlerin bilimine büyük katkı sağlamıştır. Bu tez kapsamında çok elemanlı taşıyıcı yüzeylerin nümerik incelemesi için VLM yönteminin bir bilgisayar programını geliştirilmiştir. MATLAB programlama dili kullanılarak geliştirilen yazılımın öncelikle PLL yöntemi ile düz bir kanat analizi için karşılaştırılmış ve elde edilen sonuçlar doğrulanmıştır. Çok elemanlı sistemler içinse ek doğrulama çalışmaları yürütülmüştür. Ters açılı bir çift kanat kullanılarak yer etkisi analizi yapılmış ve kanatlar arası uzaklık artırıldıkça yer etkisinin azaldığı görülmüştür. Bir diğer doğrulama çalışmasında ise bir kanat arkasında yerleştirilen yatay kuyruğun analizi yapılmıştır. Bu analizde aşağı sapmanın etkisiyle kuyruk üzerindeki etkin hücum açısının serbest akımın geliş açısından daha düşük hesaplanması incelenmiştir. Doğrulama çalışmaları neticesinde, taşıyıcı yüzeylerin incelenmesi amacıyla geliştirilen VLM yazılımı evrimsel döngüler sırasında çağırılabilecek bir fonksiyona dönüştürülmüştür. Evrimsel döngülerin değerlendirme aşamasında, her bir birey için bu fonksiyon çağrılmış ve aerodinamik katsayılar hesaplanmıştır. Hesaplanan katsayılar güçlü bireylerin belirlenmesine yarayan uygunluk fonksiyonlarında kullanılmıştır. Çaprazlama ve mutasyon evrelerinden sonra elde edilen çocuk bireylerin sonraki nesle nasıl aktarılacağı konusunda farklı yaklaşımlar denenmiş olup, elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak geliştirilen taşıyıcı yüzey sistemlerini eniyileme yazılımı uygulamalarda kullanılmış ve elde edilen bulgular paylaşılmıştır.