Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özetlere göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Anabilim Dalı

2017

A numerical investigation into the effect of the vertical tapered winglets on fully-submerged hydofoils

Dikey kanatçıkların tamamen batmış sualtı kanatlarına etkilerinin sayısal yöntemle incelenmesi

Bu tez, YÖK tez merkezinde bulunmaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi'ndeki tarama bölümünde tez numarasını arayabilirsiniz. Tez numarası: 496473

Tezi Bul
Özet:

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.

Summary:

In this study, the effects of variations of the basic parameters of winglets, which have similar characteristics in each wing, on the efficiency of a wing underwater are examined. Computational Fluid Dynamics (CFD) was used to obtain the result. The executive equations of the CFD analyzes were used with the SIMPLE algorithm, which is a decompression method that gives a pressure rate-dependence for the continuous flow of a Reynolds-averaged Navier Stokes (RANS) based numerical study, and the SST k-ω turbulence model chosen for boundary layer flow analysis. In the study, a rectangular wing with a cross section of NACA0012, a section length of 1 meter and a side ratio of 6 was used. During the entire study, the attack angle of the main wing was kept constant at 5o and the Reynolds number at 6x106. The solution volumes created for the analyzes were created around the half-wing opening using the mirror principle. The performance of the new wing structures formed by attaching the selected blades NACA0006 onto the tip of the bare wing were compared with each other and with the bare wing for each parameter examined. The wings are generally regarded as simple wedges with a taper ratio of 0.3 as a simple basic geometry. A validation study has been conducted with the aim of checking the consistency and reliability of the CFD solution mesh and method used. The independence studies of the grids were carried out together with the validation studies and the final solution grid parameters selected for the 3D wing were preserved while the solution meshes of the wingleted wings were constructed. The winglet geometry parameters examined in this study are the ratio of the winglet root section length to the base wing section length, the ratio of the winglet span to the base wing section length, the direction of the winglet, and the angle of the winglet trailing edge. These parameters are symbolized as CCR, SCR, DW and β, respectively. Parameters such as the radius of junction and the cant angle are not investigated since the optimal values may vary in different basic wings and in different flow conditions. It was predicted that the effect of the examined winglets only on the induced speeds should not be attributed to the lift force of the whole wing itself and therefore the slope of the bladder was fixed at 0 °. Firstly, the CCR ratio was fixed upwards at a direction of 0.5 and at β 0o. The flapping wings examined are labeled W1, W2 and W3 respectively. As a result of analysis, the most efficient wing was determined as W1 with 6.19% CL / CD increase. The W1 wing also provided the highest value of 10.03 per cent as a CL increase between 3 wings. No decline was observed in CD values, but W3 was observed with a minimum increase of 2.41%. This shows that the winglets are not effective enough in reducing the induced drag force than the contributions to the profile drag force. W3 has the least surface area and gives the least value in CD increase. However, it has been found that the tip has the lowest value in yield increase since it is the most unsuccessful wing in terms of damping or deformation. Secondarily, the SCR parameter was examined at three different values of 0.5, 0.75, 1 and the other parameters were kept constant at the same value as the parameters of W1. Therefore, two new wingleted wing analyzes were performed and these wings were coded as W4 and W5, respectively, with SCR values 0.75 and 1, respectively. As a result of analysis, the most efficient wing was determined as W4 with 6.44% CL / CD increase. W4 wing increased 12.22% in CL and 5.42% in CD compared to wingless wing. The W5 wing achieved the highest CL increase by 13%, but at the same time it had the highest value of 7.23% in the CD increase, and performed a more unsuccessful performance than the W4 with a CL / CD value of 5.38%. In view of the results obtained, it has been observed that the liquefaction effect of the SCR ratio has a parabolic structure. Although the optimal SCR rate for this study was found to be 0.75, this value may vary in different wings and in different flow parameters. The next parameter, the direction of the fin direction, has been investigated in three different ways, up, down and on both sides in total. The other parameters are the same as W4 wing and the wingleted wings directed downwards and oriented to both sides are coded and analyzed and coded as W6 and W7 respectively. As a result of the analysis, the W6 was the wing which provided the least efficiency (CL / CD) increase among all wingleted wings examined. However, it has an important feature that it does not cause CD increase compared to the bare wing. This feature can be applied directly on the existing wing on a hydrofoil boat. In other cases, the other winglets will cause the wing to increase the overall resistance and slow down the vessel by producing extra drift while traveling at maximum speed where the vessel does not need more lifting force. W6 is predicted not to cause a loss in the course of maximum speed but also to decrease the speed of the vessel to go from the hullborne to the foilborne cruise because it will increase the wing efficiency, that is to say, it will produce more lifting force than the same drag force. In order to use the W4 advantage, a wing that is smaller in size and smaller in attack angle should be used, by removing the existing wing, producing the same drift value as the existing wing but producing more lift because the efficiency is higher. In this case, it is predicted that the speed needed to switch from hullborne to foilborne will decrease more than that of the W6. With a different wing design, it is predicted that by replacing the wing with a wing that has a winglet, it is possible to keep the coefficient of lift force constant and to increase the maximum speed of the craft by reducing the resistance. In other words, the advantage of W6 is the ability to increase boat efficiency with a lower investment cost, although it is less efficient than other winglets. The W7 wing provides greater lift than the W4 wing with a CL increase of 13.55% compared to the base wing. However, the CD also caused a further increase of 7.83% from the W4 wing. As a result of these values, it was observed that CL / CD ratio could be increased by 5.28% behind W4. Similar to the comparison of the W4 wing with the W5 wing, this results in a high profile drift force, which is caused by the large surface area, negatively affects the CL / CD ratio, although the W7 wing also damps the induced velocities more effectively. As a final parameter, the sweep angle β, 0o and 15o of the trailing edge are examined. In comparison with W4, the analysis of the winglet which has β = 15o coded as W8 and the same as the other parameters W4 has been carried out. As a result of the analysis, the increase of 11.93% CL, which the W8 wing provided in accordance with the bare wing, lagged behind the W4 wing. However, the exhibited 6.78% CL / CD increase is only 0.03% higher than the W4. When the distributions of the wake of these two wings and the distribution of pressure coefficients are examined, it is left open to debate whether the W8 wing has the advantage of having a lower risk of cavitation, but with a more distorted wake distribution and a more complex structure in terms of production.