NACA 8414 PROFİLİNE SAHİP UÇAK KANADININ CFD İLE

AERODİNAMİK ANALİZİHazırlayanlar

KENAN ÇAL Metin SAĞIK1030116782

1030216199

DanışmanYrd. Doç. Dr. Sibel GÜNEŞ

Uçabilmek adına yapılan birçok teorik ve pratik çalışmaların sonucunda havacılık insanoğlu için önemli bir noktaya gelmiştir. Uçurtma, paraşüt, balon gibi icatlar ile kuşların kanatlarından alınan ilham ile başlayan bu serüven fizik, matematik ve mühendislik bilimleri sayesinde yüksek seviyelerde seyir etmektedir. Ve gelişmeler sürekli devam etmektedir. Bu ödevde uçakların temel elamanlarından olan kanatların, sayısal akış analizi yapılacak ve uçuşu etkileyen etkiler incelenip, yorumlanacaktır.

Giriş

Bir uçak kanat profilinde taşımaya etki eden en önemli etkenler; kaldırma ve sürükleme katsayıları, basınç dağılımları ve havanın hızıdır.

Bu bitirme ödevi çalışmasında, serbest akım bölgesinde modellenen NACA 8414 (National Advisory Committee for Aeronautics) adlı kanat profili kullanılmıştır. Kanat profilinin, ANSYS V.16 programı ile geometrisi oluşturulmuş, gerekli mesh (ağ örgüsü) yapısı düzenlenmiş, model Fluent modülüne aktarılıp parametre değerleri atandıktan sonra hesaplamalı sayısal akış analizi yapılmıştır ve sonuçlar literatüre sunulmuştur.

Çalışmanın Özeti

Kanat profilinin etrafındaki akışkanın farklı hızlardaki (Mach 0.7-1.2-2) davranışı , kaldırma ve sürükleme katsayıları ile kanat yüzeyleri üzerindeki basınç ve hız dağılımları incelenmiştir.

  Naca 8414 kanat profilinin 238, 408, 680

m/s hızlarında; 5° hücum açısı için aerodinamik katsayıları, hız ve basınç dağılımları elde edilmiştir.

Çalışmanın Özeti

Atmosfer içerisinde yüksek hızla hareket eden cisimlerin ve yüksek hızdaki rüzgâra maruz kalan hareketli ve hareketsiz cisimlerin etrafında meydana gelen akım olaylarını inceleyen; bu cisimler üzerine hava ile temas nedeniyle etkiyen yükleri (kuvvet ve momentler) araştıran, istenilen kuvvet ve momentleri sağlayabilecek geometrileri tasarlayan bilim dalıdır.

  Aerodinamik, analiz ve tasarım problemleri ile ilgilenir. Cisim

geometrisi ve akım şartları verildiğinde cisim etrafındaki akım alanının ayrıntılı incelenmesi ve/veya cisme etkiyen kuvvet ve momentlerin tespit edilmesi analiz kısmıdır. İstenilen performansı sağlayacak şekilde cismin geometrisinin tespit edilmesi ise tasarım kısmını ifade eder.

Aerodinamik

Aerodinamiğin inceleme tarzı deneysel ve teorik olmak üzere ikiye ayrılır. Rüzgâr tüneli deneyleri ve uçuş tecrübeleri deneysel, analitik ve sayısal çözümler ise teorik kısmıdır.

Aerodinamik

Aerodinamik Kuvvet ve Moment Bileşenleri

Aerodinamik incelemelerinde çoğu zaman bileşke kuvvet ve moment yerine, bunların uygun bir eksen takımında hesaplanmış veya ölçülmüş bileşenlerinden söz edilir.

  Uçak ve benzeri araçlarla ilgili incelemelerde aerodinamik kuvvet ve

moment genellikle uçuş doğrultusuna (veya izafi olarak düşünülürse, serbest akım doğrultusuna) göre tanımlanmış bir eksen takımında:

Kuvvet bileşenleri Lift ( Kaldırma)

Thrust (Çekme )Drag ( Sürükleme)Gravity ( Ağırlık )

Moment Bileşenleri

My : Yunuslama Momenti (Pitching Moment)Mx : Yalpa Momenti (Rolling Moment)Mz : Sapma Momenti (Yawing Moment)

Aerodinamik Kuvvet ve Moment Bileşenleri

NACA Profilleri

Naca Profili Nedir? 1933 yılında NACA yapılan kanat profili çalışmalarıyla ilgili bir yayın

yaptı. Bu yayında NACA 4 basamaklı kanat profilli tanımlamasını yaptı. Bu tanımlamaya göre verilen bu dört basamak, kanat profilinin genel şeklini tanımlar.

Hücum açısı hava aracının hız vektörü ile kanat vektör yönü arasında kalan açıdır. Hücum açısı arttıkça kaldırma kuvveti de artar. Fakat bu açının belirli bir değeri geçmesi ile akım çizgileri kanat üzerinde tutunamayacaktır. 0º’lik hücum açısına sahip bir kanat profili firar kenarında akım ayrılmaları başlar ve kanat arkasında iz bölgesi oluşur . Hücum açısı arttırıldıkça ayrılma noktası hücum kenarına yaklaşır ve yaklaşık 12–16º’lik hücum açısına ulaşıldığında akım ayrılması (stall) başlar. Türbülansın başladığı bu açıya stall açısı denir. Bu açıdan daha fazla hücum açısının arttırılması halinde kaldırma kuvveti azalır ve sürükleme kuvveti hızla artar. Hücum açısının küçülmesi ile azalan kaldırma kuvveti uçak hızının arttırılması ile arttırılır.

Hücum Açısı

Hücum Açısı

İncelediğimiz kanat profili NACA 8414Modelleme için daha önceden analizleri ile karşılaşılmayan NACA 8414 profili tercih edilmiştir. Kanada ait profil ölçü bilgileri sırasıyla x, y, z koordinat noktalarını belirtmek üzerine aşağıdaki gibidir. Her satır bir noktayı gösterir. Analizini yapacağımız kanat profilini elde etmek için istenen ve yeterli düzeyde hassasiyet sağlaması açısından yaklaşık 200 adet koordinat noktası seçilmiştir.

ÇALIŞMALAR

NACA 8414

Analiz

Naca 4 dijit profil oluşturma programı ile gerekli koordinatlar elde edilmiştir. Excell’de düzenlenip istenen formata getirildikten sonra text dosyası olarak ANSYS programına aktarılmıştır.

Koordinatların Alınması

1 0 1 0 01 1 1,000142299 0,001525201 01 2 0,999433072 0,001839383 01 3 0,998251581 0,002361939 01 4 0,99659866 0,003091255 01 5 0,994475478 0,004025079 01 6 0,991883544 0,005160535 01 7 0,988824706 0,006494132 01 8 0,98530116 0,008021781 01 9 0,981315446 0,009738814 01 10 0,976870463 0,01164 01 11 0,971969463 0,013719571 01 12 0,966616066 0,015971243 01 13 0,960814255 0,018388247 01 14 0,95456839 0,020963347 01 15 0,947883205 0,023688875 0

Programa aktarılan koordinat formatı

Verilen noktaların koordinatları text belgesi formatında kaydedilerek, ANSYS programında Geometri modülüne; New Geomety yolu takip edilerek Coordinates File konutu ile aktarılmıştır.

Koordinat noktalarının programa aktarılması

Şekil 2.3 de gösterildiği gibi kanat profilin etrafına akışın sınır bölgesini tanımlayacak bir bölge oluşturulmuştur. Ardından giriş ve çıkış değerlerini belirleyebilmek bu alan HavaGiriş, HavaÇıkış, SolYüzey ve ÜstSağAltYüzeyler olarak adlandırılmıştır.

Kanat boyu 7 metre olarak seçilmiş ve akış alanının boyu ise akım değerlerinin net olarak görülebilmesi için 10 metre olarak atanmıştır.

3 Boyutlu Hava Akış Ortamının Oluşturulması

Kanadın 3 boyutlu olarak hazırlanması ve akış alanının sınırlarının da belirlenmesinden sonra bizim için önemli olan kanat bölgesinin akış analizinin değerlerinin daha hassas çıkması amacıyla kanat bölgesi daha yoğun ağ örgüsü ile kaplanmıştır. Bu değer 50 kat olarak belirlenmiştir.

Geometrinin Fluid Flow Modülüne Aktarılması

Fluid Flow modülünde mesh kısmında ağ örgüsünü tamamladıktan sonra Setup sekmesine geçip parametre ve sınır şartlarını belirledikten sonra hesaplama işlemini başlatıyoruz.

Seçilen Naca 8414 profili için sırasıyla 238 m/s , 408 m/s , 680 m/s hızları için 5° hücum açı durumuna göre simülasyonları

yapılacaktır. Seçilen hız değerleri ses altı, ses hızı ve ses üstü hızlara göre seçilmiştir. Hücum açısı ise ayrılma olayının gözlemlenmemesi için kritik seviye kadar seçilmiştir.

  Simülasyon yapılırken kanatın açısal ve ilerleme hareketlerinin

etkilerini incelemek için; kanat sabit tutulacak değişik hızlarda ve sabit açıda hava kanat üzerine tatbik edilecektir.

Problemin Tanımı

Problem için akış modeli ideal akışkan seçilmiş, ses hızı 15° C 1 atm basınç için 340 m/s kabul edilmiştir. Ses hızı sıcaklık ve yoğunlukla değişmektedir. Bu sebeple enerji denklemi özelliği pasif durumda bırakılmıştır. Referans değerler Şekil 2.5’teki gibi belirlenmiştir. Akışkan cinsi olarak Hava seçilmiştir.

Problem Verilerinin Fluent Programında Setup Sekmesine Aktarılması

Daha sonra Setup kısmından Boundary Conditions sekmesinden sınır şartları belirlenir. Hava Çıkış yüzeyi için Pressure-Outlet, Hava Giriş yüzeyi için Velocity-Inlet seçilir.

Sınır şartlarının seçilmesi

Sınır şartlarının belirlenmesi

Hava giriş hızı olarak 3 farklı değer ayrı ayrı atandıktan sonra hepsi için ayrı ayrı hesaplama yapılır. İlk analiz için hız değeri Mach 0.7 değerine karşılık gelen 238 m/sn girilir.

Hız değerinin girilmesi

Sırayla diğer parametreler de atandıktan sonra hesaplama yapılır.Sol Yüzey ve Hava Wall , ÜstSağAltYüzeyler ise Symmetry seçilir.

Gerekli sınır şartları atandıktan sonra program arayüzünde Run Calculation sekmesine geçilir. Burada Program yapacağı işlemin kaç Iterasyonla olacağını belirleyebiliyoruz. İşlemin yüksek hassasiyetle sonuçlanması için 100 iterasyon olarak seçiyoruz.

Simülasyon

SonuçlarMach 0.7 (238 m/sn) Hız İçin

Basınç GrafikleriMach 0.7 İçin Kanat Ucu

Basınç Grafiği

39 Mpa0.38 atm

-58 Mpa-0.56 atm

Hız GrafikleriMach 0.7 İçin Hız

Grafiği Kanat Ucu

408 m/sn

4.21 m/sn

Mach 1.2 (408 m/sn) Hız İçinBasınç Grafikleri

Mach 1.2 İçin Kanat Ucu Basınç Grafiği

114.1056 MPa(1.12 atm)

-170.3284 MPa(1.68 atm)

Mach 1.2 İçin Hız Grafiği Mach 1.2 İçin Kanat Ucu Hız

Grafiği700 m/sn

7.2 m/sn

Mach 2 (680 m/sn) Hız İçinBasınç Grafikleri

Mach 2 İçin Hız Grafiği

316.97116 MPa (3.12 atm)

-473.1037 MPa(4.66 atm)

Basınç ve Hız Grafiklerinin Karşılaştırılması

Mach 0.7 Basınç

Mach 1.2 Basınç

Mach 2 Basınç

Mach 0.7 Hız

Mach 1.2 Hız

Mach 2 Hız

  Basınç (Pascal) Hız (metre/saniye)

  En Yüksek En Düşük En Yüksek En DüşükMach 0.7 (238 m/s) 38828.95 Pa

(0.38 atm)-57953.05 Pa(-0.57 atm)

408 m/sn 4.21 m/sn

Mach 1.2 (408 m/s) 114105.6 Pa(1.12 atm)

-170328.4 Pa(-1.68 atm)

700 m/sn 7.2 m/sn

Mach 2 (680 m/s) 316971.16 Pa (3.12 atm)

-473103.7 Pa(-4.66 atm)

1170 m/sn 11.9 m/sn

Basınç – Hız Karşılaştırması

  Kaldırma Kuvvetini Sağlayan Basınç Farkı

Mach 0.7 0.95 AtmMach 1.2 2.8 AtmMach 2 7.78 Atm

Cl – Cd Grafikleri

Yorum

Bir uçak kanat profilinde taşımaya etki eden en önemli etkenler; kaldırma ve sürükleme katsayıları, basınç dağılımları ve havanın hızıdır.

  Bernoulli ilkelerine göre havanın hızı

artığında basıncı düşerken, hava hızı azaldığına ise basınç artar. Ses altı uçuşlar için kullanılan kanat profillerinde kanat profillerinin alt yolu, üst yoluna göre karşılaştırıldığında daha kısa olduğu görülmektedir. Hava kanadın alt yüzeyini daha düşük bir hızla terk ettiği için kanat profilinin altında yüksek basınç bölgesi oluşur. Bu basınç havanın hızla geçtiği üst bölgeye göre daha büyüktür. Oluşan bu basınç farkı sebebiyle kaldırma olayı gerçekleşir.

Bu çalışmada hesaplaması gerçekleştirilen NACA 8414 kanat profilinin serbest akım ortamındaki farklı hızlardaki basınç dağılımları, kaldırma ve sürükleme katsayıları detaylı olarak elde edilmiştir. ANSYS ve Fluent bilgisayar programları yarımıyla teorik bilgilerin analizleri yapılmıştır.

  Hücum açısının artması kaldırma fonksiyonu

üzerinde pozitif bir etkiye neden olur ancak belli bir değerden sonra kaldırma katsayısı, aerodinamik hava direncinin taşıma bileşeni sıfıra düşmesinden dolayı ayrılma(stall) durumuyla karşılaşılır. Bu olayda kaldırma kuvveti daha düşük olduğu için uçak havada tutunamaz, irtifa kaybeder.

Yorum

Bu çalışmada seçilen açı değerleri bu kanat profili için ait olan 20 derecelik hücum açısından düşük olduğu için stall durumu gözlenmemektedir. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde uçağın hızı arttıkça (akışkan hızı) kanat üzerinden geçen akışkan hızının da yaklaşık doğrusal şekilde arttığı ve kanat üzerindeki hızın hava hızının yaklaşık 2 katı olduğu görülmektedir. Hız değeri artığı sürece ise sabit hücum açısında Cl ve Cd katsayılarının artığı gözlemlenmektedir.

 Çalışmadan çıkan en dikkat çekici sonuç akış hızı arttıkça kanadın altındaki ve üstündeki basınç farkının artması. Yani kanada etkiyen kaldırma kuvvetinin artması. Bu etki bizlere neden hava araçlarının havalanmaya başlamadan önce belli bir hıza ulaşmaları ve havadayken de belli bir hızın altında inmemeleri gerektiğini açıklar.  Basınç dağılımları grafikleri ise bu sonuçları doğrulamaktadır. Literatür araştırmalarından elde ettiğimiz basınç farkının kanat üzerindeki kaldırma etkisi, kanat altında ve üstünde oluşan basınç farkının hız ve açı ile artması ile arttığı doğrulanmıştır.

Teşekkürler

Dinlediğiniz için teşekkürler.