Rotorlar üzerindeki akışın hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemleriyle aerodinamik analizi

Abstract

Rotor sistemlerinin çalışma koşullarını karşılayabilmesi ve sorunsuz işletilebilesi için, detaylı deneysel ve sayısal incelemeler yapılmalıdır. Bu konuda girişilen her bir çalışma sırasında, rotor sistemlerinin uçuş mekaniği ve aerodinamik özellikleri bakımından, uçaklardan çok daha karmaşık bir yapıya sahip olduğu hatırlanmalıdır. Bunun yanında rotor sistemleri için havacılık endüstrisinin temel beklentileri olan verimlilik, yüksek irtifa ve yüksek uçuş hızı, düşük sürükleme (dolayısıyla düşük yakıt tüketimi) gibi etkenler, yapılan her bir çalışmayı daha da kıymetlendirmekte ve çalışmaya önem arzedilmesini gerektirmektedir. Bütün bu etkilerin Türkiye gibi havacılık endüstrisinde atılım yapma hedefinde olan ülkeler için çok daha etkili faktörler olduğu açıktır. Bu konuda yapılan bilgisayar analiz ve benzetimleri tasarım sürecinde rüzgar tüneli ve uçuş testleriyle doğrulama çalışmalarında başvurulan en önemli yöntemdir. Bir rotor sistemi tasarımı aerodinamik olarak kanat profili tasarımı ve incelenmesinden başlar. Eğer mevcut tasarımlardan yola çıkılacaksa, mevcut kanat profili tasarımları için deneysel ve sayısal çalışmalar incelenmeli ve gerekli yeni çalışmalar gerçekleştirilmelidir. Bu tez içeriğinde de çalışmalar benzer bir akış içinde gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın hedef noktasını askı konumundaki rotorların aerodinamik analizi teşkil etmektedir. Bunun yanında hesaplamalı akışkanlar dinamiği çözücüsü olarak açık kaynaklı bir yazılım olan SU2 (Stanford University Unstructured) seçilerek, klasik ticari yazılım temelli yaklaşımların dışına çıkılmıştır. Analizleri sağlıklı ilerletmek ve sonuçları adım adım irdelemek amacıyla, geometri ve akış koşulları olarak gittikçe daha karmaşık çalışmalar seçilerek, bütünleşik bir HAD çalışması yürütülmüştür. Çalışmalara en temel aerodinamik analiz olan düz plaka ile başlanmıştır. İki boyutlu kanat geometrilerinin analizlerinden sonra, üç boyutlu bir kanat ve rotor çalışması gerçekleştirilmiştir. Çalışmalar neticesinde iki boyutlu kanat profili çözümlemelerinde oldukça başarılı sonuçlar elde edilmiştir. HAD çözücüsünün taşıma, sürükleme ve basınç katsayısı sonuçlarının isabetli olması, üç boyutlu analizler için teşvik edici olmuştur. Üç boyutlu analizler de tatmin edici sonuçlarla neticelendirilmiş, kanat ve rotor üzerindeki basınç katsayısı doğrulamaları gerçekleştirilmiştir. Benzeşimi yapılan geometriler üzerinde akış sırasında oluşabilecek aerodinamik olaylardan hız kaybı (fr. perdövites), akış ayrılması ve şok gibi oluşumlar gözlemlenmiştir. Sonuçta rotor gibi döner kanatlar üzerindeki akışların sabit kanatlardan farklılıklarına değinilmiştir.

Detailed experimental and computational studies are needed to meet proper working conditions of rotary wing systems. The fact that rotary wing systems' flight mechanics and aerodynamic specifications are mucj more complex than fixed wind systems, must be kept in mind during these studies. Besides, aerospace industry's basic capability expectations from a standart rotorcraft, such as efficiency, high altitude, high flight speed, low drag (hence low fuel consumption), increase the value of researches. All of these effects are more important for the contries like Turkey, that aim to develop in aerospace industry. Computational analysis and simulation verifications along with the wind tunnel experiments and flight tests are the most important and common methods during these studies. Design of a rotor system starts with airfoil design and research. If present desings are going to be used, then experimental and computational studies must be examined. Also new studies should be carried out if necessary. In this thesis, studies are conducted in the same pattern described above, with the goal of aerodynamic analysis of rotors in hover. SU2 (Stanford University Unstructured) is used as open-sourced CFD (Computational Fluid Dynamics) solver. In order to further the analysis and examine the results step by step, more complex geometries and flow conditions are selected. Thus an integrated CFD study has been carried out. Studies start with basic aerodynamic geometry; flat plate. After 2D airfoil and 3D wing analysis, a rotor study has been carried out. 2D airfoil cases are verified for lift, drag and pressure coefficients with high accuracy. This encourages for 3D cases which are carried out with acceptable results. In these simulations, phenomenas like stall, flow seperation and shocks are observed. Finally differences between flow over a fixed wing and flow over a rotor wing are highlighted.