A NUMERICAL AND EXPERIMENTAL STUDY FOR AERODYNAMIC THRUST OPTIMIZATION

Özet

Çırpan kanatlar, düşük Reynold sayılarındaki uçuşlarda dahi taşıma ve itki kuvvetlerinde sağladıkları hatrı sayılır kazanımlardan ötürü büyük ölçüde dikkati üzerlerinde toplayarak geleneksel mikro hava aracı (MHA) tasarımlarına bir alternatif oluşturmuşlardır. MHA'ların boyutlarının, sessiz çalışmalarının ve hafifliklerinin yanı sıra, gelişen teknolojilerle de sağdıkları yararların artışı uygulama alanlarında genişlemeyi de beraberinde getirmiştir. MHA'ların en önemli faydaları hafifliklerinden kaynaklanan kazanımlar olmuştur; ancak itki sağlayan sistemlerinin eklenmesiyle ağırlığın önemli ölçülerde artması avantajlarının dezavantaja dönüşümüne sebep olmaktadır. Bu noktada, çırpan kanatlar MHA'lar için itki sağlama konusunda elzem bir rol kazanmışlardır. Bu kanat çırpma hareketi ilhamını kuş ve böceklerin doğadaki uçuş örneklerinden almıştır. Bu çalışmada, eşzamanlı yunuslama ve akıma dik yönde ötelenme hareketleri yapan düz bir levha için önce optimum itki veren hareket tarzı sayısal olarak saptanmış, ardından da su kanalında sıfır akım hızında ve sonlu bir akış hızında 12 farklı durumda, optimum dahil, salınımlı bir levha için kuvvet ölçümü ile karşılaştırmalar yapılmıştır. Deneysel ve sayısal sonuçlar düşük hareket frekanslarında daha uyumlu sonuç göstermiştir. Deneysel ve sayısal sonuçların her ikisi de frekans ve genlik artışıyla üretilen itki kuvvetinin doğru orantılı olarak arttığını göstermiştir.

Abstract

Flapping wings draw considerable attention due to their advantages in lift and thrust recovery in low Reynolds number fight, where they can be used as an alternative to conventional micro air vehicle (MAV) designs. The application areas of MAVs has widened with the development of new flight techniques of MAVs besides their advantages that they already have such as lightness, being small in size and quietness. Their lightweight is one of their primary advantages; however the thrust provider systems result in MAVs to get heavier. At this point, flapping wings might have a crucial role in generation of thrust for MAV flight. Thrust generation from flapping wings is inspired from powered flight in nature. In this study, the behavior of a flat plate performing simultaneous pitching and plunging motions is numerically determined for optimum thrust. Then, for 12 different test cases, experimental force measurements are made using an oscillating flat plate with various frequencies and amplitudes, including the optimum, in both zero freestream velocity and with a finite freestream velocity to compare the results. The experimental and numerical results have better agreement at lower frequencies of the airfoil motion. Both the experimental and numerical results show that with increasing motion frequency and amplitude the generated thrust also increases proportionally.