Deneysel Ve Teorik Yöntemleri Kullanarak Birtakım Yelken Modellerinin Etrafındaki Aerodinamik Akışının İncelenmesi

Abstract

Bu çalışmanın amacı A Class yelken modelini kullanarak rüzgâr tüneli deneylerini gerçekleştirmek ve rüzgâr tüneli deneyinden alınan sonuçları hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemini kullanan CFD programı ile teyit etmektir. Eğimli ve rüzgârın geliş yönüne doğru olarak hazırlanmış rüzgâr tüneli deneyi değişik twist (kıvrımlı) ve sheeting (bumba direğinin açılması) açıları kullanılarak hem ana yelken hem de ön yelken için gerçekleştirilmiştir. Rüzgâr tüneli deneyinde kullanılan parametreler olan değişik twist ve sheeting açıları bir noktaya işaret etmektedir. Bu nokta, eğer yelkene çok fazla twist ve sheeting yaptırılır ise bu yelken performansında azalmaya sebep olmaktadır. Buradaki önemli nokta rüzgârın yelkene yeterince temas etmeden gitmesini engellemektir. Ayrıca başka bir noktaya değinmek gerekirse, 28° olan görünen rüzgâr açısı 20° olandan daha verimli sonuçlar vermektedir lift (emme) ve drag (direnç) kuvvetleri cinsinden. Bu çalışmada sadece bir eğim açısı (heeling angle) olarak 30° kullanılarak test edilmiştir. Ancak projenin gerçekleştirilmesinde daha fazla zaman olması halinde değişik eğim açıları da kullanılarak rüzgâr tüneli deneyinde test edilebilirdi. Farklı eğim açıları yelken performansını anlamak açısından önemli bir nokta oluşturmaktadır. 30°’lik heeling angle seçilmesinin sebebi ise bu açının genel yelken performansında kabul edilen bir değer olduğundan dolayıdır. Buna ek olarak, gerek deney yapımı esnasında gerekse de deney sonuçları incelenirken gözlemlenen bir nokta ise 7 m/s rüzgâr hızın test edilen twist ve sheeting konfigürasyonları için oldukça fazla olduğu gerçeği ortaya çıkmıştır. Yelkenler 7 m/s rüzgâr hızı ile oldukça fazla dalgalanma yapmıştır. Bu durum test koşulların doğru bir şekilde analiz edilmesini engellemektedir. Bundan dolayı 7 m/s hızla yapılan testler CFD ile doğrulama yapılmamıştır ve 3 m/s rüzgâr hızı CFD hesapları için seçilmiştir. 3 m/s ile yapılan deneyler oldukça düzgün bir akış sergilemekle birlikte istenilen akış biçimidir. 7 m/s hızın deneyde kullanım amacı ise daha yüksek bir hızda ayarlanan yelken para metlerinin nasıl tepki verdiğini gözlemlemektir. Rüzgâr tüneli deneyi için ilk olarak 3 gün izin alınabilmiştir Southampton Üniversitesinden. Ancak deney hazırlama sürecinin uzaması nedeniyle 1 gün daha ek bir süre alımı gerçekleşmiştir. Deneyde kullanılan yelken modeli L. Gilbert Bey tarafından tedarik edilmiştir. Yelken modeli genel olarak kullanıma hazır olduğundan dolayı model inşasına zaman ve para harcanmamıştır. Yapılan iş modeli uygun kısımlarını bir araya getirmek ve rüzgâr tüneli monte etmektir. Tünelde kurulu olan 6 degrees of freedom dynamometer (dinamometre) deneyde elde edilen 3 moment ve 3 kuvvet değerlerinin alınması için kullanılmıştır. Dinamometre kullanılmadan önce gerekli kalibrasyonların yapılması gerekmektedir. Ayrıca farklı twist ve sheeting açıları test edildiğinden dolayı her deney sırasında bu değerlerin değişiminin yapılması gerekmektedir. Bunun için bir cihaz Southampton Üniversitesine bağlı Wolfson Unit bölüminde mevcut olup oradan tedarik edilmiştir. Ancak gerekli bağlantıların model üzerinde etkili olamamasından dolayı bu değişim elde bulunan bazı sağlamlığını koruyabilen kablolar yardımı ile rüzgâr tüneline girmek suretiyle değiştirilmiştir. Bu değişim yapılırken metre yardımıyla da gerekli değişimler yapılmıştır. Bu değişimleri hızlıca yapabilmek için deney için belirlenen açıların yelken üzerindeki mesafe olarak değerleri önceden hesaplanıp deney sırasında seri bir biçimde değiştirilmiştir. Elde edilen ham (raw data) bilgiler daha sonra tüneldeki data alımı programıyla kayıt altına alınmıştır. Elde edilen bu raw data gerekli düzeltmeler yapılmadan kullanılamamaktadır. Bundan dolayı gerek rüzgâr tüneli düzeltmeleri gerekse de dinamometre düzeltmeleri uygulanmıştır. Dinamometre düzeltmesi her deneyden önce bir rüzgârsız bir ölçüm alınmasını gerektirmiştir. Bunun nedeni ise yapılan herhangi bir ölçümden sonra dinamometre kalibre edilen ilk haline yani sıfır koşullarına geri dönmemesidir. Bu çalışmanın bir diğer amacı olan rüzgâr tüneli koşullarının bilgisayar ortamında modellenmesini gerçekleştirmek için ilk olarak deney sırasında belirli bir sayıda fotoğraf çekilmiştir. Bu fotoğraflar çekilmeden önce nereden ve hangi açıdan çekileceği belirlenip ondan sonra rüzgâr akımı devam ederken rüzgâr tüneline girmek suretiyle çekilmiştir. Burada önemli olan ise nokta akış devam ederken akışı bozmadan fotoğrafların çekilmesidir. Bu çalışmada içeri girilmeden fotoğraf çekilmeye çalışılmış ancak elde mevcut bulunan fotoğraf makinesinin yeterince geniş açı lens barındıramamasından dolayı bir başarı sağlanamamıştır. Eldeki mevcut yüksek çözünürlükteki fotoğraf makinesi rüzgâr tüneli içinde uygun bir yerde sabitlenmiştir. Bu makinenin istenilen açıda fotoğraf çekememesi sonucunda daha kompakt bir makine ile içeri girmek suretiyle fotoğraflar elde edilmiştir. Kompakt olan makinenin gerekli kablo bağlantılarının olmamasından dolayı rüzgâr tüneline girilmiştir. Fotoğraflar çekilirken uygun bir yerde konum alınarak rüzgârın akış tipinin bozulmaması için çaba sarf edilmiştir. Çekilen fotoğraflar daha sonra AccuMeasure programı kullanılarak gerekli yelken kıvrımları elde edilmiştir. AccuMeasure programı oldukça basit bir program olmakla beraber bizlere sunduğu olanaklar çok fazladır. Çok önemli bir nokta AccuMeasure programını kullanmadan önce, fotoğraflar çekilirken olabildiğince kamera lensi yelken yüzeyine yakın olmasıdır. Bu yelken kıvrımlarının net ve düzgün bir şekilde okunması açısından önemlidir. AccuMeasure programı ile maksimum yelken kavisi, draft pozisyonu, 15% ve 75% kavis pozisyonları ve de twist değerleri tespit edilebilmektedir. Ancak elde edilen bu değerler bir takım düzeltme basamakları kullanılarak modellemede kullanılmalıdır. Bu düzeltmelerden birincisi kamera lensinden yelken direğinin bumba ile birleştiği noktaya olan mesafenin belirlenip düzeltmede uygulanmasıdır. Diğer bir düzeltme ise kamera lensinden yelken direğinin üst kısmına olan mesafenin belirlenmesidir. Bu deney yapılırken elde edilmesi gereken mesafelerin uygulama yeri ise Excel programı kullanılarak yazılan formüllerin içinde uygulanmasıdır. Excel’de yazılan program otomatik olarak gerekli datanın girilmesi koşulu ile hem ana yelken hem de ön yelken modellemesi için gerekli Kartezyen koordinatlarını vermektedir. Elde edilen bu koordinatlar x,y ve z düzleminde olmakla birlikte üç boyutlu ilk modelin yapılmasına olanak sağlamaktadır. Üç boyutlu ilk meshed model Rhinoceros programı kullanılarak yapılmıştır. Rhinocerosta yapılan modelde 1 mm yelken kalınlığı verilmiştir, çünkü STAR-CCM¬+ 2 boyutlu işlem yapamamaktadır ve bunu önlemek amacıyla 1 mm yelken kalınlığı verilmiştir. Bu kalınlık yelken boyutları düşünüldüğünde ihmal edilebilecek bir değer olmakla birlikte bu önemli sorunda bir çözüme kavuşturulmuş olmaktadır. Rhinoceros programı ile tasarlanan ilk model daha sonra stereolithography CAD (.stl) uzantılı bir dosya ile kaydedilip daha sonra STAR-CCM+ e aktarım yapılmıştır. Aktarılan bu model doğal olarak iyi yapılmamış ise CFD programında tekrardan mesh yapılırken bir sürü kötü yüzey oluşacaktır. STAR-CCM+ in güzel bir özelliği bu kötü yüzeylerin bir nebzede olsa düzeltme imkânı vermesidir. Şayet bu mesh kalitesi açısından kötü olan yüzeyler düzeltilmeyip tekrardan mesh yapılırsa bu analiz sonuçlarının yakınsaması açısından problem oluşturmaktadır. İyi bir yakınsama isteniyorsa temiz bir yüzey elde edilmek zorundadır. Bu çalışmanın temel amacı olan rüzgâr tüneli modellemesi doğal olarak yelken özelliklerinden dolayı 3 boyutlu olmak zorundadır. Ancak 3 boyutlu analiz oldukça karmaşık ve analiz yapılması zaman almaktadır. Bu aşamada zamandan tasarruf edilebilmesi için ve genel olarak hesaplamalı akışkanlar dinamiğini (CFD) anlamak açısından 2 boyutlu bir ön çalışma yapılmıştır. Bu 2 boyutlu çalışmanın amacı 3 boyutlu analize başlamadan önce bir fikir sahibi olmak ve zamandan tasarruf sağlamaktır. 2 boyutlu analiz yapabilmek için ana ve ön yelkenden ana yelkenin alt kısmından itibaren 700 mm yükseklikte bir kesit alınmıştır. Bu kesitler daha sonra Rhinoceros programı ile kolaylıkla modellenip hesaplamalı akışkanlar dinamiği kullanan STAR-CCM+ a aktarılmıştır. Bir kez daha 2 boyutlu bir analiz direkt olarak yapılamadığından ilk önce belli bir derinlik verilmiştir. Bu derinlik daha sonra STAR-CCM+ da yüzey ve hacim mesh yapıldıktan sonra 2 boyutlu hale dönüştürülmüştür. Dikkat edilmesi gereken nokta CAD programı ile yapılan ilk model 3 boyutlu olmak zorundadır. Eğer çalışma 2 boyutlu yapılmak isteniyorsa bu hesaplamalı akışkanlar dinamiğini kullanan herhangi bir programda yüzey ve hacim mesh yapıldıktan sonra 2 boyuta indirgenebilmektedir. Oluşturulan 3 boyutlu model STAR-CCM+’da sıkıştırılabilir akış modeli seçilerek unstructured hexahedral gridlerinin üzerine uygulanarak simülasyonlar yapılmıştır drag ve lift katsayılarını elde edebilmek için. CFD simülasyonlardan gelen veriler ile rüzgâr tünelinden gelen deneysel sonuçlar daha sonra bir karşılaştırma yapılmıştır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) ve yelken teorisi hakkında yeterli bilgi elde edilmesi amacıyla çok zaman harcanmıştır. Harcanan bu oldukça fazla zaman neticesinde proje zamanı önem kazanmaktadır. Şayet projeyi gerçekleştirmek için daha fazla zaman olması halinde CFD sonuçları daha iyi bir oranda doğru olabilirdi %8’lik bir hata payı yerine. CFD analiz sonuçları göstermiştir ki iyi bir mesh ve uygun akış parametleri seçildiği takdirde yelken tarafından üretilen kuvvetlerin tahmin edilmesi mümkündür. Bu ek olarak, CFD yelken etrafındaki akışın görselleşmesi olanağı sağlamakta oysaki rüzgâr tüneli deneyinde bu kolaylıkla mümkün olamamaktadır. Bu görselleşmenin rüzgâr tünelinde yapılabilmesi ancak yelken üzerine sensorler koyularak elde edilebilir, ancak bu durumda başka bir problem ortaya çıkmaktadır ki bu problem akış-yapı etkileşimidir. Bu etkileşimde akışın bozulmasına neden olmaktadır.

The aim of this study is to perform experimental testing by using A Class model and to validate data from wind tunnel tests using a computational fluid dynamics (CFD) code. The wind tunnel testing for heeled upwind condition is conducted for various twist and sheeting configurations for both main and jib sails in order to compare the wind tunnel test data with CFD calculations. A number of changing twist and sheeting configurations are tested in the wind tunnel, and it has showed that the sails having too much twist and sheeting cause of a reduction in the performance of the sails. It also must be pointed out that 28° apparent wind angle compared to 20° has a better performance in terms of lift and drag forces. In this study, only one heel angle (30°) is tested, and it could be possible to test different heel angles and study their effects on the performance of the upwind sailing conditions unless there were some constraints of the project time. In addition to these, it has been observed in the wind tunnel throughout the experiments and checked by analysis results so that 7 m/s wind speed is too strong for those tested sail configurations. 3 m/s wind speed is therefore chosen for CFD simulations. A number of digital images taken in the wind tunnel are used to create a three-dimensional computational model for the simulation of the wind tunnel testing conditions. Firstly, the pictures are used to create three-dimensional model in Cartesian coordinates (x,y,z) by using Excel software, and then the three-dimensional model is finalised in Rhinoceros software with previously created coordinates. However, the 3D model created in Rhinoceros is an initial surface model which is re-meshed in STAR-CCM+ software after being imported. The final three-dimensional model created in STAR-CCM+ is simulated for compressible flow and discretized on unstructured hexahedral grids to provide estimates of lift and drag for upwind sail configurations. The results are then analysed to draw a comparison between the wind tunnel testing and CFD. Much time is spent on learning how to simulate desired models in the STAR-CCM+ software, and also on studying backgrounds of the sail aerodynamics and CFD. Due to this, the limitation of the project time is considerably a significant parameter for more accurate CFD simulations to be carried out; most probably less than 8% error could be succeeded. Additionally, there is a need of much developed 3D model creating method. Even though CFD calculations need to be validated, they have proved that CFD is able to estimate the forces developed by the sails. Furthermore, CFD enables the users to visualize the flow behaviours around the sails, although it is very difficult to demonstrate visually the flow behaviours in the wind tunnel. To perform this in the wind tunnel, it should be attached some sensors on the sail surfaces, and thus a new problem will arise by doing this due to fluid-structure interactions.