Salınım Yapan Düz Levha Etrafındakı Üç-boyutlu Akışın Analizi

Abstract

Son zamanlarda, kanat-çırpma aerodinamiği büyük bir ilgi toplamış ve mikro-hava taşıtlarına uygulanabilirlik açısından büyük bir potansiyel teşkil ettiğinden, konu üzerindeki araştırmalar yoğunlaşmıştır. Düşük hızlar ve düşük en-boy oranları, halen tam anlaşılamamış düşük Reynolds-sayılı akışlar yaratmaktadırlar. . Bu çalışmanın amacı, salınım yapmakta olan düz bir plaka etrafındaki üç-boyutlu akışın HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) yöntemiyle incelenmesidir. Reynolds Ortalamalı Navier-Stokes Denklemlerinin çözümü için ticari bir program olan Fluent kullanılmıştır. Hedef, üç boyutlu akış karakteristiklerinin ve bazı kinematik parametrelerin akış ve performans üzerindeki etkilerinin vurgulanmasıdır. Süreksiz akış özelliklerinin çözümlenebilmesi için bir türbülans modelinin kullanılması gerekmektedir. Düşük Reynolds-sayılı akışları da kapsayan bir yöntem olduğundan ve bu tür akışlar için güvenilir sonuçlar verdiği bilindiğinden, k-ω sst modeli kullanılmıştır. Viskozitenin etkili olduğu bölgelerin düzgün olarak çözümlenebilmesi için duvar kenarı modelli bir yaklaşım uygulanmıştır. Çalışma boyunca Reynolds sayısı 60 000’e sabitlenmiş, en-boy oranı, ortalama akış açısı, genlik oranı ve indirgenmiş frekans değerleri birbirlerinden bağımsız olarak değiştirilerek parametrik çalışmalar yapılmıştır. Uç vorteksinin (girdap), hücum-kenarı vorteksini kontrol etmek ve dağılmasını sınırlamak suretiyle, aşağı akış üzerinde olumlu bir etkisi vardır. Yüksek indirgenmiş frekans değerleri için itme sağlayan konfigürasyonlar elde edilebilmiştir.

Recently, flapping-wing aerodynamics has generated a great deal of interest and an important research effort is being made due to its potential application to Micro-Air Vehicles (MAVs). The low speed and small aspect ratio generate low Reynolds number flows that are still not well understood. The objective of this study is to perform three-dimensional CFD analyzes of the flow developing around an oscillating flat-plate. The commercial software Fluent is used to carry out the computations based on the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations. The aim is to highlight the three dimensional flow structure and the effect that some of the kinematics parameters have on the flow and performance parameters. To account for the unsteady flow features a turbulence model had to be incorporated. The kω-sst model was chosen as it includes a treatment of low-Reynolds number flows and proved to provide reliable results for these types of flows. A near-wall modelling approach was adopted since the flow had to be properly resolved throughout the viscosity-affected region. The Reynolds number was fixed to 60 000 and the parametric studies consisted in varying the aspect ratio of the flat-plate, the mean flow angle and the reduced frequency, independently from one another. The results highlighted the presence of an excessive amount of separation, often resulting in drag-producing motions. The tip vortex played a positive role by controlling and limiting the spreading of the leading-edge vortex spanwise. It is at higher reduced frequency values that thrust-producing configurations were achieved.