Aktif kontrol uygulamalarında firar kenarı emiş yüzeyi manipülasyonunun akış gürültüsü üzerindeki etkilerinin incelenmesi

Abstract

Hava araçları ve rüzgâr türbinlerinin aerodinamik ve aeroakustik özelliklerinin iyileştirilmesi, performansları ve işleyişleri açısından önemli bir yer tutar. Havacılık alanında gerçekleşen gelişmeler ile birlikte, uçan yolcu sayısı her geçen gün artmaktadır. Benzer bir şekilde; hızla artan şehirleşme, beraberinde yüksek enerji ihtiyacını getirmektedir. Dolayısıyla, rüzgâr çiftlikleri gibi alternatif enerji kaynaklarının kullanımı her geçen gün artmaktadır. Bu sebeple; gürültü kontrolü ve gürültünün önlenmesi, günümüzde giderek önem kazanmaktadır. Bu çalışma kapsamında; aktif akış kontrol tekniklerinin kullanımının, bir kanadın aerodinamik ve aeroakustik performansı üzerindeki etkileri incelenmektedir. Aktif kontrol metodu olarak, firar kenarına yakın bölgelerde emme akışı uygulamasına gidilmiştir. Firar kenarı gürültüsünün azaltılmasında, bahsedilen aktif akış kontrol metodunun etkinliği araştırılmıştır. Bu doğrultuda, oluşturulan farklı senaryolar için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizleri gerçekleştirilmiştir. Sayısal verilerin alınması sürecinde, literatürde yaygın olarak kullanılması ve doğrulama verilerine ulaşılabilmesi nedeniyle, bir NACA (National Advisory Committee for Aeronautics) kanat profili olan ve körlenmiş firar kenarına sahip NACA 0012 profili kullanılmıştır. Kullanılan NACA 0012 profili için veter uzunluğu 0.2m, firar kenarı körlüğü (h/δ*) ise 0.196 olarak alınmıştır. Simülasyonlar, ANSYS Fluent yazılımı üzerinde Reynolds-Averaged Navier–Stokes (RANS) ile Large Eddy Simulation (LES) karma modeli olan Stress-Blended Eddy Simulation (SBES) türbülans modeli kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Türbülans alt modeli (subgrid-scale) olarak, Smagorinsky-Lilly modeli kullanılmıştır. Basınç- hız bağıntısının sağlanması için Pressure-Implicit with Splitting of Operators (PISO) algoritması kullanılmıştır. Öncelikle, çalışmada kullanılacak HAD analizleri için oluşturulan sayısal modelin geçerliliği teyit edilmiştir. Bu süreçte, doğrulama analizleri gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen doğrulama analizleri sırasında herhangi bir aktif kontrol metodu kullanılmamıştır. Fakat, türbülansa bağlı etkilerin daha iyi gözlemlenebilmesi için, NACA 0012 profili üzerinde hücum kenarına yakın bölgeler üzerinde tetikleme akışı uygulanmıştır. Tetikleme akışı için kullanılan değerler, literatürde yer alan akış verilerini baz almaktadır ve deneysel sonuçlara yakınsamak için sayısal analizlerde kullanılmak üzere oluşturulmuştur. Sayısal modelin doğrulanması, NACA 0012 profili üzerinden elde edilen basınç değerleri ve akustik verilerin literatür ile karşılaştırılması ile sağlanmıştır. Bu süreçte, veter uzunluğuna göre Reynolds sayısı 400000 olarak alınmıştır. Profil üzerinden elde edilen negatif basınç katsayıları, literatür ile karşılaştırılmıştır. Akustik veriler ise, firar kenarına yakın konumlar üzerinden hesaplanarak referans alınan değerler ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar neticesinde, kullanılan sınır şartlarının ve oluşturulan sayısal modelin geçerliliği sağlanmıştır. Doğrulama analizleri sonrasında, firar kenarını referans alan doğrultusal gürültü dağılımları, hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar üzerinde gürültünün kuadrupol etkileri yeterince gözlemlenemediğinden dolayı serbest akış hızı arttırılmıştır. Veter uzunluğuna göre 530000 Reynolds sayısına sahip akış üzerinde aktif gürültü kontrol metotları uygulanmıştır. Farklı aktif kontrol parametrelerinin profil üzerinde uygulandığı senaryolar oluşturulmuş, bulunan sonuçlar birbiri ile karşılaştırılmıştır. Senaryolar, literatürde yer alan aktif gürültü kontrol parametresi baz alınarak oluşturulmuştur. Parametre, aktif kontrol yüzeyinin uzunluğu ve kontrol akışının hızı ile doğru, serbest akış hızı ile ters orantılıdır. Dolayısıyla; serbest akış koşulları değişmediği sürece, birbirine denk kontrol akışı debilerine sahip senaryoların sahip olduğu kontrol parametreleri de birbirine eşit olacaktır. Çalışmada, kontrol yüzeyinin manipüle edilmesi ile oluşturulan farklı senaryolar için gürültü değerleri incelenmiş, birbirine denk kontrol parametrelerine sahip senaryolar üzerinden elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. HAD analizleri için oluşturulan modellerde kontrol parametreleri; 0.268, 0.537, 1.611 ve 3.222 olarak belirlenmiştir. Her bir kontrol parametresi için, NACA 0012 profili yüzeyine, birbirine denk merkezli ancak farklı uzunluklarda kontrol yüzeylerine sahip üç farklı durumda aktif kontrol senaryosu tanımlanmıştır. Kontrol parametresinin 0.268 olarak tanımlandığı durumda oluşturulan tüm senaryolar için gerçekleştirilen analizlerde, firar kenarına göre 90° ve 270° doğrultularında gürültü iyileştirme gözlemlenmiştir. Kontrol yüzeyinin daraltıldığı senaryoda bu etkiler artmış, tüm açısal doğrultularda efektif bir gürültü iyileştirme elde edilmiştir. Kontrol parametresinin 0.537 olarak tanımlandığı durumda ise farklı olarak, kontrol yüzeyinin genişletildiği senaryoda etkin bir gürültü iyileştirme gözlemlenmiştir. Tüm doğrultularda efektif olarak gürültü iyileştirmenin gözlendiği senaryolarda; 0° doğrultusunda yani iz bölgesinde gözlenen gürültü miktarındaki azalmanın, diğer doğrultularda gözlenen değerlere göre daha düşük olduğu saptanmıştır. Kontrol parametrelerinin 1.611 ve 3.222 olarak belirlendiği senaryolar ise, elde edilen verilerin doğrulaması, dipol ve kuadrupol etkilerin daha iyi gözlenebilmesi için analiz edilmiştir. Kontrol parametresinin 1.611 olarak belirlendiği senaryolarda iz bölgesi gürültüsünün önlenmesinde etkili sonuçlar elde edilmiştir, ancak bu durum 90° ve 270° doğrultularında gürültü önleme performansında düşüş yaratmıştır. Kontrol parametresinin 3.222 olarak belirlendiği senaryolarda ise ölçüm alınan tüm doğrultular üzerinde gürültü önleme performansında düşüş gözlemlenmiştir.