Winglet takılmış kanatlar etrafında sayısal ağ üretimi ve viskoz akış analizi

Abstract

Uzun süreden beri kanat ucuna monteli yüzeylerin kanat uçlarında oluşan girdap yapılarını azalttığı ve yaydığı bilinmektedir. Sonuç olarak indükleme sürüklemesinin azalmasına karşın elverişsiz etkileşimler ve viskoz etkiler elde edilen yararları sıfırlayabilmektedir. Winglet kavramı bu yaklaşımların en umut verici olanlarından biridir ve kanadın efektif açıklığını arttıran bir düzenek olarak düşünülebilir. Winglet kanat ucu girdabının içine yerleştirilmiş olan küçük bir kanattır. Winglet üzerindeki kaldırma kuvveti bir yan kuvvet olarak kendini göstermekte ve böylece akım yönünde bir itki komponenti ortaya çıkmaktadır. Gövde arkasına yerleştirilen kaplama yüzeylerinde (afterbody strakes) olduğu gibi girdap yapıları bir ölçüde yayılır. Buna karşın kanat kökündeki eğilme momentlerinde hem artan kanat yükleri hem de winglet yükleri nedeniyle bir artış görülür ve bu da wingletlerin sonradan ilave edilebilirliğini sınırlayabilir. Burun-aşağı bir moment de ağırlık merkezinin üstünde kalan itki nedeniyle oluşabilir ve bu da trimleme gerektirmesi dolayısıyla olumsuz etkilere yol açabilir. İlave olarak, yüzey sürüklemesi ve bileşke bölgede etkileşim sürüklemesi gibi diğer sürükleme biçimlerinde artışlar meydana gelebilir. Bu nedenle, tipik olarak sürüklemede yüzde üçle altı arasında azalma elde edilebilmesine karşın, benzer bir performansa bazı durumlarda kanat ucunun basit bir uzatılmasıyla da erişilebilir. Bu nedenle "winglet"in tercih edilmesi tasarımının optimizasyonuna bağlıdır. Bu çalışmada bir kanat-winglet konfigürasyonu etrafında sayısal ağ üretimi gerçekleştirilmiştir. Bunu takiben ilgili akım alanın sayısal analizi sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak Navier-Stokes denklemlerinin parallel çözümü ile elde edilmiştir.

In 1970s NASA aerodynamicist Richard Whitcomb, inventor of the Area rule, made two major contributions to aeronautical science: the GA(W) airfoil and the Whitcomb winglet [1]. Whitcomb, writing in 1976, had carefully documented the effect of winglets upon performance: a four- to eight-percent improvement in the lift/drag ratios of several large jet transports. The eight-percent figure applied to the KC-135, whose old-technology wing, dating back more than two decades, had the most to gain; five percent came to be the rule-of-thumb figure for the improvement to be expected [1,2]. It has long been recognized that the addition of tip-mounted surfaces to a wing can reduce and diffuse the vortex structures arising from the tips [3]. Induced drag reductions result, but these may be offset by unfavorable interference and viscous effects. The winglet concept is one of the most promising of these concepts and can be thought of as a device to increase the effective span of the wing. WINGLET LIFT Fig. 1.1 Winglets for drag reduction VIAs shown in Fig. 1. 1, the winglet is small wing mounted in the swirling flow at the wing tip. The lift on the winglet acts as a sideforce and, with proper positioning of the winglet, it will have a thrust component in the stream direction. As with the afterbody strakes, the structure of the vortices is somewhat diffused due to the winglets. However there will be an increase in wing root bending moment due to both the increased wing loading and the winglet loading and this may limit the utility of winglets as retrofittable devices. A nose-down pitching moment can also occur due to the above-center thrust location and this can lead to trimming penalty. In addition there are attendant increases in other forms of drag such as skin-friction drag and interference drag at the junction region. Thus, while typical drag reductions of the order of three- to six- percent may result, comparable performance can in some cases be achieved by a simple tip extension. For best performance, proper design of the winglets is critical and some specific design details are as follows [3]: 1. For good supercritical performance, the winglet should be tapered and swept aft. It should be mounted behind the region of lowest pressure of the main wing to minimize interference effects. 2. Some outward cant is desirable and helps to minimize interference at the junction. 3. Smooth fillets should be used between the wing tip and the winglet, or smaller drag-reduction benefits may result.