CFD - SAYISAL AKIŞ ANALİZİ

1. NACA 8414 PROFİLİNE SAHİP UÇAK
KANADININ CFD İLE
AERODİNAMİK ANALİZİ
Hazırlayanlar
KENAN ÇAL Metin SAĞIK
1030116782 1030216199
Danışman
Yrd. Doç. Dr.
Sibel GÜNEŞ

2.  Uçabilmek adına yapılan birçok teorik ve pratik
çalışmaların sonucunda havacılık insanoğlu için
önemli bir noktaya gelmiştir. Uçurtma, paraşüt,
balon gibi icatlar ile kuşların kanatlarından alınan
ilham ile başlayan bu serüven fizik, matematik ve
mühendislik bilimleri sayesinde yüksek seviyelerde
seyir etmektedir. Ve gelişmeler sürekli devam
etmektedir. Bu ödevde uçakların temel
elamanlarından olan kanatların, sayısal akış analizi
yapılacak ve uçuşu etkileyen etkiler incelenip,
yorumlanacaktır.
Giriş

3.  Bir uçak kanat profilinde taşımaya etki eden en önemli
etkenler; kaldırma ve sürükleme katsayıları, basınç dağılımları
ve havanın hızıdır.
 Bu bitirme ödevi çalışmasında, serbest akım bölgesinde
modellenen NACA 8414 (National Advisory Committee for
Aeronautics) adlı kanat profili kullanılmıştır. Kanat profilinin,
ANSYS V.16 programı ile geometrisi oluşturulmuş, gerekli
mesh (ağ örgüsü) yapısı düzenlenmiş, model Fluent
modülüne aktarılıp parametre değerleri atandıktan sonra
hesaplamalı sayısal akış analizi yapılmıştır ve sonuçlar
literatüre sunulmuştur.
Çalışmanın Özeti

4.  Kanat profilinin etrafındaki akışkanın farklı hızlardaki
(Mach 0.7-1.2-2) davranışı , kaldırma ve sürükleme
katsayıları ile kanat yüzeyleri üzerindeki basınç ve hız
dağılımları incelenmiştir.
 Naca 8414 kanat profilinin 238, 408, 680 m/s
hızlarında; 5° hücum açısı için aerodinamik katsayıları,
hız ve basınç dağılımları elde edilmiştir.
Çalışmanın Özeti

5.  Atmosfer içerisinde yüksek hızla hareket eden cisimlerin ve
yüksek hızdaki rüzgâra maruz kalan hareketli ve hareketsiz
cisimlerin etrafında meydana gelen akım olaylarını inceleyen; bu
cisimler üzerine hava ile temas nedeniyle etkiyen yükleri (kuvvet
ve momentler) araştıran, istenilen kuvvet ve momentleri
sağlayabilecek geometrileri tasarlayan bilim dalıdır.
 Aerodinamik, analiz ve tasarım problemleri ile ilgilenir. Cisim
geometrisi ve akım şartları verildiğinde cisim etrafındaki akım
alanının ayrıntılı incelenmesi ve/veya cisme etkiyen kuvvet ve
momentlerin tespit edilmesi analiz kısmıdır. İstenilen
performansı sağlayacak şekilde cismin geometrisinin tespit
edilmesi ise tasarım kısmını ifade eder.
Aerodinamik

6.  Aerodinamiğin inceleme tarzı deneysel ve teorik
olmak üzere ikiye ayrılır. Rüzgâr tüneli deneyleri ve
uçuş tecrübeleri deneysel, analitik ve sayısal çözümler
ise teorik kısmıdır.
Aerodinamik

7. Aerodinamik Kuvvet ve Moment
Bileşenleri
 Aerodinamik incelemelerinde çoğu zaman bileşke kuvvet ve
moment yerine, bunların uygun bir eksen takımında hesaplanmış
veya ölçülmüş bileşenlerinden söz edilir.
 Uçak ve benzeri araçlarla ilgili incelemelerde aerodinamik kuvvet ve
moment genellikle uçuş doğrultusuna (veya izafi olarak düşünülürse,
serbest akım doğrultusuna) göre tanımlanmış bir eksen takımında:
Kuvvet bileşenleri
Lift ( Kaldırma)
Thrust (Çekme )
Drag ( Sürükleme)
Gravity ( Ağırlık )
Moment Bileşenleri
My : Yunuslama Momenti (Pitching Moment)
Mx : Yalpa Momenti (Rolling Moment)
Mz : Sapma Momenti (Yawing Moment)

8. Aerodinamik Kuvvet ve Moment
Bileşenleri

9. NACA Profilleri
 Naca Profili Nedir?
 1933 yılında NACA yapılan kanat profili çalışmalarıyla ilgili bir yayın
yaptı. Bu yayında NACA 4 basamaklı kanat profilli tanımlamasını
yaptı. Bu tanımlamaya göre verilen bu dört basamak, kanat profilinin
genel şeklini tanımlar.

10.  Hücum açısı hava aracının hız vektörü ile kanat vektör yönü
arasında kalan açıdır. Hücum açısı arttıkça kaldırma kuvveti de
artar. Fakat bu açının belirli bir değeri geçmesi ile akım çizgileri
kanat üzerinde tutunamayacaktır. 0º’lik hücum açısına sahip bir
kanat profili firar kenarında akım ayrılmaları başlar ve kanat
arkasında iz bölgesi oluşur . Hücum açısı arttırıldıkça ayrılma
noktası hücum kenarına yaklaşır ve yaklaşık 12–16º’lik hücum
açısına ulaşıldığında akım ayrılması (stall) başlar. Türbülansın
başladığı bu açıya stall açısı denir. Bu açıdan daha fazla hücum
açısının arttırılması halinde kaldırma kuvveti azalır ve sürükleme
kuvveti hızla artar. Hücum açısının küçülmesi ile azalan kaldırma
kuvveti uçak hızının arttırılması ile arttırılır.
Hücum Açısı

11. Hücum Açısı

12. İncelediğimiz kanat profili NACA 8414
Modelleme için daha önceden analizleri ile
karşılaşılmayan NACA 8414 profili tercih edilmiştir.
Kanada ait profil ölçü bilgileri sırasıyla x, y, z koordinat
noktalarını belirtmek üzerine aşağıdaki gibidir. Her satır
bir noktayı gösterir. Analizini yapacağımız kanat
profilini elde etmek için istenen ve yeterli düzeyde
hassasiyet sağlaması açısından yaklaşık 200 adet
koordinat noktası seçilmiştir.
ÇALIŞMALAR

13.  NACA 8414
Analiz

14.  Naca 4 dijit profil
oluşturma programı ile
gerekli koordinatlar
elde edilmiştir.
Excell’de düzenlenip
istenen formata
getirildikten sonra text
dosyası olarak ANSYS
programına
aktarılmıştır.
Koordinatların Alınması

15. 1 0 1 0 0
1 1 1,000142299 0,001525201 0
1 2 0,999433072 0,001839383 0
1 3 0,998251581 0,002361939 0
1 4 0,99659866 0,003091255 0
1 5 0,994475478 0,004025079 0
1 6 0,991883544 0,005160535 0
1 7 0,988824706 0,006494132 0
1 8 0,98530116 0,008021781 0
1 9 0,981315446 0,009738814 0
1 10 0,976870463 0,01164 0
1 11 0,971969463 0,013719571 0
1 12 0,966616066 0,015971243 0
1 13 0,960814255 0,018388247 0
1 14 0,95456839 0,020963347 0
1 15 0,947883205 0,023688875 0
Programa aktarılan koordinat formatı

16.  Verilen noktaların
koordinatları text
belgesi
formatında
kaydedilerek,
ANSYS
programında
Geometri
modülüne; New
Geomety yolu
takip edilerek
Coordinates File
konutu ile
aktarılmıştır.
Koordinat noktalarının programa
aktarılması

17.  Şekil 2.3 de gösterildiği
gibi kanat profilin etrafına
akışın sınır bölgesini
tanımlayacak bir bölge
oluşturulmuştur.
Ardından giriş ve çıkış
değerlerini
belirleyebilmek bu alan
HavaGiriş, HavaÇıkış,
SolYüzey ve
ÜstSağAltYüzeyler olarak
adlandırılmıştır.
 Kanat boyu 7 metre
olarak seçilmiş ve akış
alanının boyu ise akım
değerlerinin net olarak
görülebilmesi için 10
metre olarak atanmıştır.
3 Boyutlu Hava Akış Ortamının
Oluşturulması

18.  Kanadın 3 boyutlu
olarak hazırlanması
ve akış alanının
sınırlarının da
belirlenmesinden
sonra bizim için
önemli olan kanat
bölgesinin akış
analizinin
değerlerinin daha
hassas çıkması
amacıyla kanat
bölgesi daha yoğun
ağ örgüsü ile
kaplanmıştır. Bu
değer 50 kat olarak
belirlenmiştir.
Geometrinin Fluid Flow Modülüne
Aktarılması

19.  Fluid Flow
modülünde
mesh kısmında
ağ örgüsünü
tamamladıktan
sonra Setup
sekmesine
geçip
parametre ve
sınır şartlarını
belirledikten
sonra
hesaplama
işlemini
başlatıyoruz.

20.  Seçilen Naca 8414 profili için sırasıyla
 238 m/s ,
 408 m/s ,
 680 m/s
 hızları için 5° hücum açı durumuna göre simülasyonları
yapılacaktır. Seçilen hız değerleri ses altı, ses hızı ve ses üstü
hızlara göre seçilmiştir. Hücum açısı ise ayrılma olayının
gözlemlenmemesi için kritik seviye kadar seçilmiştir.
 Simülasyon yapılırken kanatın açısal ve ilerleme hareketlerinin
etkilerini incelemek için; kanat sabit tutulacak değişik hızlarda ve
sabit açıda hava kanat üzerine tatbik edilecektir.
Problemin Tanımı

21.  Problem için akış
modeli ideal
akışkan seçilmiş,
ses hızı 15° C 1 atm
basınç için 340 m/s
kabul edilmiştir.
Ses hızı sıcaklık ve
yoğunlukla
değişmektedir. Bu
sebeple enerji
denklemi özelliği
pasif durumda
bırakılmıştır.
Referans değerler
Şekil 2.5’teki gibi
belirlenmiştir.
Akışkan cinsi olarak
Hava seçilmiştir.
Problem Verilerinin Fluent Programında
Setup Sekmesine Aktarılması

22.  Daha sonra Setup kısmından Boundary Conditions sekmesinden
sınır şartları belirlenir. Hava Çıkış yüzeyi için Pressure-Outlet,
Hava Giriş yüzeyi için Velocity-Inlet seçilir.
Sınır şartlarının seçilmesi

23. Sınır şartlarının belirlenmesi

24.  Hava giriş hızı olarak 3 farklı değer ayrı ayrı atandıktan sonra hepsi için
ayrı ayrı hesaplama yapılır. İlk analiz için hız değeri Mach 0.7 değerine
karşılık gelen 238 m/sn girilir.
Hız değerinin girilmesi
Sırayla diğer parametreler de
atandıktan sonra hesaplama
yapılır.Sol Yüzey ve Hava
Wall , ÜstSağAltYüzeyler ise
Symmetry seçilir.

25.  Gerekli sınır şartları
atandıktan sonra
program arayüzünde
Run Calculation
sekmesine geçilir.
Burada Program
yapacağı işlemin kaç
Iterasyonla olacağını
belirleyebiliyoruz.
İşlemin yüksek
hassasiyetle
sonuçlanması için
100 iterasyon olarak
seçiyoruz.
Simülasyon

26. Sonuçlar
Mach 0.7 (238 m/sn) Hız İçin
Basınç Grafikleri
Mach 0.7 İçin Kanat Ucu Basınç
Grafiği
39 Mpa
0.38 atm
-58 Mpa
-0.56 atm

27. Hız Grafikleri
Mach 0.7 İçin Hız Grafiği Kanat Ucu
408 m/sn
4.21 m/sn

28. Mach 1.2 (408 m/sn) Hız İçin
Basınç Grafikleri
Mach 1.2 İçin Kanat Ucu Basınç
Grafiği
114.1056 MPa
(1.12 atm)
-170.3284 MPa
(1.68 atm)

29. Mach 1.2 İçin Hız Grafiği
Mach 1.2 İçin Kanat Ucu Hız
Grafiği
700 m/sn
7.2 m/sn

30. Mach 2 (680 m/sn) Hız İçin
Basınç Grafikleri Mach 2 İçin Hız Grafiği
316.97116 MPa
(3.12 atm)
-473.1037 MPa
(4.66 atm)

31. Basınç ve Hız Grafiklerinin Karşılaştırılması
Mach 0.7 Basınç
Mach 1.2 Basınç
Mach 2 Basınç
Mach 0.7 Hız
Mach 1.2 Hız
Mach 2 Hız

32. Basınç (Pascal) Hız (metre/saniye)
En Yüksek En Düşük En Yüksek En Düşük
Mach 0.7 (238 m/s) 38828.95 Pa
(0.38 atm)
-57953.05 Pa
(-0.57 atm)
408 m/sn 4.21 m/sn
Mach 1.2 (408 m/s) 114105.6 Pa
(1.12 atm)
-170328.4 Pa
(-1.68 atm)
700 m/sn 7.2 m/sn
Mach 2 (680 m/s) 316971.16 Pa
(3.12 atm)
-473103.7 Pa
(-4.66 atm)
1170 m/sn 11.9 m/sn
Basınç – Hız Karşılaştırması
Kaldırma Kuvvetini Sağlayan
Basınç Farkı
Mach 0.7 0.95 Atm
Mach 1.2 2.8 Atm
Mach 2 7.78 Atm

33. Cl – Cd Grafikleri

34. Yorum
 Bir uçak kanat profilinde taşımaya etki eden
en önemli etkenler; kaldırma ve sürükleme
katsayıları, basınç dağılımları ve havanın
hızıdır.
 Bernoulli ilkelerine göre havanın hızı
artığında basıncı düşerken, hava hızı
azaldığına ise basınç artar. Ses altı uçuşlar
için kullanılan kanat profillerinde kanat
profillerinin alt yolu, üst yoluna göre
karşılaştırıldığında daha kısa olduğu
görülmektedir. Hava kanadın alt yüzeyini
daha düşük bir hızla terk ettiği için kanat
profilinin altında yüksek basınç bölgesi
oluşur. Bu basınç havanın hızla geçtiği üst
bölgeye göre daha büyüktür. Oluşan bu
basınç farkı sebebiyle kaldırma olayı
gerçekleşir.
 Bu çalışmada hesaplaması gerçekleştirilen
NACA 8414 kanat profilinin serbest akım
ortamındaki farklı hızlardaki basınç
dağılımları, kaldırma ve sürükleme katsayıları
detaylı olarak elde edilmiştir. ANSYS ve
Fluent bilgisayar programları yarımıyla teorik
bilgilerin analizleri yapılmıştır.
 Hücum açısının artması kaldırma fonksiyonu
üzerinde pozitif bir etkiye neden olur ancak
belli bir değerden sonra kaldırma katsayısı,
aerodinamik hava direncinin taşıma bileşeni
sıfıra düşmesinden dolayı ayrılma(stall)
durumuyla karşılaşılır. Bu olayda kaldırma
kuvveti daha düşük olduğu için uçak havada
tutunamaz, irtifa kaybeder.

35. Yorum
Bu çalışmada seçilen açı değerleri bu
kanat profili için ait olan 20 derecelik
hücum açısından düşük olduğu için stall
durumu gözlenmemektedir. Elde edilen
sonuçlar incelendiğinde uçağın hızı
arttıkça (akışkan hızı) kanat üzerinden
geçen akışkan hızının da yaklaşık
doğrusal şekilde arttığı ve kanat
üzerindeki hızın hava hızının yaklaşık 2
katı olduğu görülmektedir. Hız değeri
artığı sürece ise sabit hücum açısında Cl
ve Cd katsayılarının artığı
gözlemlenmektedir.
Çalışmadan çıkan en dikkat çekici sonuç akış
hızı arttıkça kanadın altındaki ve üstündeki
basınç farkının artması. Yani kanada etkiyen
kaldırma kuvvetinin artması. Bu etki bizlere
neden hava araçlarının havalanmaya
başlamadan önce belli bir hıza ulaşmaları ve
havadayken de belli bir hızın altında
inmemeleri gerektiğini açıklar.
Basınç dağılımları grafikleri ise bu sonuçları
doğrulamaktadır. Literatür araştırmalarından
elde ettiğimiz basınç farkının kanat
üzerindeki kaldırma etkisi, kanat altında ve
üstünde oluşan basınç farkının hız ve açı ile
artması ile arttığı doğrulanmıştır.

36. Teşekkürler
Dinlediğiniz için teşekkürler.