BÖLÜM 11 DIŞ AKIŞLAR Kaldırma ve Direnç

Amaçlar Direnç, sürtünme, basınç direnci, direnç düşmesi ve kaldırma gibi fiziksel olguları tanıtımı Yaygın karşılaşılan bazı geometrilerin üzerinden akışla ilgili direnç kuvvetini hesaplanması Akış rejiminin, silindir ve küre üzerinden akışlardaki direnç katsayılarına etkisinin anlaşılması Kanatlar üzerinden akışın anlaşılması ve kanatlara etkiyen kaldırma ve direnç kuvvetlerinin hesaplanması

Motivasyon

Motivasyon

Dış Akış Hareket halindeki cisimler ve araçlar üzerinden geçen akış, bunların üzerine kuvvet ve moment uygular Örnekler: uçaklar, otomobiller, binalar, gemiler, denizaltılar ve türbomakinalar. Bu tür problemler genellikle Dış Akış olarak değerlendirilir. Yakıt ekonomisi, hız, ivme, manevra kabiliyeti, kararlılık ve kontrol, ortaya çıkan bu aerodinamik/hidrodinamik kuvvet ve momentlerle yakından ilgilidir. Bir aracın 6 serbestlik dereceli genel hareketi 3 tane lineer momentum 3 tane de açısal momentum denklemiyle tarif edilir.

Akış Kaynaklı Kuvvet ve Momentler Dalgalı denizde hareket eden gemiler 6 serbestlik dereceli en zor problemlerden biridir. Uçuş irtifasında seyreden uçak: Direnç K.= İtki ; Kaldırma K. = Ağırlık.

Direnç ve Kaldırma Akış kaynaklı kuvvetler, cisim üzerine etkiyen basınç ve viskoz kuvvet kuvvetlerden ileri gelir. Direnç: Akışa paralel bileşen. Kaldırma: Akışa dik bileşen.

Direnç ve Kaldırma Kaldırma ve Direnç kuvvetleri yüzey boyunca basınç ve çeper-kayma gerilmesinin integrali ile bulunabilir

Drag and Lift FL ve FD kuvvetleri, geometrinin yanı sıra  ve V ye de bağlıdır. Boyut analizi ile iki Pİ terimi elde edilir: Kaldırma ve Direnç Katsayıları. Burada A, direnç hesaplamalarında ön-bakış alanı, kanat aerodinamiğinde üst-bakış alanı veya hidrodinamik uygulamalarda ıslak-yüzey alanı olur.

Örnek: Otomobile gelen direnç Scion XB Porsche 911 CD = 1.0, A = 2.3 m2, CDA = 2.3 m2 CD = 0.28, A = 0.93m2, CDA = 0.26m2 FD=1/2V2(CDA) Scion XB için ~ 10 kat daha yüksektir Bunun kaynağı CD nin ve ön bakış alanının yüksek olmasıdır. Güç tüketimi P = FDV =1/2V3(CDA) hızın küpü V3 ile orantılıdır.

Direnç ve Kaldırma İncelen kanatlar için CL ve CD kanat boyunca değişebilir. Bu uygulamalarda yerel katsayılar (CL,x ve CD,x ) tanımlanır ve toplam katsayılar kanat açıklığı boyunca alınan integral ile hesaplanır:

Sürtünme ve Basınç Direnci Akış kaynaklı kuvvetler basınç ve sürtünme etkilerinden meydana gelir. Bunları bileşenlerine ayırarak ifade etmek kolaylık sağlar, FD = FD,sürtünme + FD,basınç CD = CD,sürtünme + CD,basınç Bu yaklaşım gemi modellerinin test edilmesinin temelini oluşturur ve bu durumda, CD,basınç = f(Fr) Froude sayısı CD,sürtünme = f(Re) olduğu kabul edilir. Friction drag Pressure drag Friction & pressure drag

Akım Çizgili Hale Getirme Akım çizgili hale getirme FD,basınç ı düşürürken ıslak yüzeyin artmasına yol açarak FD,sürtünme yi yükseltir. Arzu edilen şey, akış ayrılmasını ortadan kaldırma ve toplam direnci (FD) en aza indirmedir.

Akım Çizgili Hale Getirme

Aktif Akış Kontrolü yoluyla Akım Çizgili Hale Getirme Ağır vasıtalarda yarıklardan üfüren havanın pnömatik olarak kontrol edilmesi direnci düşürerek önemli yakıt tasarrufu sağlar.

Bazı Geometrilerin CD Değerleri Bir çok geometride Re > 104 olması halinde CD sabittir. CD cismin yerleştirilme biçiminden çok etkilenir. Kaba bir yaklaşım olarak bir sistemin toplam direncini bulmada, sistemi oluşturan bileşenlerin direnç katsayıları toplanabilir. İlginçtir ki bu yaklaşımın başarılı olmasının dayandığı bir matematiksel neden bulunmamaktadır.

Bazı Geometrilerin CD Değerleri

Bazı Geometrilerin CD Değerleri

Bazı Geometrilerin CD Değerleri

Düz Plaka Üzerindeki Direnç Düz bir plaka üzerine etkiyen direnç kuvveti; plaka üzerinde gelişen laminer, geçiş ve türbülanslı sınır tabakaların neden olduğu sürtünmenin bir sonucudur.

Düz Plaka Üzerindeki Direnç Yerel sürtünme katsayısı Laminer: Türbülanslı: Ortalama sürtünme katsayısı Bazı hallerde plaka, türbülanslı akışın oluşmasına yetecek kadar uzun olsa da laminer kısmı göz ardı edebilecek kadar uzun olmayabilir:

Sürtünmenin Etkisi Yandaki şekil boru akışlarındaki Moody diyagramını andırır. Pürüzlülüğün laminer akışa etkisi yoktur Ancak türbülanslı akış çok etkilenir ve belirli bir Re için 7 kat artabilir

Silindir ve Küre Direnci

Silindir ve Küre Direnci Akış Re sayına çok bağlıdır. Türbülanslı sınır tabaka, oluşan ters basınç gradyeni nedeniyle akış ayrılmasına daha fazla direnir. Bunun sonucunda art izi (wake) daralır. ayrılma,lam ≈ 80º ayrılama,türb ≈ 140º

Pürüzlülüğün Etkisi

Kaldırma (kuvveti) Kaldırma, (basınç ve viskoz etkilerden kaynaklanan) net kuvvetin akış yönüne dik bileşenidir. Kaldırma katsayısı A=bc üst-bakış alanıdır.

Hücum açısının etkisi İnce-kanat kuramına göre CL≈2 for  < stol Dolayısıyla kaldırma kuvveti  ile doğrusal olarak artar Çoğu uygulamada CL/CD oranı maksimum yapılmaya çalışılır. CD katsayısı rüzgar tüneli deneylerinden ya da CFD ile belirlenir (STD veya NSD ile). CL/CD oranı stola ulaşıncaya kadar 100 civarına çıkabilir. bir uçak tırmanışa geçtiği zaman uçuş açısı artar ve hava kanatlarının üzerinden düzenli olmayan bir şekilde akmaya başlar. eğer bir uçak yeteri kadar gücü olmadan çok dik bir şekilde yükselmeye başlarsa hava kanadın üzerinden akabilmek ve kaldırma kuvveti yaratabilmek için yeteri hıza sahip olamaz. havanın akışı bozulur ve uçak yere doğru düşmeye başlar. buna stol olma denir.

Kanat şeklinin etkisi Kalınlık ve kanadın kavis biçimi basınç dağılımını (dolayısıyla kanat yükünü) ve akış ayrılmasının gerçekleşeceği konumu etkiler.

Kanat şeklinin etkisi Şekilde, Renkli basınç konturları (eşdüzey çizgileri) Hız alanındaki akım çizgileri Yüzeydeki basıcın dağılımı görülmektedir. Kanat kavisinin (kamber) ve kalınlığının etkisinin çok fazla olduğu anlaşılmaktadır. http://www.aa.nps.navy.mil/~jones/online_tools/panel2/

Kanat uçlarının etkisi Kanadın yüksek basınçlı yüzeyinden düşün basınçlı yüzeyine geçen kaçak akım nedeniyle uçlarda vorteks (çevri) meydana gelir. Bunlara uç vorteksi denir. Büyük uçaklardan yayılan uç vorteksleri çok gerilere kadar etkisini sürdürebilir ve hafif uçaklar için önemli bir tehlike doğurur. Bununla da kalmayıp yoğun çalışan havaalanlarında kalkış ve inişi önemli ölçüde kısıtlar.

Kanat uçlarının etkisi Kanat uçlarında ortaua çıkan bu etkiler, uç plakaları veya kanatçıklar kullanılarak düşürülebilir. Ancak bunun sonucunda sürtünme direnci artar. Akbabaların kanat ucu tüyleri bu amaca hizmet için tasarlanmıştır.

Lift Generated by Spinning Superposition of Uniform stream + Doublet + Vortex

Dönme ile oluşan kaldırma kuvveti CL dönme hızından çok etkilenir. Ancak dönmenin CD üzerindeki etkisi oldukça azdır. Beyzbol, golf, futbol ve tenis oyuncuları bunu iyi bilir ve kullanırlar. Dönme ile oluşan kaldırma etkisine Magnus Etkisi denir..

Hesaplamalı Akışkan Dinamiğinin Görsel Dünyası

Hesaplamalı Akışkan Dinamiğinin Görsel Dünyası

Hesaplamalı Akışkan Dinamiğinin Görsel Dünyası

Hesaplamalı Akışkan Dinamiğinin Görsel Dünyası

Hesaplamalı Akışkan Dinamiğinin Görsel Dünyası

Hesaplamalı Akışkan Dinamiğinin Görsel Dünyası