bÖlÜm 11 diŞ akiŞlar kaldırma ve direnç

BÖLÜM 11 DIŞ AKIŞLAR

Kaldırma ve Direnç

Chapter 11: Flow over bodies; lift and dragME33 : Fluid Flow 2

Amaçlar

Direnç, sürtünme, basınç direnci, direnç düşmesi ve kaldırma gibi fiziksel olguları tanıtımıYaygın karşılaşılan bazı geometrilerin üzerinden akışla ilgili direnç kuvvetini hesaplanmasıAkış rejiminin, silindir ve küre üzerinden akışlardaki direnç katsayılarına etkisinin anlaşılmasıKanatlar üzerinden akışın anlaşılması ve kanatlara etkiyen kaldırma ve direnç kuvvetlerinin hesaplanması


Motivasyon


Dış Akış

Hareket halindeki cisimler ve araçlar üzerinden geçen akış, bunların üzerine kuvvet ve moment uygularÖrnekler: 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.



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=1/2V2(CDA) Scion XB için ~ 10 kat daha yüksektir

• Bunun kaynağı CD nin ve ön bakış alanının yüksek olmasıdır.

• Güç tüketimi P = FDV =1/2V3(CDA) hızın küpü V3 ile orantılıdır.



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.


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

Laminer:

Türbülanslı:

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

bÖlÜm 11 diŞ akiŞlar kaldırma ve direnç

Documents