Search

Elektrik üretimi için en temiz ve verimli yenilenebilir enerji kaynaklarından birisi olan rüzgar enerjisini dönüştüren rüzgar türbinleri, türbin kanatlarının dönüşü ile rüzgarın kinetik enerjisini elektrik enerjisine dönüştürürler. Bu tez çalışmasında, düşük Re sayılarında rüzgar türbin profili olan NACA 4412 kanat profilinin arka kısmına yerleştirilen flap ve kanadın zemine yakınlığını temsil eden yer etkisinin türbin aerodinamik performansına etkisi incelenmiştir. Sayısal çalışmalar ANSYS/Fluent yazılımı ile iki farklı (LES, k kL w) türbülans modelinde çözümler ile birlikte duman teli ile akış görselleştirme, aerodinamik kuvvet ölçümü ve sabit sıcaklık anemometresi ile hız ölçümü deneyleri yapılmıştır. NACA 4412 kanat profilinin basınç yüzeyinin düz olması yer etkisinden daha iyi faydalanılmasını sağlamıştır. Flaplı ve flapsız kanatların taşıma ve sürükleme kuvveti katsayılarının farklı açılarda yerden yüksekliğin (h/c) artışı ile düştüğü elde edilmiştir. Kanat üzerinde en iyi performans yere en yakın konum olan h/c=0.1'de elde edilmiş olup yer etkisinden daha iyi fayda sağlanabilmesi için flap eklenmesi gerekmektedir. Ayrıca deneysel ve sayısal sonuçlar benzerlik göstermiştir. Kanat üzerinde yer etkisi oluşturmak için tasarlanan alt plakanın rüzgar türbinlerinde uygunabileceği görülmüş ve bu konuda patent başvurusu yapılmıştır. One of the cleanest and efficient renewable energy is wind energy, consisting of converting wind kinetic energy to electrical energy by wind turbine blades rotation. In this study the aerodynamic performance of flapped blade with NACA4412 airfoil is investigated at low Re number experimentally and numerically in extreme ground effect. Experimental method consists of flow visualization with smoke-wire, aerodynamic forces measurement and velocity measurements by Constant Temperature Anemometry when numerical study was completed using ANSYS/Fluent flow simulation software using two different turbulence models (LES and k-kL-ω). NACA4412 with its flat pressure surface is favorable in use with ground effect. It has been found that lift coefficients of both wing with and without trailing-edge flap at different angles of attack decreased by the increase of clearance h/c. The best wing performance was obtained at h/c=0.1 which is the minimum clearance and smallest distance beween the wing trailing- edge and the static ground. It has been found that mounting flap on wing helps to benefit well from ground effect. Pressure on the lower wing surface of a flapped wing in extreme ground increased sufficiently to maximise the lift force acting on the wing. Experimental results were found close to numerical results, large wing angles of attack are not so appropriate in use with ground effect oppositely to small onces, the same case is for the flap angles. The suggested disigns of wind turbine blades in the end of this thesis could be suitable in the design of verticle and horizontal wind turbines since the used plate is placed at clearance close to 0.1 chord lengh. 85

Rüzgar türbinleri ve insansız hava araçlarındaki gelişmeler neticesinde düşük Reynolds sayılı akışlara ilgi artmıştır. Bu tez çalışmasında, düşük Reynolds sayılı akışlarda farklı açıklık oranlarına sahip NACA4412 kanat profili üzerinde 0°-24° hücum açısı aralığında açıklık oranının etkisini görmek için deneysel ve sayısal çalışmalar yapılmıştır. Deneysel çalışmalarda, duman ve yağ deneyleri ile akış görselleştirme ve sıcak tel anemometresi ile iki eksenli hız, türbülans yoğunluğu ve aerodinamik kuvvet ölçümleri yapılmıştır. Akış görselleştirme deneyleri ile kanat üzerinde laminer ayrılma kabarcığı oluşumu ve gelişimi ile kanat uçlarında uç girdabı oluşumu gözlemlenmiştir. Bu gözlemler sonucunda, düşük Reynolds sayılı akışlarda bütün kanatlarda laminer ayrılma kabarcığı oluştuğu ve bu kabarcıkların düşük Reynolds sayılarında daha etkin olduğu ve firar kenarına yakın oluşan bu kısa kabarcıkların hücum açısının artışı ile uzun kabarcıklara dönüştüğü ve sonrasında patlayarak kanadın aniden tutunma kaybına uğramasına sebep olduğu görülmüştür. Ayrıca düşük açıklık oranlarında uç girdaplarının kanat gerisinden itibaren oluşup, hücum açısının artışı ile hücum kenarına ve kanat yüzeyinde ortaya doğru yaklaştığı ve ayrılma kabarcığını etkileyerek küçülttüğü görülmüştür. Sayısal çalışmalarda ise, son yıllarda geliştirilmiş olan k-kL-w ve k-w SST Transion türbülans'a geçiş modellerinin 3 boyutlu akış yapılarındaki performansı ele alınmış ve daha sonra bu modellerin zamana bağlı çözümleri, LES (Large Eddy Simulation) model sonuçları ile kıyaslanmıştır. Türbülansa geçiş modellerinden k-kL-w'nın deneylere daha yakın sonuçlar verdiği özellikle kanat yüzeyi kayma gerilmesi ile yağ deneyi sonuçlarının kıyaslamasında açıkça görülmüştür. Ayrıca LES modeli ile hem yoğun ağ yapısı hem de zaman alıcı çözümler gerekirken k-kL-w türbülansa geçiş modeli ile daha hızlı ve gerçeğe yakın sonuçlar alınmıştır. Attention on low Reynolds number flow increases because of advances on micro air vehicles and wind turbines. In the present thesis, experimental and numerical studies were performed in order to investigate effects of the aspect ratio on NACA4412 wing having different aspect ratios at angle of attack in the range of 0°-24°. In the experimental studies, surface oil and smoke visualizations were performed moreover by means of hot-wire experiments, two dimensional velocities and force measurements were performed. By means of visualization experiments, formations and developments of laminar separation bubble on surface of the wing and wingtip vortices were observed. These observations revealed that laminar separation bubble formed on all wings and laminar separation bubble was more effective at lower Reynolds numbers. By increasing angle of attack, small laminar separation bubbles formed close the leading edge transformed to the long bubbles finally it burst and this bursting leaded stall. Furthermore, at low aspect ratios, with increasing angle of attack wingtip vortices which formed behind the wing formed closer the leading edge of the also it enlarged on spanwise direction. It was observed that wingtip vortices and laminar separation bubble interacted and this interaction leaded laminar separation bubble to get smaller. In the numerical studies, performance of k-kL-w ve k-w SST transition models which has developed in recent years on 3D flow structures. Results of the transiton models were compared with unsteady results of the Large Eddy Simulation (LES). The k-kL-w transition model gave better results when wing surface shears were compared with surface oil visualization experiments. 115