Download
1 / 39
430 likes | 739 Views
BÖLÜM 11 DIŞ AKIŞLAR Kaldırma ve Direnç. Doç.Dr. Tahsin ENGİN Sakarya Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü Bahar 2008. Amaçlar. Direnç, sürtünme, basınç direnci, direnç düşmesi ve kaldırma gibi fiziksel olguları tanıtımı
E N D
BÖLÜM 11DIŞ AKIŞLARKaldırma ve Direnç Doç.Dr. Tahsin ENGİN Sakarya Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü Bahar 2008
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
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 KaynaklıKuvvet ve Momentler Dalgalı denizde hareket eden gemiler 6 serbestlik dereceli en zor problemlerden biridir. Uçuş irtifasında seyreden uçak: DirençK.= 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 • FLveFDkuvvetleri, geometrinin yanı sıraveVye de bağlıdır. • Boyut analizi ile iki Pİ terimi elde edilir: Kaldırma ve Direnç Katsayıları. • BuradaA, 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 = 2.3m2, 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 CDnin ve ön bakış alanının yüksek olmasıdır. • Güç tüketimi P = FDV =1/2V3(CDA) hızın küpü V3 ile orantılıdır.
Direnç ve Kaldırma • İncelen kanatlar içinCLveCDkanat boyunca değişebilir. Bu uygulamalarda yerel katsayılar (CL,xveCD,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) • 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.
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 CDDeğerleri • Bir çok geometride Re > 104 olması halinde CDsabittir. • 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 • 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
Kaldırma (kuvveti) • Kaldırma, (basınç ve viskoz etkilerden kaynaklanan) net kuvvetin akış yönüne dik bileşenidir. • Kaldırma katsayısı • A=bcüst-bakış alanıdır.
Hücum açısının etkisi • İnce-kanat kuramına göreCL≈2 for < stol • Dolayısıyla kaldırma kuvveti ile doğrusal olarak artar • Çoğu uygulamada CL/CDoranı maksimum yapılmaya çalışılır. • CDkatsayısı rüzgar tüneli deneylerinden ya da CFD ile belirlenir (STDveya NSD ile). • CL/CDoranı stola ulaşıncaya kadar 100 civarına çıkabilir.
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 • CLdönme hızından çok etkilenir. • Ancak dönmeninCDüzerindeki etkisi oldukça azdır. • Beyzbol, golf, futbol ve tenis oyuncuları bunu iyi bilir ve kullanırlar. • Dönme ile oluşan kaldırma etkisineMagnus Etkisi denir..
