Doğadan esinlenerek (ör: Uçan böcekler veya kuşlar), normalin dışında bir uçuş kabiliyeti kazanmak için mikro hava araçları olarak adlandırılan küçük hava araçlarının tasarlanması günümüzde bilim adamlarının ilgi duyduğu konulardan birisidir.[1] Bu tarz araçları geliştirmedeki en önemli basamak kuşların ve böceklerin kanat çırpma aerodinamiklerini anlamaktır. Bu makalede, biz H.T. Oh ve H.C. Choi yönetiminde bir sinek kuşunun (Hummingbird) kanadını çırpma aerodinamiğini hem deneysel olarak hem de ADINA FSI programını kullanarak numerik sonuçlarını sizlere sunmaktayız.[2] Benzer bir çalışma böcek uçuşu isimli makalede yayınlandı.[3]
Resim 1 ve aşağıdaki video da bu çalışmada kullanılan deneysel araçlar gösterilmektedir. Bu çalışmada yaklaşık olarak sinek kuşunun kanadı boyutlarında acryl’den üretilmiş bir model kanat kullanıldı. Model kanat sinek kuşunun uçuşu boyunca kanadının öteleme ve dönme hareketine benzer şekilde hareket verildi. Kuvvet sensörleri kullanılarak kanat üzerindeki kaldırma ve sürükleme kuvvetleri ölçüldü. Havada aerodinamik kuvvetleri ölçmedeki zorluktan dolayı da deney su içerisinde gerçekleştirildi.
Resim 1 - Deney
Hareket boyunca kanat etrafında oluşan akış yapısını anlamak için 2 boyutlu bir kanat ve onu çevreleyecek şekilde akışkan ADINA FSI programı kullanılarak analiz yapıldı. Akışın sıkıştırılamaz olduğu farz edildi. Akışkandaki kanadın geniş hareketlerini uygun hale getirebilmek için ADINA FSI’ın uyarlanabilir mesh yeteneği kullanıldı. (benzer bir örneği FSI’da uyarlanabilir mesh başlıklı yazımıza bakınız)
Çırpınma hareketi boyunca akıştaki hız ve basınç dağılımının grafikleri yukarıdaki animasyonlarda gösterilmektedir. Resim 2 ise taşıma ve sürükleme kuvvetlerinin deneysel ölçümleri ve numerik sonuçları arasındaki kıyaslamayı göstermektedir. Numerik sonuçlar deneysel ölçümlerle çok yakınlık göstermektedir. Deney 3 boyutlu kavisli bir kanatla yapılırken simülasyonda 2 boyutlu bir model kullanılması özellikle dikkate alınması gerekmektedir.
Resim 2 - 2 Boyutlu FSI ile 3 Boyutlu Deneysel sonuçlar arasında taşıma ve sürükleme katsayıların kıyaslanması
Resim 3 çırpınma hareketinin farklı basamaklarında ki kanat etrafındaki akışı göstermektedir. Dönme ve öteleme hareketlerine göre kanat etrafındaki vortekslerin yapısındaki değişimlere dikkat ediniz.
Resim 3 – Kanat etrafındaki akış
Çırpınma hareketi boyunca hız alanının ayrıntıları ve hesaplanan gridin gelişimi aşağıdaki videolarda gösterilmiştir.
|
mesh |
hız |
ADINA FSI’ın bu şekilde kullanımını öğrenmek için ADINA Problem 49’a bakınız. Problem 49 FSI’da uyarlanabilir meshin kullanımını anlatan bir örnek çalışmadır.
Bu örnek akışkan ile yapı tamamen birbiriyle bağlantılı olduğu problemlerin çözümünde ADINA’nın sahip olduğu güçlü yeteneklerden birisini göstermektedir.
Kaynaklar
- Mikro Hava Araçları hakkında Wikipedia makalesi. Bu şekilde hareket yapan bir araç görmek için Youtube videosuna bakınız.
- Özel konuşma
- T.Q. Le, D. Byun, Y.H. Yoo, J.H. Ko and H.C. Park, “Experimental and Numerical Investigation of Beetle Flight”, Proc. 2008 IEEE Int. Conf. on Robotics and Biomimetics, 21-26 Feb. 2009, pp. 234-239
Anahtar Kelimeler:
Çırpan kanat, mikro hava aracı, MAV, akışkan-yapı etkileşimi, FSI, aerodinamik, biyomimetik, robot, uyarlanabilir eleman ağı
