Experimental investigation of morphing wing aerodynamics by force measurements and particle image velocimetry

Abstract

Günümüzde üretim teknolojileri, havacılık malzemeleri, algılayıcılar, eyleyiciler ve diğer mekanizmalardaki yeni gelişmeler şekil değiştirebilen kanatlara olan ilgiyi arttırmıştır. Konvansiyonel kanat yapıları sadece tek bir uçuş durumu için tasarlanmışken, şekil değiştirebilen kanatlar farklı görev, görev bölümleri ve farklı uçuş koşullarına uyum sağlayabilmektedir.Bu tezin odak noktasını daha önce yapılan sayısal bir çalışmadan elde edilmiş şekil değiştirebilen bir kanadın, kanat profili ve planformlarının, deneysel olarak analiz edilmesi oluşturmaktadır. Bir tanesi temel kanat olmak üzere, dört yarım kanat modeli üretilmiş, bu kanatlar ile yük hücresi deneyleri gerçekleştirilmiş, yedi farklı hız ve yirmi farklı hücum açısı değerlerinde taşıma ve sürükleme kuvvetleri ölçülmüştür. Akışın fiziksel davranışı yağ akış görüntüleme tekniği ile modellerden biri için analiz edilmiş ve yük hücresi deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Yük hücresi deneyleri sonuçlarına göre, düz uçuş koşullarında sabit bir taşıma kuvveti için sürükleme kuvveti ve hücum açısı eğrileri incelenmiştir. Daha sonra, bu hız ve hücum açılarında parçacık görüntüleme tekniği deneyleri gerçekleştirilmiştir. Lazer düzlemi, kanat uç girdaplarının incelenmesi amacıyla kanatların aşağı akım bölgesinde serbest akış hızına dik olarak yerleştirilmiştir. Dört yarım kanat modelinin kanat uç girdapları, kanat aşağı akım bölgesinde, kanat ucundan iki farklı uzaklıkta ölçülmüştür. Hız vektörleri, hız büyüklüğü, vortisite, türbülans kinetik enerji, Reynolds gerilme bileşeni ve girdap çekirdeği yarıçapları analiz edilmiştir.Bu çalışmanın amacı, daha önce gerçekleştirilmiş sayısal çalışma sonuçlarının, şekil değiştirebilen kanatlarda yük hücresi ve parçacık görüntüleme tekniği ölçümleri ile doğrulanmasıdır. Bu yöntemle, düz uçuş koşullarında temel bir kanattan eniyileştirme yapılarak tasarlanmış şekil değiştirebilen üç kanat şeklinin optimize edildikleri hızlara uygun tasarlandıkları gösterilmiştir.

Recently, new developments in on manufacturing technologies, aircraft materials, sensors, actuators, and other mechanisms raised the interest in morphing wings. Instead of conventional wings, which are optimized only for one flight condition, morphing wings can adapt themselves for different missions, mission segments and associated flight conditions.The focus of this thesis is the experimental analysis of a morphing wing, the planform and airfoil shapes that were made available from a separate numerical study. Four half wing models, one of which is the base model, are manufactured separately and load cell measurements are performed in order to obtain the lift and drag values of these wings for seven velocity and twenty angle of attack values. The physical behavior of the flow is analyzed by performing oil flow visualization technique for one of the models and compared with the load cell experiments. According to the load cell measurements in level flight, for a fixed value of lift, the angle of attack and the drag trends of the wings are analyzed. Then, at these velocities and angle of attack values, particle image velocimetry (PIV) experiments are performed. Laser plane is placed perpendicular to the free stream velocity at the downstream of the wing in order to analyze the wing tip vortices. The wing tip vortices of the four half wing models are recorded at two different downstream locations from the wing tip. Vector maps, velocity magnitude, vorticity, turbulence kinetic energy, Reynolds stress component and vortex core radii are analyzed.The aim of this study is to validate the numerical results in a separate study with load cell and PIV measurements of a morphing wing. By this approach it is shown that, for level flight, the three morphing wing shapes are optimized from the base wing properly for the particular velocities they are designed for.