Rüzgâr enerjisi sistemleri için biyomimetik kanat tasarımı, performans analizi ve optimizasyonu

Abstract

Biyomimikrinin sunduğu yöntemlerle, doğadan esinlenilerek oluşturulan biyomimetik kanatlar, aerodinamik ve rüzgâr enerjisi alanında yenilikçi çözümleri sunma potansiyeli barındırmaktadır. Bu çalışmada; doğada gösterdiği aerodinamik performansla dikkat çeken akçaağaç tohumundan esinlenilerek oluşturulan özgün biyomimetik kanat modelleri incelenmiştir. Deneysel ve nümerik olarak belirli rüzgâr hızlarında ve geniş bir hücum açısı aralığında analizleri yapılan modellerin, kaldırma kuvveti katsayıları (𝐶L) ve sürükleme kuvveti katsayıları (𝐶𝐷) belirlenmiştir. İlk model M0, ortalama akçaağaç tohumunun belirli bölgelerinden kesilmesiyle elde edilen 36 eğriyle tasarım programında modellenmiştir. Bu biyomimetik kanadın her bir eğrisi, Fourier serisi denklemleriyle en az %99,5’lik bir oranla temsil edilmiş ve denklemlerin katsayıları bulunmuştur. Böylece kanadın tasarım parametreleri, geleneksel bir kanat profili gibi sunulmuştur. M0 modelinin, akçaağaç tohumu ile daha önce yapılan çalışmalarda da bahsedilen geç stol özelliği ve kaldırma kuvvetine katkı sağladığı düşünülen, LEV (Leading Edge Vortex) yapısı dikkat çekmiştir. M0 üzerinde, LEV’i oluşturan model yapısı incelenip, yapıyı oluşturduğu düşünülen topografik özellik, M0 modelinin kanat yüzeyinin tamamına uygulanmıştır. Böylece, aerodinamik performans kriterini (𝐶𝐿⁄𝐶𝐷) artırmak amacıyla yapılan iki aşamalı kanat performansı geliştirme çalışmasının ilki olan topografya optimizasyonu gerçekleştirilmiş ve çalışma sonucunda “M5” modeli elde edilmiştir. M5 modeli, M0 modeline göre, değişen hücum açılarında, %15 ile %52 arasında daha üstün bir performans sergileyebilmiştir. İkinci kanat performansı geliştirme çalışması olarak da, M5 modelinin tohum kısımlarındaki eğrilerinin yüksekliklerinin düşürülüp, yerel veter uzunluklarının, belirli bir seviyeye kadar artırılacağı şekil optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Eğrilerin boyutlarının optimize şekilde ölçeklendirilmesi adına, istatiski bir metot olan Taguchi metodunun kullanıldığı bu şekil optimizasyonu sonucu elde edilen M5C modeli, M0 modeline göre, değişen hücum açılarında, %99 ile %320 arasında performans artışı göstermiştir. Ayrıca, oluşturulan bu biyomimetik modellerin rüzgâr enerjisi kullanan sistemler için potansiyeli de tartışılmıştır.

Biomimetic wings, inspired by nature with the methods offered by biomimicry science, have the potential to offer innovative solutions in the field of aerodynamics and wind energy. In this study, unique biomimetic wing models inspired by the maple seed, which attracts attention with its superior aerodynamic performance at low wind speeds in nature, were examined. The lift force coefficients (𝐶𝐿) and drag force coefficients (𝐶𝐷) of the models, which were analyzed experimentally and numerically at certain wind velocities and a wide angle of attack were determined. The first model, M0, was modeled in the design program with 36 curves obtained by cutting a selected average maple seed from certain parts. Each curve of this modeled biomimetic wing was represented by the Fourier series equations with a ratio of at least 99,5% and the coefficients of the equations were found. Thus, the design parameters of the wing are presented like a conventional airfoil. The stall delay feature of the M0 model, whose aerodynamic performance was measured, and the LEV (Leading Edge Vortex), which is thought to contribute to the lift force, attracted attention. The model structure forming the LEV on M0 was examined and the topographic feature, which is thought to form this structure, was applied to the entire wing surface of the M0 model. Thus, topography optimization, which is the first of the two-stage wing performance development work carried out to increase the aerodynamic performance criterion (𝐶𝐿⁄𝐶𝐷), was carried out and the M5 model was obtained as a result of this study. The M5 model was able to outperform the M0 model by 15% to 52% at varying angles of attack. As the second wing performance development study, shape optimization was carried out by reducing the height of the curves in the seed parts of the M5 model and increasing the local chord lengths up to a certain level. The M5C model, which was obtained as a result of this shape optimization, in which the Taguchi method, a statistical method for optimizing the scaling of the dimensions of the curves, was used, showed an aerodynamic performance increase between 99% and 320%, at varying angles of attack, compared to the M0 model. In addition, the potential of these biomimetic models created in the study for systems using wind energy is also discussed.