Eğitim amaçlı bir rüzgar tünelinin tasarımı, üretimi, ölçüm düzeneği ile donatılması ve deneme ölçümleri

Abstract

Bu tez kapsamında, tezin yazarı tarafından bir öğrenci ekibinin yardımı ile 2019 senesinde en fazla 11.3 m/s hızında hava akışı üretebilen (Reynolds sayısı ile karşılığı 267,000 kadardır), 350x350 mm kesitine ve 650 mm uzunluğuna sahip bir akış hacim alanına sahip eğitim amaçlı bir rüzgar tüneli Atılım Üniversitesi Otomotiv Mühendisliği laboratuvarında inşa edilmiştir. Ayrıca, rüzgar tünelini sürükleme ve kaldırma kuvveti ölçebilen bir düzenek ile donatmak amacı ile üç tane kuvvet terazisi tasarlanmış, üretilmiş ve deneme çalışmaları yapılmıştır. Birinci kuvvet terazisi sadece 90 derece hücum açısında sürükleme ve kaldırma kuvveti ölçme yeteneğine sahipti. Birinci kuvvet terazisi kullanılarak, sürükleme katsayı bilgisi yazında bulunabilen bir yuvarlak disk ve dikdörtgen bir plakanın rüzgar tüneli ölçümleri yapılmış ve sonuç olarak iki farklı rüzgar tüneli hız verisi elde edilmiştir. Bu iki veri en fazla yüzde 2 bağıl hata ile eşleşmiştir. Rüzgar tünel için hız verisi elde ettikten ve sürükleme yük hücresinin güvenilirliğini kanıtladıktan sonra, hücum açısı ayarlama yeteneğine sahip ikinci bir kuvvet terazisi tasarlanmış, üretilmiş ve denemeleri yapılmıştır. Halbuki, kaldırma yük hücresinin güvenirliği yüksek seviyede ölçüm kirliliği (noise) ve ikinci kuvvet terazisinin bazı bileşenlerinin ölçümleri yapılan nesnelerin akış seyirlerini bozmuş olabileceği şüphesi nedenleri ile kanıtlanamamıştır. Bu sebeple, M5 çapında bir bağlantı uzvu dışında bütün bileşenleri rüzgar tüneli akış hacmi dışında bulunan üçüncü bir kuvvet terazisi tasarlanmış, üretilmiş ve denemeleri yapılmıştır, ki bu terazi hala kullanımdadır. Üçüncü kuvvet terazisi ile yapılan çalışmalar sırasında da ikinci kuvvet terazisi ile yapılan çalışmalar esnasında akış ölçümleri yapılan nesneler kullanılmıştır. Bunlar NACA 2418 (Kiriş= 80 mm ve Kanat Açıklığı=80 mm) 2-Boyutlu Akışı, 81$\times$81$\times$2 mm Dikdörtgen Plaka 2-Boyutlu Akışı ve 81x81x2 mm Dikdörtgen Plaka 3-Boyutlu Akışı. Bu yapılan rüzgar tüneli ölçümleri bilgisayar Hesaplamalı Akışkanlar Mekaniği (HAD) çözümlemeleri (ANSYS ve COMSOL yazılımları ile), 2-Boyutlu İnce Kanat Kuramı ve benzer bir yayın ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma işlemi bazı umut verici sonuçlar ortaya çıkarmıştır. Şöyle ki, düşük seviyede gerçekleşen ya da gerçekleşmeyen ölçüm kirliliği durumunda rüzgar tüneli ölçümleri karşılaştırılan verilere yeterince yakın seyretmiştir. Özellikle 2-Boyutlu İnce Kanat Kuramı'da dair ilgi çekici sonuçlar elde edilmiştir. Tüm bu çalışmalar göstermektedir ki, rüzgar tüneli düzeneği güvenilir ve sağlıklı bir akış oluşturabilmektedir ve ölçüm kirliliğinin olmadığı koşullarda yük hücreleri ile donatılmış bir kuvvet terazisi bu düzenek ile uyumlu çalışabilmektedir. Ölçüm kirliliği sorunun en bilindik çözümü bir Faraday Kafesi üretmektir ve gündemdeki bir kuvvet terazisine eklenebilir. Dahası, döndürme etkisini ölçmek için üretilecek bir terazi eğitim amaçlı bu rüzgar tüneli kullanılarak bilimsel bilgi üretimine katkı sağlayabilir.

An educational wind tunnel with a test section of 350x350 mm dimensions and 650 mm length, in which the maximum air velocity reaches up to 11.3 m/s with Reynold's number of 267,000, was designed and built in 2019 by the author of this thesis with the help of a team of students in the Automotive Engineering Laboratory in Atılım University. In the scope of instrumentation studies, three force balance systems for drag/lift force measurements were designed, produced and tested. First balance system was capable of measuring drag and lift force at only 90 degree angle of attack. Using it, a circular disc and rectangular plate the drag coefficient values of which are available on textbooks were tested and two velocity data were obtained. These two velocity data matched with a relative to each other percentage error with a maximum value of 2 in percent. Having obtained a velocity data and verified the reliability of drag load cell with first balance system, a second force balance system with angle adjusting capability was manufactured but lift load cell's reliability could not verified due to high noise occurred during wind tunnel measurements and to the suspect that some components of second force balance may have interfered to the aerodynamics of test specimens. So, a third force system all components of which are outside the wind tunnel test section and that is still in use, was designed, manufactured and tested using the same test specimens that had been used during testing second force balance. They are/were NACA 2418 (Chord=80 mm and Span=80 mm) in 2D air flow, 81x81x2 mm Square Plate in 2D flow, and 81x81x2 mm Square Plate in 3D flow. All these wind tunnel measurements were compared using CFD analyses results (with ANSYS and COMSOL), 2D Thin Airfoil Theory, and a similar study presented with a paper. The outcomes were promising because in the case of no or low noise, wind tunnel measurements were close enough to the compared studies. Especially, some important results were obtained about 2D Thin Airfoil Theory. All these studies show that wind tunnel setup can create a reliable flow in wind tunnel test section and in the case of no or low noise, a force balance system with strain gauge load cells can work well. The common solution to noise problem that is a Faraday Cage should be integrated to the upcoming force balance system(s). Furthermore, a moment balance system to be integrated to wind tunnel test setup can be a useful tool for producing scientific knowledge using this educational wind tunnel.