Improvement of The Flow Field Using Computational Fluid Dynamics For Various Naca Airfoils At High Angles of Attack

Yıl 2025, Cilt: 1 Sayı: 2, 110 - 123, 25.12.2025

Ömer Gündoğan , Mehmet Akif Emre , Muhammed Emin Ozen , Ünsal Eren Erdoğan , Murat Erbaş , Muhittin Bilgili , Abuzer Ozsunar

Öz

This study aims to contribute to the design process of aircraft operating under low-speed flight conditions and requiring high maneuverability. It examines three different passive control methods to reduce turbulence formation and prevent flow separation on the NACA 0008, 0012, 2412, and 2415 airfoils: wire addition, slot implementation, and flap attachment. Numerical analyses were conducted using ANSYS Fluent. In the simulations, a C-type mesh structure was generated, and boundary layer resolution was ensured with y+ < 1. The analyses were performed at high angles of attack (12°–16° for NACA 0008, 14°–17° for NACA 0012, 16°–19° for NACA 2412, and 16°–20° for NACA 2415) and at a Reynolds number of 1×10⁶, using the k-ω SST turbulence model. The fluid was assumed to be incompressible, and the solutions were carried out in a steady-state manner. The results showed that among the wire addition, slot implementation, and flap attachment methods applied to the airfoils, the slot method emerged as the most effective turbulence control technique. It delayed flow separation, increased lift, and improved the CL/CD ratio even at high angles of attack, extending the usable angle of attack by 1–2 degrees. On the other hand, wire addition was found to be inefficient, reducing the CL/CD ratio by 72–77% across all airfoils. Flaps provided partial benefits at limited angles by increasing the lift coefficient, but they also raised the drag coefficient, thereby limiting overall performance.

Anahtar Kelimeler

Airfoil , CFD , Flap , Slot

Yüksek Hücum Açılarında Çeşitli Naca Kanat Profillerinin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği İle Akış İyileştirilmesi

Öz

Bu çalışma düşük hızlı uçuş koşullarında ve yüksek manevra kabiliyeti gerektiren hava araçları için tasarım sürecine katkı sağlamayı hedeflemektedir. NACA 0008, 0012, 2412 ve 2415 kanat profilleri üzerinde yapılan sayısal analizlerle türbülans oluşumunu azaltma ve akış ayrılmasını engellemeye yönelik üç farklı pasif kontrol yöntemini ele almıştır: tel ekleme (wire), yarık açma (slot) ve kanatçık (flap) ekleme. Sayısal çözümlemeler, ANSYS Fluent kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Simülasyonlarda C-tipi ağ yapısı oluşturulmuş ve y+ < 1 olacak şekilde sınır tabakası çözünürlüğü sağlanmıştır. Analizler, yüksek hücum açıları altında (NACA 0008 profili için 12°–16°, NACA 0012 için 14°–17°, NACA 2412 için 16°–19°, NACA 2415 için 16°–20° aralığında), 1×10⁶ Reynolds sayısında ve k-ω SST türbülans modeli tercih edilerek yapılmıştır. Akışkan sıkıştırılamaz kabul edilmiş ve çözümler zamandan bağımsız (kararlı rejim) olarak gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonucunda, kanat profilleri üzerinde uygulanan tel ekleme (wire), yarık açma (slot) ve kanatçık (flap) yöntemleri arasında, akış ayrılmasını geciktirerek kaldırma kuvvetini artıran ve yüksek hücum açılarında dahi CL/CD oranını iyileştirerek kanat profillerinin kullanılabilir hücum açısını 1–2° artıran yarık uygulaması en verimli türbülans kontrol yöntemi olarak öne çıkarken; tel ekleme yöntemi, tüm kanat profillerinde CL/CD oranını %72-77 oranında düşürmesi nedeniyle verimsiz, kanatçıklar ise kaldırma katsayısını artırarak CL/CD oranında sınırlı açılarda kısmi fayda sağlamış ancak sürükleme katsayısını artırarak genel performansı sınırlamıştır.

Anahtar Kelimeler

Kanat Profili , HAD , Kanatçık , Yarık

Kaynakça

• Gölcük, A.İ., Erbaş, M. (2020). Düşük Reynolds sayılarında NACA 0012 kanat profilinin k-ω SST türbülans modeli kullanılarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile modellenmesi, 8.Ulusal Havacılık ve Uzay Konferansı, 9-11 Eylül 2020, THK Üniversitesi, Ankara.
• Srivastava, S., Aditya, R. (2016). Aerodynamic performance analysis of NACA 2412 with different high-lift devices. International Journal of Engineering Research, 5(4).
• Huang, L., Liu, Y., Liu, Q. (2004). Numerical study of blowing and suction control mechanism on NACA 0012 airfoil. Journal of Aircraft, 41(5).
• Yousefi, K., Tofighian, H., Karimian, S. M. (2014). Numerical study of blowing and suction slot geometry optimization on NACA 0012 airfoil. Journal of Aircraft, 51(5).
• Belamadi, R., Boudries, R., Mokhtari, M. (2016). Aerodynamic performance analysis of slotted airfoils for application to wind turbine blades. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 151, 79-99.
• Yousefi, K. (2014). Aerodynamic analysis of multi-slotted airfoils for wind turbine applications, Doktora Tezi, Tahran Üniversitesi.
• Weick, F. E. (1933). Aircraft slot investigations (NACA Technical Report No. 421). National Advisory Committee for Aeronautics.
• Lim, T. T. (2002). An experimental study of a slotted airfoil. Experiments in Fluids, 33(6).
• Narsipur, S., Sharma, M., Kumar, R. (2012). CFD analysis of multi-slotted airfoils for wind turbines. 49th AIAA Aerospace Sciences Meeting.
• Gaunaa, M., Enevoldsen, K., Hansen, M. O. L., Jensen, M. L. (2012). Application of a three-slot airfoil system to wind turbine blades. Wind Energy, 15(2).
• Al-Jibory, H. H. K., Shinan, M. N. M. (2020). Numerical investigation of triangular bump effects on boundary layer separation control and aerodynamic performance of NACA 0012 airfoil. Journal of Applied Fluid Mechanics, 13(6).
• Prabhakar, S., Ohri, J. (2013). CFD analysis of NACA 2412 airfoil with high-lift devices for MAV applications. International Journal of Engineering Research & Technology, 2(12).
• Matsson, J. E., Ljung, E. S., Gjerde, K. B. (2016). Experimental and CFD analysis of 3D printed NACA 2412 airfoil at low Reynolds number. International Journal of Engineering Education, 32(2).
• Mohamed, M. H., Al-Hussaini, T. C., Gomaa, M. (2020). Aerodynamic performance enhancement of vertical axis wind turbines using slotted airfoils. Energy Conversion and Management, 214.
• Meghani, S. (2019). Aerodynamic analysis of morphing configurations for NACA 2412 airfoil using XFLR5 and CFD. Aerospace Science and Technology, 95.
• Coder, J. G., Somers, D. M. (2020). Design and experimental results for the S207 slotted natural-laminar-flow airfoil. Journal of Aircraft, 57(1).
• Xie, Y., Sun, W., Wang, Y. (2013). Numerical investigation of split blades for flow separation control on S809 airfoil. Renewable Energy, 59.
• Son, C. C., Lee, S. H., Kim, H. G. (2011). Drag reduction by surface trip wires at subcritical Reynolds numbers. AIAA Journal, 49(11).
• Whitman, A. M., Gentry, G. L., Gentry, K. L. (2006). Aerodynamic effects of slot configurations on a generic airfoil. Journal of Aircraft, 43(3).
• Yılmaz, A. E., Güneş, F., Özsunar, A. (2018). Kanat profili tasarım parametreleri. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 33(3).
• Menter, F. R. (1994). Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications. AIAA Journal, 32(8), 1598–1605.