Aerodynamic Effects of Wing Geometry on Fixed Wing UAV

Yıl 2024, Cilt: 10 Sayı: 2, 363 - 376, 31.12.2024

Melih Altay , Erol Türkeş

https://doi.org/10.34186/klujes.1571009

Öz

In order to reduce the amount of fuel consumed in all aircraft and to increase the useful load, changes are made to the geometry of the fuselage and wings. In the article, it is aimed to increase the CL/CD ratio in fixed wing UAV’s and their wings. Preliminary designs and aerodynamic analyzes of three diffirent wing models (NACA-0012, NACA-4415 and SD-7037) and a new wing, the ALTAY wing, were analyzed in the aerodynamic analyzes were carried out in the ANSYS Fluent student program. The analysis of the wings in XFLR5 and ANSYS Fluent programs was carried out under three different Reynolds numbers (50.000; 150.000 and 250.000) and five different angles of attack (-5°; 0°; 5°; 10° ve 15°). ALTAY and SD-7037 wings were designed three dimensions in the SOLIDWORKS student program and produced on a 3D printer. Two UAV’s, one with straight wings and the other with a vertical trapezoidal channel, were designed in the SOLIDWORKS program, and they were designed in the ANSYS Fluent program and five different angles of attack (-5°; 0°; 5°; 10° ve 15°) where the flow speed was (15,5 m/s) aerodynamic analyzes were carried out under ambient conditions. As a result of the analysis, it was concluded that the ALTAY wing is more efficient than the SD-7037 wing, and the vertical trapezoidal wing UAV is more efficient than the straight wing.

Anahtar Kelimeler

Fixed wing UAV, Design, Aerodynamic analysis, Additive manufacturing

Etik Beyan

The studies and researches carried out in this article have been carried out originally and prepared within the framework of ethical rules.

Sabit Kanatlı İHA’da Kanat Geometrisinin Aerodinamikteki Etkileri

Öz

Hava araçlarının tümünde tüketilen yakıt miktarını azaltmak, faydalı yükü arttırmak için gövdenin ve kanatların geometrisinde değişiklikler yapılmaktadır. Bu makale çalışmasında da sabit kanatlı İHA’lar ve kanatlarında CL/CD oranını arttırmak hedeflenmiştir. Üç farklı kanat modeli (NACA-0012, NACA-4415 ve SD-7037) ve yeni bir kanat olan ALTAY kanadı ön tasarımları ve aerodinamik analizleri XFLR5 programında analiz edildi. Kanatların XFLR5 ve ANSYS Fluent programındaki analizleri üç farklı Reynolds sayısında (50 000; 150 000 ve 250 000) ve beş farklı hücum açısındaki (-5°; 0°; 5°; 10° ve 15°) ortam şartlarında gerçekleştirilmiştir. SOLİDWORKS öğrenci programında ALTAY ile SD-7037 kanatları üç boyutlu olarak tasarımları yapılıp 3D yazıcıda üretilmiştir. SOLİDWORKS programında biri düz kanatlı diğeri ise dik trapez kanalı iki adet İHA tasarlanıp, ANSYS Fluent programında Akış hızının (15,5 m/s) olduğu beş farklı hücum açısındaki (-5°; 0°; 5°; 10° ve 15°) ortam şartlarında aerodinamik analizleri gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçlarında ALTAY kanadının SD-7037 kanadına göre daha verimli olduğu, dik trapez kanatlı İHA’nın da düz kanada göre daha verimli olduğu sonucuna varılmıştır.

Anahtar Kelimeler

Sabit kanatlı İHA, Tasarım, Aerodinamik analizler, Katlamalı imalat

Etik Beyan

Bu makalede yapılan çalışmalar ve araştırmalar özgün olarak yapılmış ve etik kurallar çerçevesinde hazırlanmıştır.

Kaynakça

• Aboelezz, A., Hassanalian, M., Desoki, A., Elhadidi, B., & El-Bayoumi, G. (2019). Design, experimental investigation, and nonlinear flight dynamics with atmospheric disturbances of a fixed-wing micro air vehicle. Aerospace Science and Technology, 97, 105636. https://doi.org/10.1016/j.ast.2019.105636
• Akdemir A. (2021). Biyomimetik tabanlı uçak kanadı tasarımı (Yüksek lisans tezi). Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara.
• Altay, M. (2024), Sabit kanatlı İHA'nın tasarımında kanat geometrisinin etkileri ve aerodinamik analizleri (Yüksek Lisans Tezi), Kırklareli Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kırklareli.
• Aytaç F., Çelik Ü. & Gençoğlu M. (2023). Küçük İHA’lar İçin 3D Baskılı Şekil Değiştirebilir Kanat Tasarımı ve Testleri. Fırat Üniversitesi Müh. Bil. Dergisi, 35(2), 847-853, 2023.
• Bozkurt A. (2022). İnsansız hava araçlarının iş sağlığı ve güvenliği alanında kullanılmasının önemi ve muhtemel avantajları. Yüksek lisans tezi.
• Çengel, Y.A. ve Cimbala, J.M. (2006). Akışkanlar Mekaniği: Temeller ve Uygulamalar. McGraw-Hill Bilim/Mühendislik/Matematik.
• Dilmaç E. (2019). Naca-4415 rüzgâr türbini kanat profilinde firar kenarı etkisinin incelenmesi (Yüksek lisans tezi). Konya Teknik Üniversitesi, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Konya.
• Durmuş S. (2023). Aerodynamıc Performance Comparısıon of Aırfoils In Flying Wings UAV. International Journal of Innovative Engineering Applications vol. 7, issue 1 (2023). https://dergipark.org.tr./ijiea
• Gör, İ., Doğru, H. M., & Korkmaz Ü. (2019). Uçuş esnasında değiştirilebilir kanat profili kullanılarak NACA 4412’nin aerodinamik performansının arttırılması. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 34:2 (2019) 1109-1125. DOI: 10.17341/gazimmfd.460536.
• Görgülü, Y. F., Özgür, M. A., & Köse, R. (2021). NACA 0009 profilli bir kanadin düşük bir Reynolds sayısıda had analizi. Politeknik Dergisi, 24(3), 1237–1242. https://doi.org/10.2339/politeknik.877391
• Kahveci M. ve Can N. (2017). İnsansız Hava Araçları: Tarihçesi, Tanımı, Dünyada Ve Türkiye'deki Yasal Durumu”, Selçuklu Üniversitesi Mühendislik Bilim ve Teknoloji Dergisi, 5, 511-535.
• Kaynak B. (2022). Sabit kanatlı insansız hava aracında kanat geometri optimizasyonunun performansa etkisi. Yüksek lisans tezi.
• Prieto, M., Escarti-Guillem, M. S., & Hoyas, S. (2023). Aerodynamic optimization of a VTOL drone using winglets. Results in Engineering, 17, 100855. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2022.100855
• Ramanan, G., Krishnan, P. R., & Ranjan, H. (2021). An aerodynamic performance study and analysis of SD7037 fixed wing UAV airfoil. Materials Today Proceedings, 47, 2547–2552. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.05.051
• Uğur M. (2019). İnsansız hava araçlarında rüzgâr enerjisi yolu ile enerji verimliliğinin arttırılması. Yüksek lisans tezi.
• Ünler T., Dağ T., & Öztürk M. (2022). Sabit Kanatlı Bir İnsansız Hava Aracının Konsept Tasarımı. 3rd International Conference On Applied Engineering And Natural Sciences, ICAES 2022, Konya, Türkiye.
• Villi O. ve Yakar M. (2017). İnsansız Hava Araçlarının Kullanım Alanları ve Sensör Tipleri, Türkiye İnsansız Hava Araçları Dergisi, 2022: 4(2); 73-100.
• Zhao, A., Zou, H., Jin, H., & Wen, D. (2019). Structural design and verification of an innovative whole adaptive variable camber wing. Aerospace Science and Technology, 89, 11–18. https://doi.org/10.1016/j.ast.2019.02.032
• Zhou, W., Ma, P., Wei, B., Gao, Y., & Sun, Z. (2023). Experimental study on aerodynamic characteristics of fixed-wing UAV air docking. Aerospace Science and Technology, 137, 108257. https://doi.org/10.1016/j.ast.2023.108257