Computation of viscous flows over flapping airfoils and parallel optimization of flapping parameters

Bu çalışmada, yunuslama ve dalma şeklinde çırpma hareketi yapan kanat kesitleri incelenmiş ve çırpma hareketi parametreleri maksimum itki üretimi ve itki üretiminin verimi için eni- yileştirilmiştir. Çırpan kanat kesitleri üzerindeki zamana bağlı viskos akış alanları bir Navier- Stokes çözücü kullanılarak üstüste binen ağ sistemi ile hesaplanmıştır. Hesaplamalar Parallel Virtual Machine kitaplık yordamları kullanılarak bir bilgisayar öbeğinde paralel olarak gerçekleş tirilmiştir. Tek olarak ve üst üste iki tane yerleştirilmiş çırpan kanat kesitleri incelenmiştir. Gradyant tabanlı eniyileştirme algoritması kullanılmıştır. İtki üretimi ve itki üretiminin verimi çırpma hareketi parametlerine (yunuslama ve dalma hareketlerinin genliği, çırpma frekansı ve yunuslama ile dalma hareketi arasındaki faz farkı) göre eniyileştirilmiştir. Çırpan kanat kesit leri ile itki üretiminin faz farkına oldukça bağlı olduğu ve yüksek itki değerlerinin, düşük verim durumunda elde edilebileceği gözlenmiştir. Yüksek verime, kanat kesitinin etkin hücum açısı azaltıldığında ve hücum kenarında büyük girdap oluşumları engellendiğinde ulaşılmıştır. Değeri 1 olan indirgenmiş çırpma frekansında yunuslama ve dalma hareketi yapan tek bir çırpan kanat kesiti, 1.60 dalma genliği, 23.5° yunuslama genliği ve 103.4° faz farkı değerlerinde, 1.41'lik bir maksimum ortalama itki katsayısı vermiştir. Değeri %67.5 olan maksimum verime ise, 0.83 dalma genliği, 35.5° yunuslama genliği ve 86.5° faz farkı değerlerinde ulaşılmıştır. Anahtar Kelimeler: Çırpan Kanat Kesitleri, Üst Üste Binen Ağ Sistemi, Paralel İşlemler, Eniy- ileştirme, Reynolds- Ortalamak Navier-Stokes Denklemleri Airfoils flapping in pitch and plunge are studied, and the flapping motion parameters are op timized to maximize thrust generation and the efficiency of the thrust generation. Unsteady viscous flowfields over flapping airfoils are computed on overset grids using a Navier-Stokes solver. Computations are performed in parallel using Parallel Virtual Machine library routines in a computer cluster. A single flapping airfoil and dual airfoils flapping in a biplane con figuration are considered. A gradient based optimization algorithm is employed. The thrust production and the efficiency of the thrust production are optimized with respect to flapping parameters; the plunging and pitching amplitudes, the flapping frequency, and the phase shift between the pitch and plunge motions. It is observed that thrust generation of flapping airfoils strongly depends on the phase shift and high thrust values may be obtained at the expense of reduced efficiency. For a high efficiency in thrust generation, the effective angle of attack of the airfoil is reduced and large scale vortex formations at the leading edge are prevented. At a fixed reduced flapping frequency of 1, a single flapping airfoil in pitch and plunge motion produces the maximum average thrust coefficient of 1.41 at the plunge amplitude of 1.60, the pitch amplitude of 23.5°, and the phase shift of 103.4° whereas the maximum efficiency of 67.5% is obtained at the plunge amplitude of 0.83, the pitch amplitude of 35.5° and the phase shift of 86.5°.Keywords: Flapping Airfoils, Overset Grids, Parallel Processing, Optimization, Reynolds- Averaged Navier-Stokes Equations 109