Path optimization of flapping airfoils based on unsteady viscous flow solutions

Maksimum itki ve/veya verim için, tek bir kanat kesiti ile üst üste çırpan iki kanat kesitinin çırpma yörüngeleri eniyileştirilmiştir. Zamana bağlı viskoz akışlar, paralel hesaplama ortamında çalışan bir Navier-Stokes çözücü ile hesaplanmıştır. Eniyileştirme için gradyant tabanlı bir algoritma ve Cevap Yüzeyi Yöntemi (RSM) kullanılmıştır. Zamana bağlı çözümler gerektiren gradyant vektörü bileşenlerinin hesaplanması ve RSM'nin deney tasarımı da paralel ortamda gerçekleştirilmiştir. Paralel hesaplamalar için Parallel Virtual Machine (PVM) kitaplığı kullanılmıştır. İlk olarak, sinüzoidal ve sinüzoidal olmayan yunuslama ve dalma hareketi bileşeni şeklinde çırpan tek bir kanat kesiti incelenmiştir. Sinüzoidal olmayan çırpma hareketini tanımlamak için bir eliptik eğri veya Düzensiz Kesirli B-Eğrileri (NURBS) kullanılmıştır. Sinüzoidal harekete kıyasla itki üretiminin önemli ölçüde artabileceği gösterilmiştir. Yüksek itki veren durumlarda, kanat kesiti çırpma hareketi boyunca aşağı ve yukarı giderken yüksek etkin hücum açılarına sahip olmakta ve etkin yunuslama minimum ve maksimum dalma konumlarında gerçekleşmektedir. İkinci olarak, üst üste çırpan iki kanat kesitinin sinüzoidal ve sinüzoidal olmayan çırpma yörüngelerinin eniyileştirilmesi incelenmiştir. Hesaplamalarda hareketen eden ve bozulan üst üste binmiş çözüm ağları kullanılmıştır. Bozulan üst üste binmiş çözüm ağları ile çırpma hareketindeki sınırlamalar kaldırılmış ve daha önceden elde edilen eniyileştirme sonuçları üzerine gelişme sağlanmıştır. Düşük çırpma frekansları için, üst üste çırpan her bir kanat kesitinin, tek olarak çırpan kanat kesitinden daha fazla itki ürettiği gözlenmiştir. Yüksek frekanslarda ise üst üste çırpan her bir kanat kesiti, tek olarak çırpan kanat kesitine göre daha düşük verimde daha düşük itki üretmiştir. The flapping path of a single airfoil and dual airfoils in a biplane configuration is optimized for maximum thrust and/or propulsive efficiency. Unsteady, low speed viscous flows are computed using a Navier-Stokes solver in a parallel computing environment. A gradient based algorithm and Response Surface Methodology (RSM) are employed for optimization. The evaluation of gradient vector components and the design of experiments for RSM, which require unsteady solutions, are also carried out in parallel. Parallel computations are performed using Parallel Virtual Machine (PVM) library. First, a single airfoil undergoing a combined sinusoidal or non-sinusoidal pitching and plunging motion is studied. The non-sinusoidal flapping motion is described using an elliptic curve or Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS). It is shown that the thrust generation may significantly be increased in comparison to the sinusoidal flapping motion. For a high thrust, the airfoil stays at high effective angle of attack values during the upstroke and the downstroke, and the effective pitching occurs at minimum and maximum plunge positions. Secondly, the optimization of sinusoidal and non-sinusoidal flapping paths of dual airfoils is considered. Moving and deforming overset grids are used for computations. The deforming overset grids remove the restrictions on the flapping motion, and improve the optimization results obtained earlier. At low flapping frequencies, an airfoil in a biplane configuration produces more thrust than a single airfoil. Yet, at high frequencies the airfoil in biplane configuration produces less thrust at a significantly lower efficiency than the single airfoil. 106