- distributed micro-roughness (DMR), pürüzsüz yüzeylerin sürüklemeyi azalttığına dair 80 yılı aşkın ilkenin aksine, mikroskobik rastgele pürüzlülükle türbülansa geçişi geciktiriyor
- Tohoku University araştırma ekibi, 1m magnetic support balance system ile destek yapısı kaynaklı girişim olmadan DMR yüzeyleri ölçerek sürüklemeyi en fazla %43,6 azaltabildiğini kanıtladı
- Deneysel DMR, 38~53 mikrometre cam kürelerden oluşan çıkıntılı desen ve kumlama ile oluşturulan çukur desen içeriyor; yükseklikleri sınır tabakası kalınlığının yalnızca %1’i
- DMR uygulanan modelde kritik Reynolds sayısı yaklaşık 1.9×10⁶’dan 2.2×10⁶’a yükseldi ve 3.6×10⁶’ya kadar pürüzsüz yüzeyden daha düşük sürükleme katsayısı gösterdi
- DMR, golf topu çukurları ya da köpekbalığı derisi ribletlerinden farklı olarak basınç direncinden çok duvar sürtünmesini azaltıyor; akış yönüne bağımlı değil, güç ya da hareketli parça gerektirmeyen pasif bir teknoloji
Hava direncini azaltma ilkesinde dönüşüm
- Yüksek hızlı uçaklar, otomobiller ve yüksek hızlı trenlerde hava direnci, daha yüksek hız ve daha düşük enerji tüketiminin önündeki başlıca engellerden biri
- Bir cisim yüksek hızda hareket ettiğinde yüzeyinde sınır tabakası denen ince bir hava katmanı oluşur; bu tabaka düzenli laminer akışta ya da düzensiz türbülanslı durumda olabilir
- Sürtünmenin daha düşük olduğu laminer akış ne kadar uzun korunursa hava direnci o kadar azalır, ancak hız arttıkça akış türbülansa geçer
80 yılı aşkın süredir süren pürüzsüz yüzey ilkesi
- Havacılık mühendisliğinde, hava direncini azaltmak için yüzeylerin pürüzsüz olması gerektiği ilkesi 80 yılı aşkın süredir kabul görüyor
- Bu varsayım, Japon bilim insanı Ichiro Tani’nin 1940’ta yaptığı çalışmaya dayanıyor
- Tani, yüzey pürüzlülüğü ile türbülansa geçiş arasındaki ilişkiyi ele aldı
- O dönemin üretim teknolojilerinde kaçınılması zor olan yüzey pürüzlülüğünün laminer akışı engellediğini düşündü
- 1989’da Tani, 1930’larda akışkanlar mekaniği araştırmacısı Johann Nikulase’nin pürüzlü yüzeyli borularda elde ettiği deney verilerini yeniden yorumladı
- Böylece pürüzlülüğün her zaman türbülansa geçişi hızlandırıp akış direncini artırmayabileceği ihtimali ortaya çıktı
- Tohoku University’den Yasuaki Kohama ekibi 1990’larda, ince lif benzeri çıkıntılı yüzeylerin belirli koşullarda geçişi geciktirebildiğini gösterdi
Dağıtılmış mikro-pürüzlülüğün (DMR) deneysel olarak kanıtlanması
- Tohoku University Institute of Fluid Science’dan doçent Aiko Yakino’nun ekibi, çıplak gözle ayırt edilmesi zor kadar küçük ve düzensiz yüzey pürüzlülüğü olan distributed micro-roughness (DMR) ile hava direncini en fazla %43,6 azaltabildiğini kanıtladı
- DMR, mevcut hava direnci azaltma tekniklerinden riblet yani “köpekbalığı derisi” işlemesinden farklı çalışıyor
- Ribletler, köpekbalığı derisindeki ince boyuna olukları taklit eder
- Hava akış yönü boyunca yaklaşık 0.1 mm genişliğinde oluklar açılarak türbülans bölgesinde duvar yakınındaki girdaplar hizalanır
- DMR ise rastgele ve çok ince çıkıntılarla laminer akıştan türbülansa geçişi geciktirir
- İki yaklaşımın etkilediği akış bölgesi ve çalışma mekanizması farklıdır
Desteksiz rüzgâr tüneli ölçümü
- Mevcut rüzgâr tüneli deneylerinin bir sınırlaması, modeli taşıyan çubuk ve tellerin hava akışını bozmasıydı
- Mikro ölçekli yüzey pürüzlülüğünün oluşturduğu küçük sürükleme değişimleri, destek yapıları tarafından maskelenebiliyordu
- Tohoku University Institute of Fluid Science’ın 1m magnetic support balance system (1m-MSBS) sistemi bu sorunu azaltıyor
- Elektromanyetik kuvvetle yaklaşık 1.07 m uzunluğundaki aerodinamik modeli rüzgâr tüneli içinde temassız biçimde askıda tutuyor
- Destek ayağı ya da başka bir taşıyıcı olmadan model çevresindeki hava akışı girişimini ortadan kaldırıyor
- Araştırma ekibi, pürüzsüz yüzey ile DMR kaplı yüzeyin toplam sürükleme katsayısını 0.35×10⁶~3.6×10⁶ Reynolds sayısı aralığında ölçtü
- Reynolds sayısı, akışkan içindeki atalet kuvvetleri ile viskoz kuvvetlerin oranıdır
- Akışın laminer mi yoksa türbülanslı mı olacağını öngörmede kullanılan temel göstergelerden biridir
DMR yapısı ve ölçüm sonuçları
- Deneyde iki tür DMR kullanıldı
- 38~53 mikrometre çaplı cam kürelerle oluşturulan çıkıntılı desen
- Kumlama ile oluşturulan çukur desen
- DMR kaplamasının yüksekliği, sınır tabakası kalınlığının yalnızca %1’i olduğu için akışkanlar dinamiği açısından “pürüzsüz yüzey” sınıfına giriyor
- DMR kaplı modelde türbülansa geçişin başladığı kritik Reynolds sayısı yaklaşık 1.9×10⁶’dan 2.2×10⁶’a yükseldi
- Geçiş bölgesinde sürükleme en fazla %43,6 azaldı
- DMR uygulanan yüzey, ölçülen en yüksek Reynolds sayısı olan 3.6×10⁶’ya kadar pürüzsüz yüzeyden tutarlı biçimde daha düşük sürükleme katsayısı gösterdi
Basınç direncini değil, duvar sürtünmesini azaltan mekanizma
- Hava direnci genel olarak basınç direnci ve sürtünme direnci olarak ikiye ayrılır
- Basınç direnci, cismin arkasında hava akışının yüzeyden ayrılmasıyla oluşur
- Sürtünme direnci, yüzey üzerinden akan havanın viskozitesinden kaynaklanır ve akış laminer kaldıkça azalır
- Ekip, DMR etkisinin kaynağını ayırmak için large eddy simulation (LES) kullandı
- LES, büyük ölçekli türbülans girdaplarını doğrudan hesaplayan ve küçük ölçeklileri modelle yaklaştıran bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemidir
- Bu çalışmadaki LES, en fazla 45,38 milyon wall cell çözünürlüğü kullandı
- Yüzey akışını doğrulamak için floresan boya gibi yöntemlerden yararlanan oil flow visualization analizi de kullanıldı
- LES analizinde, yapay bozucu eklenmemiş laminer hesaplamanın basınç direnci için muhafazakâr üst sınırı Cp≈0.00021 olarak belirlendi
- Bu değer teorik değerle %1 içinde uyuşuyor
- Bu çalışmada gözlenen sürükleme azalımı ΔCD≈0.001, bu üst sınırın yaklaşık 5 katı
- Cismin arkasındaki ayrılma tamamen ortadan kaldırılsa bile gözlenen azalmanın yalnızca yaklaşık %20’si açıklanabiliyor
- Böylece DMR’nin temel sürükleme azaltma etkeninin akış ayrılmasının bastırılması değil, duvar sürtünmesinin bizzat azalması olduğu nicel olarak doğrulandı
Golf topu çukurları ve köpekbalığı derisi işlemesinden farkı
- DMR ilkesi, golf topu çukur etkisinden farklıdır
- Çukurlar, hava akışını kasıtlı olarak türbülanslı hale getirip arkadaki ayrılmayı bastırarak basınç direncini azaltır
- DMR ise türbülansa geçişi geciktirerek basınç direncini değil duvar sürtünmesini azaltır
- DMR’nin riblet işlemeye göre farklı avantajları da vardır
- Ribletlerin etkili olabilmesi için olukların hava akış yönüne göre hassas biçimde işlenmesi gerekir
- DMR’de yüzey pürüzlülüğü rastgeledir ve akış yönüne bağlı değildir
- Hareketli parça ya da elektrik gerektirmeyen pasif bir teknolojidir
Uygulama potansiyeli ve sonraki adımlar
- DMR’nin uçaklara uygulanması, yakıt verimliliğini artırarak işletme maliyetlerini ve karbondioksit emisyonlarını azaltabilir
- Araştırma ekibi, DMR’nin şekli ve dağılım yoğunluğunu daha da optimize etmeyi ve uygulanabildiği hız aralığını genişletmeyi planlıyor
1 yorum
Hacker News görüşleri
Rekabetçi yatçılık ya da foil yarışı yapmış olanlar, su altındaki yüzey 1000~1500 kum zımpara ile incece zımparalandığında sürtünmenin en düşük olduğunu ve laminer akışın da daha iyi olduğunu bilir
Havada ise bunun böyle olmaması ve uçak kanatlarında parlak cilalı yüzeyin en iyisi sayılması bana hep tuhaf gelirdi; şimdi bakınca kanat profilinin de en düşük sürtünme için mikro pürüzlülükten fayda gördüğü anlaşılıyor
Bu kadar basit bir gerçeğin, araştırmanın da fonun da bol olduğu bir alanda nasıl bilinmediğine şaşırıyorum; galiba bunu sadece makale yazan araştırmacılar bilmiyormuş
Bu bölge laminer akış ile türbülanslı akış arasındadır; laminer akışın sürüklemesi genelde türbülanslı akıştan 5 kat daha düşüktür ve yaklaşık 500 bin~1 milyon Reynolds sayısında görülür
Surfboard'larda Reynolds sayısı 10^7 olduğu için akış tamamen türbülanslıdır, Cessna uçaklarında ise yaklaşık 1~5x10^6 seviyesindedir
Yine de somut süreç ve uygulama daha yeni ya da öncekinden biraz farklı olabilir
Kademeli iyileştirmeleri, hatta bazen kopyalamayı bile devrim diye anlatan sansasyonel bir toplumda yaşıyoruz
737'nin %40 daha az yakıt tükettiğini göstermemi isterseniz böyle bir şey olmayacaktır, ama uçak dış kaplamasının üretim süreci biraz daha iyi hale gelebilir
Gövdeyi her hafta yeniden zımparalayamazsınız; bakım olmadan kararlı biçimde çalışması gerektiği de önemli
RC planör aerodinamiği çalıştığım dönemdeki ölçülere göre hava, uçak boyutu ve hızına bağlı olarak Reynolds sayısıyla ifade edilen “viskozite” açısından daha geniş bir aralığa sahiptir
Golf topu, RC uçak, ticari jet ve savaş uçağının ideal aerodinamiği ya da işe yarayan teknikleri (winglet, dimples) epey farklı olabilir
Winglet verimliliğinin de uzun zamandır biliniyor olması ama neredeyse tüm yolcu uçaklarında uygulanmasının görece yeni olması ilginç
Köpekbalığı derisinin mikro pürüzlülüğünü taklit etme girişimiydi
Asıl makale burada: https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mec...
“Yüzey ne kadar pürüzsüzse aerodinamik sürükleme o kadar düşüktür” görüşü uzun süredir kabul görüyordu; bunun her zaman geçerli olmaması şaşırtıcı
Golf topu çukurlarının sürüklemeyi azalttığını hep duyardım
Çukurlar hava akışını kasıtlı olarak türbülanslı hale getirip arka taraftaki ayrılmayı bastırarak basınç direncini azaltırken, DMR geçişi geciktirerek basınç direncini değil, duvar sürtünmesini bizzat azaltıyor
İkisi zıt mekanizmalar
Yalnız göreli oran olarak farkın ne kadar büyük olduğunu merak ediyorum
Bazı iyileştirmeler emek vermeye değer olur, ama %20'den fazlaysa ikna edici sayılabilir; herkes çukurlu golf topu kullanıyorsa bu sadece bir düşünce deneyi olur
O zaman masa tenisi topunda neden çukur yok?
Vorteksler büyük hava ceplerini parçalayarak sürüklemeyi azaltır
Top gibi yuvarlak yüzeyler çukurlardan fayda görür ama ok gibi daha düz yüzeyler görmeyebilir
Kesin bilmiyorum ama hızın da etkisi var gibi geliyor
Muhtemelen reklam engelleyicim “abone olarak oku” özelliğiyle çakıştı ama başarısız olma şekli komikti
Sayfayı açınca kapak görseli ve başlık görünüyor, altında da yalnızca “Subscribe to listen [9 minutes]” ile “Aerodinamik sürükleme, yüksek hızlı uçaklar, otomobiller ve yüksek hızlı trenler için başlıca engeldir...” gibi bir cümle yer alıyor
Sonrasında sadece yorumlar ve diğer makale bağlantıları var; ses kaydının dışında makale gövdesinin devam ettiğine dair hiçbir işaret yok
Bu, “makaleyi okumamış” bazı yorumları açıklıyor olabilir. Gerçi bu zaten normalde de olur
Keşke arşiv bağlantısı gibi bir şey olsa
Bazı siteler son zamanlarda biraz fazla agresif
Bu kısım ya bir hata ya da başlı başına uzun bir hikâye gibi geliyor
1940'ta Japon bilim insanı Ichiro Tani'nin yüzey pürüzlülüğü ile türbülans geçişi arasındaki ilişkiyi gösterdiği ve o dönemin üretim teknolojisiyle kaçınılmaz olan yüzey pürüzlülüğünün laminer akışı engellediğini savunduğu söyleniyor
Ama sonra 1989'da Tani, 1930'ların akışkanlar dinamiği araştırmacısı Johann Nikulase'nin pürüzlü yüzeyli boru deney verilerini yeniden yorumlayıp “pürüzlülük her zaman türbülans geçişini hızlandırıp akış direncini artırmak zorunda olmayabilir” diye öne sürdüyse, aynı konuyla 49 yıl boyunca uğraşmış demektir
Nitekim kendisi 1990'da öldü; yani bu mümkün
Uygulama yöntemi kumlamaya benzer şekilde basitse mevcut uçaklara retrofit olarak uygulamak da epey kolay görünüyor.
Anlatıldığı gibi çalışıyorsa, fiilen aynı gün uygulanabilecek ücretsiz yakıt verimliliği artışına yakın olurdu.
Ancak gerçek net iyileşme rakamlarını görmedim.
Haberde sözü edilen yüzde değerleri “geçiş bölgesi” ile sınırlı ve katsayıların genel olarak iyileştiği söyleniyor, ama teoride tüm kanat profili boyunca iyileşme sıfıra yakınsa bunun neredeyse hiçbir anlamı olmayabilir.
Gerçek ortamda tıkanmaya veya daha hızlı aşınmaya daha yatkın olacağından, bu düzeyde hassas bir bozulma profilini belli bir süre korumak da çok zor görünüyor.
Belirli bir uçağa modifikasyon uygulamak istendiğinde, test veya sertifikasyondan önce aşılması gereken çok sayıda düzenleyici engel olması muhtemel.
Sertifikalı uçaklarda bu özellikle böyledir; deneysel uçak dünyasında bile birinin kanadına kumlama yapma fikrine direnç olabilir.
Bu teknoloji, eğer daha önce denenmediyse, bence önce Formula 1 gibi yerlerde test edilir.
Bir şirket %4’e kadar yakıt tasarrufu iddia ediyor: https://mako.aero/insights/delta-partners-with-mako-to-test-...
Tek bir kaplama bile günlük sıcaklık dalgalanmalarına 10.000 uçuş boyunca mı yoksa yalnızca 1.000 uçuş boyunca mı dayanacağını belirleyebilir; bu yüzden en baştan buna göre tasarlanması gerekir.
Uçak kanatları yüksek hız, havadaki parçacıklar yani toz, buz, volkanik kül ve yağmur/su nedeniyle erozyona uğrar.
Bu erozyon zaten ciddi azaltım gerektiren bir sorun; dolayısıyla yüzeyi bilerek pürüzlü hale getirmek beklenmedik sonuçlar doğurabilir ya da daha büyük bir probleme dönüşebilir.
Yine de bu tekniğin denenmeye değer olduğunu düşünüyorum.
İlginç bir keşif, ama temel prensipleri tersine çevirmiş değil.
Akışkanlar dinamiği derslerinde şekil sürüklemesi, haberdeki ifadeyle basınç sürüklemesi, ve yüzey sürtünme sürüklemesi olduğunu öğrenmiştik.
Bunlar Reynolds sayısına bağlı olarak birbirleriyle ödünleşir.
Akışı laminer tutarsanız yüzey sürtünme sürüklemesi azalır ve pürüzsüz yüzey avantajlı görünür; ama akışı daha uzun süre yüzeye bağlı tutarsanız türbülans oluşturma veya hava enjeksiyonu gibi yöntemlerle şekil sürüklemesini azaltabilirsiniz, bunun karşılığında türbülans nedeniyle yüzey sürtünmesi artar.
Bu araştırma, laminer akışı korurken akış ayrılmasını geciktirmenin iyi bir yolunu bulmuş gibi okunuyor, fakat temel prensip değişmiş değil.
“Yüzey ne kadar pürüzsüzse sürükleme o kadar düşüktür” diye bir kural zaten yoktu; bu yalnızca belirli ölçeklerde geçerliydi.
https://archive.ph/DbcqV
https://archive.is/20260524231039/https://www.wired.com/stor...
Kendi kendini taşıyan denge sisteminin elektromanyetik kuvvetle aerodinamik modeli rüzgar tünelinde temas olmadan havada tutabilmesi oldukça etkileyici.
Muhtemelen test nesnesini havada tutmak için gereken manyetik alan şiddetindeki değişim de gövdeye etki eden kuvvetlerdeki değişimi gösteren bir gösterge niteliğindedir.