Salma ve Dümen tasarımında temel prensipler I

Hava araçları için geliştirilen aerodinamik prensipler Salma ve dümenler için de kullanabiliriz. Her ne kadar hava araçları, havanın sıkışmasının önemli olduğu hızlarda seyretselerde; aynı prensipleri sıkıştırılamayan su akışı içinde kullanılabilir ve çok önemli bilgiler elde elde edilebiliriz…

Öncelikle bir kanadın (salma veya dümenin) etrafında belirli bir hücum açısına sahip bir akışın nasıl kuvvetler oluşturduğuna bakalım. Sonrada bir kanadın tasarımındaki ana unsurlar olan yukardan bakıldığındaki şekli ve kesitiyle ilgili bilgiler verelim.

Bir kanat eğer doğru çalışıyorsa iki yüzeyindeki akışda kanat yüzeylerine yapışıktır ve herhangi bir ayrılma olmaz. Eğer kanadımızı şekildeki kesitinin sonsuz uzunlukta olduğunu kabul edersek; Hücum kenarında akışın yukarı ve aşağı yüzeylere ayrıldığı bir durgunluk noktası oluşur. Durgunluk noktasında kanadın her hangi bir yüzeyine doğru bir akış yoktur ve akışkan kanadın içinede giremediğinden dolayı bu noktada hız sıfırdır. Bu durumun aynısı kuyruk kenarında da oluşur.

Kanat kesiti etrafındaki akış
Kanat kesiti etrafındaki akış

Genel olarak Yelkenli teknelerde ki kanat kesitleri iki kontrada da  eşit çalışabilmeleri için simetriktir. Hücum açısı sıfır olduğunda kanadın hücum kenarı ve kuyruk kenarında yüksek basınç oluşurken orta kısmında alçak basınç oluşur. Hücum açısının sıfır olmadığı durumlarda ise akış tamamiyle asimetrik hale gelir.  Durgunluk noktası şekilde görüldüğü gibi alt tarafa doğru kayar. Durgunluk noktasından hücum kenarına ve sonra kuyruğa doğru olan akış ile durgunluk noktasından direk kuyruğa akan akış arasında çok büyük bir fark oluşur. Kanadın üst yüzeyini takip eden akış çok kavisli bir yol izlerken kanadın alt yüzeyini takip eden akış ise neredeyse düz bir yol izler.Aynı zamanda  iki yüzey arasına bir hız farkıda oluşur. Üst yüzeyi takip eden akış daha hızlı iken alt yüzeyi takip eden akış daha yavaştır. Bu durumda kanat üzerinde şekildeki simetrik olmayan bir basınç dağılımı oluşur. Kanadın burununda emme kuvveti çok yüksekken kuyruğa doğru gidildikçe bu kuvvet azalır. Kanadın alt yüzeyinde ise basınç kuvveti pozitif olmasına rağmen mutlak değeri öbür tarafınkinden düşüktür. Bütün basınç kuvvetleri toplandığında oluşan bileşke kuvvet şekilde görülmektedir. Kanat tarafından ekilenmemiş akış yönü ile bileşke kuvvetin arasındaki açı kanadın verimliliği ile ilgilidir. Gerçek durumlarda bu açı her zaman 90° den küçüktür. Bir kanat tasarlıyorsanız bu açıyı mümkün olduğu kadar 90° ye yaklaştırabilmeniz gerekir.

Kanat yüzeylerinde oluşan basınç dağılımı
Kanat yüzeylerinde oluşan basınç dağılımı

Emme kuvveti ve basınç kanadın ön tarafında daha büyük olduğundan dolayı etki merkezi ön taraftadır. Teorik olarak simetrik bir kanatta etki merkezi kanat uzunluğunun burundan dörtte biri kadar geridedir diyebiliriz. Şekildeki grafikte basınç ekseni ters çevrilmiş negatif basınç yukarı doğru pozitif basınç ise aşağı dogru gösterilmiştir. Bunun amacı kanadın üst yüzeyleriyle grafiğin örtüşmesini sağlamaktır. Grafiğin üst kısmı kanadın üst yüzeyinde oluşan basıncı grafiğin alt kısmı ise kanadın alt yüzeinde oluşan basınçı göstermektedir.

Basınç katsayısı grafiği
Basınç katsayısı grafiği

Ne yazıkki gerçek kanatlar sonsuz uzunlukta değillerdir ve kanadın uçlarında yeni durumlar oluşur.

Rüzgar altı yüzeyde, rüzgar üstü yüzeyden daha yüksek basınç olduğundan dolayı; kanadın rüzgar altı yüzeyinden, rüzgar üstü yüzeyine doğru kanadın ucundan dönüp gelen bir akım oluşur (). Bu rüzgar altı yüzeyde kanadın ucuna doğru aşağı yönlü gittikçe hızlanan bir akış yaratır. Aynı durum rüzgar üstü yüzeyde de yukarı doğru oluşur. Kanadın iki yüzeyi arasındaki farklı yönlere doğru olan bu akış kanadın kuyruğunda türbülansların oluşmasına neden olur. Bu türbülanslar kanadın uclarına doğru daha belirgin hale gelir. Tekne çok fazla yattığında; su yüzeyine yaklaşan bu türbülansların merkezindeki alçak basınç havayı içine çeker ve görülebilir hale gelirler. Şekilden de görüldüğü gibi kuyruk kısmında oluşan bu türbülanslar tek bir sıra kalana kadar birleşirler. Bu türbülanslar dairesel enerji barındırdıklarından dolayı direnç bileşeninin artmasına neden olurlar.

Direnç bileşenini optimumda tutmak için en iyi yöntem yanal kuvvet dağılımını eliptik olarak dağıtmaktır. Yanal kuvvet dağılımını eliptik olarak dağıtmanın en iyi yolu da bazı dezavantajları olsada kanadı eliptik olarak tasarlamaktır.

Devam edecek…