Akışkanlar mekaniğinde sürükleme, bir akışkana göre hareket eden herhangi bir nesnenin göreceli hareketinin tersine etki eden bir kuvvettir. Aerodinamik açıdan bakıldığında sürükleme, hava aracına etki eden dört temel kuvvetten biridir. Atmosferde ileri doğru harekete karşı çıkar. Dolayısıyla, hava araçlarına olumsuz etkide bulunur. Bir motor veya başka bir güç aleti ile donatılmış araçlarda bu kuvvet, itki kuvveti ile yenilerek aracın hareket etmesi sağlanır.
Şekil 1. Bir airfoile etki eden dört temel aerodinamik kuvvet
Sürükleme bir kuvvettir, yani hem büyüklüğü hem de yönü olan bir vektördür. Bu kuvvetin hesaplanması için çeşitli matematiksel formüller mevcuttur fakat günümüzde sürükleme kuvveti, çeşitli akış analizi yapan programlarda sürükleme katsayısının bulunması ile ölçülür. Üretilen araçların performansını görmek için ise rüzgar tünelleri kullanılır. Tünelde hava aracının belli ölçekte küçültülmüş prototipi üzerinden sürükleme katsayısı ile ilgili değerler elde edilir. Daha sonra boyutsuz olan Reynolds katsayısı (atalet kuvvetleri / viskoz kuvvetler) kullanılarak bu değerlerin aracın nihai ölçüsünde nasıl olacağı belirlenir.
- D = Sürükleme (Drag)
- Cd = Sürükleme Katsayısı (Drag Coefficient)
- P = Yoğunluk (Density)
- V = Hız (Velocity)
- A = Referans Alan (Reference Area)
Şekil 3. Rüzgar tüneli testi
Sürükleme katsayısı, aerodinamikçilerin uçağın sürüklemesine ilişkin şekil, eğim ve akış koşullarının tüm karmaşık bağımlılıklarını modellemek için kullandıkları bir sayıdır. Bu katsayı basitçe, sürüklemenin diğer değişkenler açısından ifadesidir.
Şekil 4. Şekillere göre sürükleme katsayısı değerleri
Otomobiller ve diğer birçok nesne için sürükleme katsayısı (Cd) hesaplanırken referans alanı olarak ön kesit alanı kullanılırken uçaklar için kanat alanları kullanılır. Bu nedenle, katsayılar doğrudan karşılaştırılamaz. Şekil 5’te bazı uçakların sürükleme katsayısı değerleri verilmiştir.
Şekil 5. Uçaklar ve sürükleme katsayıları
Sürükleme kuvveti kendi içinde üç kategoriye ayrılır:
1. Parazit Sürükleme (Parazit Drag)
1.a. Yüzey Sürtünme Sürüklemesi (Skin Friction Drag)
1.b. Şekil Sürüklemesi (Form Drag)
1.c. Enterferans Sürüklemesi (Interference Drag)
2. İndüklenmiş Sürükleme (Induced Drag)
3. Dalga Sürüklemesi (Wave Drag)
1. Parazit Sürükleme: Hava aracının akışkan (atmosferik hava) içerisindeki hareketi nedeniyle oluşur. Parazit sürükleme, yüzey sürtünmesinden (skin friction), taşıtın şeklinden (form drag) ve uçak parçalarının birleşme noktalarından (interference drag) kaynaklanır. Hava akışının düzenli veya türbülanslı oluşu, hava sürati, kanat profili kalınlığı, hücum açısı gibi etmenlere bağlıdır.
1.a. Yüzey Sürtünme Sürüklemesi: Taşıt yüzeyi ile üzerinden akan hava arasındaki sürtünmeden kaynaklanır. Uçağın yüzey alanı, yüzey pürüzü (buzlanma, perçinler vs.) dış yüzeyde bulunan parçaların geometrisi gibi faktörlere bağlıdır.
Şekil 6. Yüzey sürtünme sürüklemesi örneği
1.b. Şekil Sürüklemesi: Akışkan içerisinde hareket eden hava aracının enine kesitinin şekli ve alanı nedeniyle oluşan sürükleme türüdür. Düşük şekil sürüklemesi için, özellikle küçük alana sahip olan gövde profili seçimi önemlidir. Ayrıca, hava aracına gelen akış sürekli olmalı, akışın sınır tabakasından ayrılmamasına dikkat edilecek bir tasarım yapılmalıdır.
Şekil 7. Şekil sürüklemesi örneği
1.c. Enterferans Sürüklemesi: Hava aracındaki kanat/gövde, gövde/kuyruk gibi farklı parçaların birleştiği bölgelerde oluşur. İki farklı parça üzerindeki farklı hava akışları karşılaştığında kuyruk türbülansını (wake turbulence) oluşur. Yüzeylerin uygun tekniklerle kaplanması ve yumuşak bir geçiş sağlanması enterferans sürüklemesini azaltacaktır.
Şekil 8. Enterferans sürüklemesi örneği
2. İndüklenmiş Sürükleme: İndüklenmiş sürükleme, taşıma nedeniyle oluşan sürükleme türüdür. Taşıma kuvveti (L) ve hücum açısı (AoA) ile doğrudan ilişkilidir. Pozitif taşımanın oluşabilmesi için kanat üzerindeki statik basıncın, kanat altındakinden düşük olması gerekir. Kanat altındaki yüksek statik basınç bölgesindeki hava, firar kenarından arkaya ve kanat ucundan dışarıya doğru kaçarak kanat üzerine (alçak statik basınç bölgesine) dolaşır. Bu dolanım kök kısmında düşüktür ancak kanat ucunda çok yüksek değerlere ulaşır. Bunun sonucu olarak kanat uçlarında kanat ucu girdabı denen, dönen hava akımları oluşur. Girdapların firar kenarı arkasında kalan kısmı “downwash” denilen hava akımını oluşturur. Downwash, firar kenarında meydana gelen girdapların kendi ekseni etrafında dönerken aynı zamanda aşağı doğru yönelmesiyle gerçekleşen bir hava olayıdır. Downwash’in neden olduğu hava akışı taşıma kuvvetinin yatay bileşenini etkiler ve indüklenmiş sürüklemeyi oluşturur. Uçağın hücüm açısı arttıkça yani, burnu yukarı doğru kalktığında, elde edilen taşıma vektörü dikey konumdan yatay konuma doğru bir açı oluşturur. Yani, taşıma vektörü geriye doğru bakar. Bu nedenle, downwash ve indüklenmiş sürükleme artar. İndüklenmiş sürükleme hava süratinin karesi ile ters orantılıdır. Aynı zamanda hava yoğunluğu ile de ters orantılıdır.
Şekil 9. İndüklenmiş sürükleme ve downwash örneği
3. Dalga Sürüklemesi: Dalga sürüklemesi, transonik veya süpersonik uçuşta uçak çevresinde şok dalgalarının oluşmasından kaynaklanır. Hava, şok dalgasının önündeki süpersonik bölgeden şok dalgasının arkasındaki ses altı bölgeye akarken, ayrılır ve türbülanslı hale gelir. Şok dalgası güçlendikçe, uçağın ileri hareketini engelleyen dalga sürüklemesi meydana gelir.
Şekil 10. Dalga sürüklemesi örneği
Bir hava aracına etkileyen sürükleme türlerinin ve toplam sürüklemenin hava süratine göre değişimi Şekil 11’ de gösterilmiştir. Bu grafiğe göre, havanın sürati arttığında indüklenmiş sürükleme azalırken, parazit sürükleme artar. Toplam sürükleme ise, belirli bir hava süratine kadar azalır daha sonra artar.
Şekil 11. Sürükleme – Hava Sürati grafiği
Sonuç olarak, sürükleme (drag) hava aracını olumsuz etkileyen bir kuvvettir. Yakıt tüketiminin artması, aracın azami menzilinin azalması, hava akışının düzensizleşmesi gibi sorunlara neden olur. Sürüklemenin azaltılması için tasarımdan imalata kadar her alanda dikkat edilmesi gerekir. Tasarımsal olarak keskin geçişlerden kaçınmak, imalat açısından ise yüzey pürüzlülüğünü minimum seviyede tutmak örnek olarak verilebilir.
Kaynakça
1. https://www.boldmethod.com/blog/lists/2018/07/how-the-5-types-of-drag-affect-your-airplane/
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Drag_(physics)
