Rüzgar Tünelleri Nedir, Nasıl Çalışır, Yapay Zeka ile İlişkisi

İnsanoğlu ihtiyacı olan araç gereçlerin karmaşıklığı arttıkça öngörülebilirliğinin azaldığını fark edince; karmaşık araçlarını önce basit ve kolay denenebilir yöntemlerle deneylere tabi tutmuştur. Deneylerde kullanılacak; asıl araç veya makinenin prototipiyle, öngörülmemiş şekilde sonuç verecek durumlar tespit edilir veya teorik hesapların yapılamadığı, çok karmaşık olduğu durumlarda veri elde edilir.

Son yüzyılda teorik hesaplamaların zor, öngörülebilirliğin az olduğu alanlardan biri de akışkanların hareketi olmuştur. Mekanik farklı parçaların birbirleriyle etkileşimini incelerken incelenecek olayda parça sayısı sayılabilir derecede az veya birbirine olan etkileri öngörülebilir derecede kısıtlanmış ise teorik hesaplama o kadar yeterli olmaktadır ancak parçacıkların birbirlerine etkileri çok karmaşık ve parçacık sayısı aşırı fazla olduğunda incelemek ve teorik yaklaşımla doğru veriler elde etmek zorlaşmaktadır. Dünyanın ise akışı fazlaca barındıyor olma durumu insanın tasarlayacağı herhangi bir yapı veya aracın akışta nelere sebep olacağı ve akıştan hangi koşullar altında nasıl etkileneceğini anlamamızı zorunlu hale getirmiştir. Haliyle akışkanın nasıl çalıştığını, birbirleriyle ve dış etkenlerle olan ilişkilerini inceleyip anlamak ve matematiksel modellere dönüştürebilmek için simülasyon ortamlarına duyulan ihtiyaç sonucunda rüzgar tünelleri ortaya çıkmaya başlamıştır.

Rüzgar tünelleri; akışın durumu, incelenmek istenen yapıların akış içerisindeki durumu ve akışa olan etkisi anlamlandırmak için kullanılan deney yapılarıdır. Uçak, rüzgar türbinleri, devasa mimari yapılar ve şehirler hava akışına; deniz araçları ise hem hava hem su akışına maruz kalırlar yani günümüzde kullanılan çoğu makine ve yapı akış içerisindedir dolayısıyla rüzgar tünellerinin kullanım alanı çok geniştir.

Rüzgar tünellerinin ortaya çıkışıyla uçakların ortaya çıkışı paralel ilerlemiştir çünkü uçan araçlar birçok hava akışının karmaşıklığı sebebiyle birçok farklı kuvvetin etkisinde kalarak uçar. Uçağın uçabilmesi ve daha da önemlisi istikrarlı ve kontrol edilebilir uçabilmesi için akıştayken etkisinde kalacağı kuvvetlerin ve sonuçlarının bilinip onlara yönelik tasarımların yapılması gerekmiştir. Yani rüzgar tünelleri adından da anlaşılabileceği gibi, uçaklar başta olmak üzere hava akışında bulunan yapılar için çok daha fazla kullanılmaktadır.

Tarihi Gelişimi

Rüzgar tüneli, aynı diğer icatlarda olduğu gibi direkt olarak doğmamış bir sürecin ilerleyişinde ve gelişiminde şekillenmiş bir deney aracıdır. Bahsedilen üzere akış ile ilgili bilgi edinme süreciyle doğan ihtiyacı gidermek üzere yapılmış bilinen ilk yapı İngiliz Matematikçi Benjamin Robins’in (1707-1751) yaptığı dönen kol tasarımıdır. Dönen kol tasarımı, incelenmek istenen yapının dönen milden uzanan kolun ucuna yerleştirilerek mil döndükçe hava içerisinde kolun çap uzunluğundan kaynaklı hızlıca hareketini sağlayan bir tasarımdır.

Genellikle ilk rüzgar tünelini yapanlar ve ilk havacılar olarak andırılmak istenen kişiler Wright kardeşler olsada işin aslı böyle değildir kendileri amerikalı olduklarından dolayı oldukça telaffuz edilmektedir. Wright kardeşler yaptıkları çalışmaları İngiliz ve Alman ekollerinden esinlenerek yapmışlardır ve dünyanın ilk gerçek havacısı olarak anılan kişisi Alman Otto Lilienthal’dır (1848-1896). Motorlu bir uçak yapmamış olmasına rağmen, yamaç paraşütünü andıran yapılar ile tanınmıştır ve insanlı uçuş dolayısıyla büyük ilgi görmüştür. 1891'den başlayarak Lilienthal 2500 kez süzülmüştür ve en uzun denemesinde 250 metre kat etmiştir.

İlk rüzgar tüneli Francis Wenham ve John Browning isimli iki İngiliz mühendis tarafından 1871’de yapılmıştır. İlerleyen süreçte İngiltere’de 1884’te Horatio Frederick Phillips, Moskova Üniversitesi’nde 1891’de Nikolai Juokowski ve Alman Ludwig Mach rüzgar tünellerinin geliştirilmiş versiyonlarının yapımında rol oynamışlardır.

Francis Herbert Wenham ve Wright Kardeşler İlişkisi

Wenham İngiliz deniz mühendisydi ve havacılıkla hobi olarak ilgileniyordu asıl alanı motorlar ve deniz motor pervaneleriydi haliyle bunlarda akış içerisinde yer alan konular olduğundan ilişkiliydi. Isaac Newton’un doktrinleriyle sıkı ilişkisi olan Wenham yaptığı tünelde elde ettiği deneysel verilerle; akış içerisinde bulunan cisimlerle ilgili Newton’un sayısal hatasını revize etti ve havacılığın kanat yapılarına yeni kapılar açmış oldu. Hatta birçok kişi havacılık araştırmalarının gecikmiş olmasını Newton’un sayısal hatasına bağlar. Tarihte “Aeroplane” (uçak) kelimesini ilk kullanan kişidir.

Havacılık araştırmacısı ve yazarı olan Carroll Gray, Wright Kardeşlerin Wenham’ın çalışmalarını kullandığını ifade eder; “En az dört önemli hava aracı tasarım öğesi Wenham tarafından 1866'da önerildi. Bunlar; 1) üst üste bindirilmiş kanatlar, 2) üst üste bindirilmiş kanatlar arasında dikey dik destekler, 3) operatörün Wenham'ın üst üste bindirilmiş kanatlı tasarımındaki gibi yüzüstü pozisyonu ve 4) uçuşta dönüşün basit bir dümen kullanmak yerine hava aracının bir tarafında diğerinden daha fazla kaldırma kuvveti oluşturarak gerçekleştirilmesi gerektiği. Wenham'ın "Havadaki Hareket" makalesinin Wilbur Wright (ve Orville için) 1895 "Havacılık Yıllığı"nda kolayca bulunabildiğini ve Smithsonian Enstitüsü'nün Haziran 1899'da Wilbur Wright'a (diğer havacılık okuma materyalleriyle birlikte) önerdiğini ve kısa süre sonra elde edip okuduğunu belirtmek de önemlidir.”
Wright Kardeşlerin sık ziyaret ettiği Smithsonian Enstitüsü, ABD hükümeti tarafından; İngiliz bilim insanı James Smithson’a ithafen açılmış olan ve bolca Britanya çalışmalarıyla doldurulmuş bir enstitüdür.

Nasıl Çalışır?

Rüzgar tüneli araştırma-geliştirme yaklaşımlarında ki temel mantık; fiziksel olarak yaşanacak bir olayın daha kontrol ve test edilebilir hale getirilerek elde edilmek istenen verileri toplamaktır. Rüzgar tünelleri en basit anlatım ile akış içerisinde bulunacak yapıların yapay ve kontrol edilebilir akışa maruz bırakılarak test edilmesidir. Haliyle bir kanat tasarımının gerçeğini yapıp uçağa takarak test etmek hem sürecin uzunluğunu hem maliyetini hemde kontrollü uygulanabilirliğini oldukça zorlaştırmaktadır. Temel soru; “araştırılması istenen kanat modeli 500 km/h hızda uçarken nasıl kuvvetler ve hava akışında farklılıklar ortaya çıkaracak?” ise soruyu cevaplamak için gerçekten kanatları kullanarak uçmak ve 500 km/h hıza çıkmak yerine kanadı test sistemine sokarak etrafında 500 km/h hızla akan yapay ve kontrol edilebilir rüzgar oluşturmak; sonuçları kontrol ve elde edilebilir olacaktır.

Simülasyon mantığı ile birlikte; elde edilmek istenen veriye veya test edilmek istenen yapılara göre farklı tünel tasarımları ve çalışma mantıkları olabilmekle birlikte en temelde dört yaklaşım bulunmaktadır.

Rüzgar tünelinde akışı sağlanacak havanın hızına göre;

Sesaltı Rüzgar Tünelleri

Sesaltı rüzgar tünelleri, 0.8 mach (yaklaşık 1000 km/h) altında hızlarda çalışmaktadır. Rüzgar türbinlerinin, gemilerin, uçak kanat profillerinin ve diğer akış içerisinde dinamik halde bulunan araçların; aerodinamik performansını test etmek, araçların rüzgar direncini azaltmak ve yakıt verimliliğini arttıracak optimizasyonlar yapmak için kullanılır. Şehir, bina ve benzeri statik halde bulunan yapıların; aerodinamik durumunu ve dayanımını test etmek için kullanılır.

Sesüstü Rüzgar Tünelleri

Sesüstü rüzgar tünelleri, 1.2 ile 5.0 mach arasındaki (yaklaşık 1500 km/h ile 6200 km/h) hızlarda çalışmaktadır. Ses hızının üstünde hareket edebilen hava araçların ve roketlerin aerodinamik özelliklerini test etmek için tasarlanmışlardır ve şok dalgaları, sürükleme ve ısı transferi gibi yüksek hız sonucu oluşan etkileri incelemek için kullanılmaktadırlar. Tasarımında darboğaz denilen akışı daraltarak hızlandıran bölüm şok dalgaları oluşturarak istenilen testleri oluşturur. Tünelin genel dayanımı da şok dalgalarına ve yüksek hızdan kaynaklı oluşacak yüksek ısılara dayanabilecek halde yapılır.

Rüzgar tünelinde akışı sağlanacak havanın çevrim tipine göre;

Açık Devreli Rüzgar Tünelleri

Açık devreli rüzgar tünellerinin yapımı ekonomik ve basittir, düşük hızlı akış testleri için tercih edilir fakat hava basıncının kontrol edilmesi zor olmaktadır. Fan sistemi havayı dış ortamdan aldıktan sonra tekrar dış ortama egzos kısmından üfler. Rüzgar tünellerinde test odası merkez kabul edilir; fan akış yönüne göre merkezin başında ise üflemeli sonunda ise emmeli tip olarak adlandırılırlar.

Kapalı Devreli Rüzgar Tünelleri

Kapalı devreli rüzgar tünellerinde tünelin içerisinde döngüsel bir akış oluşturulur ve hava tekrar dışarı verilmez. Kontrollü ve enerji kaybı minimize edilecek şekilde tasarlanan tünellerde açık devreye kıyasla çok daha az enerjiyle yüksek hızlı rüzgarlar elde edilir. Enerji kaybının az olmasının sebebi; açık devreli tünellerde fanın havayı iterek hızlandırmak için harcadığı enerji sonucunda hızlandırılmış yani enerjilenmiş olan hava egzosdan atılarak o havanın sahip olduğu enerji atmosfere atılmış olurken, kapalı devrede hava döngüsel olduğundan enerjilenmiş havadaki enerji devamlı olarak aynı akışta yer alır. Kapalı devre dışarıdaki havadan izole olduğundan basıncı, sıcaklığı ve benzeri dış etkenleri kontrol etmek çok daha kolay olmaktadır.

Tünellerin tiplerinden bağımsız olmak üzere hepsinin sahip olduğu bir takım özellikler vardır. Normal şartlarda durağan veya durağan varsayılan havada dinamik halde olan araçlar olduğundan ve araçlar düzgün ilerlediğinden kaynaklı akışı oluştururken akışın olabildiğince doğrusal ve düzenli olması önemlidir. Akışın kalitesini arttırmak ve akışı oluştururken fanın akışta yarattığı karmaşıklıkları gidermek adına bazı işlemler gerçekleştirilir. Bazı dedektörlerle birlikte tünel içerisindeki hava hızı, basıncı, sıcaklığı ve gerekli olan akış durum verileri toplanır.

Tünelin içerisinde hareketli olan havanın test kısmının önünde bulunan kollektör kısmına geçişiyle birlikte sıkıştırılarak basıncı arttırılan hava bal peteğine benzetilen odacıklara dağıtılarak çizgisel akış haline gelir. Çizgisel akış haline geldikten sonra test odasına giren akış test edilmek istenen yapıya kavuşur ve sonucunda elde edilmek istenen verilere göre tasarlanmış sensörlerden veya görselleştirme tekniklerinden veriler toplanır. Birçok farklı akışı görselleştirme tekniği vardır ve türetilebilir.

Dumanla Görselleştirme Tekniği

Duman izleme olarak da bilinen dumanla görselleştirme tekniği en çok kullanılan yöntemdir. Akışın içine duman katılarak akışla birlikte hareket etmiş olur. Düşük hızlarda ve çok yüksek hassasiyet istemeyen analizlerde kullanılır. Dumanın ağırlığı genel akıştaki havadan farklı olduğundan hassas ölçüm yapılırken sorunlar çıkabilmektedir.

Hidrojen Kabarcığı Tekniği

Su ile akış oluşturulan tünellerde kullanılan yöntemde, suyun içerisine hidrojen baloncukları eklenir ve akışla birlikte hareket eden hidrojen baloncukları akışın akıbeti hakkında veri sunar.

Renkli Boya Tekniği

Renkli boya tekniğinde incelenmek istenen yapının belirlenmiş bölgelerine özel boyalar uygulanır. Rüzgar tünellerindeyken etkili olmayan yöntem su tünellerinde tercih edilir. Suyun akışıyla birlikte suya karışan boya suyun temas etmiş olduğu yüzeyin nasıl bir etki yarattığı hakkında veriler sunar. Renkli boya tekniğinde boya suya karışıp bir noktadan sonra ayırt edilmede problemler çıkaracağından kaynaklı uzun süreli testlerde kullanılmaz ve her testten sonra hem boyaların temizlenip tekrar uygulanması hemde suyun yenisi ile değiştirilmesi gerekmektedir.

Schlieren Fotoğrafçılığı Tekniği

Schlieren görselleştirme tekniği diğer tekniklere kıyasla daha eski ve karmaşık bir yöntemdir. Daha çok yüksek hızlı araçlardaki şok dalgalarını incelemek için kullanılan yöntemde profesyonel bir yorumlama yeteneği gerekmektedir. Schlieren fotoğrafçılığı başlı başına ayrı ve önemli bir konudur. En temel yaklaşımı; farklı koşullardaki (hız, basınç, sıcaklık, tür ve benzeri) akışkanın kırılma indislerinde yaşanan farktan yararlanarak görsel üretme tekniğidir.

Lazer Tabakası Tekniği

Lazer tabakası tekniğinde, akışa; tohum materyeli adı verilen toz parçacıkları eklenir. En iyi şekilde akışla neşrolması için özenle tohum materyeller tercih edilir ve parçacıkların akışla homojen olarak düzgün şekilde aktığı varsayılır. İzleme yapmak istenen noktalara lazer tabakaları tutularak oradaki hava akışının hangi şekilde aktığı tespit edilir. Son teknolojik gelişmelerle birlikte lazerler çok yüksek hızlı parçacıkların hızlarını tespit etmekte de kullanılmaktadır haliyle rüzgar tünellerinde de bölgesel havanın hızlarını tespit etmek için kullanılır. Yani kanadın belirli bir bölgesine çarpan havanın yaşadığı hız ve yön değişimi tespit edilebilir. Edilen verilerle de yüksek hassasiyetli fiziksel analizler yapılır. Hatta lazer ile hız tespit etme yöntemi en hassasiyetli yöntemdir çünkü diğer hız tespit yöntemlerinde ekstra bir sensör kullanılacağından o sensörün kendi varlığından kaynaklı akışta değişim yapması beklenir ve değişim ne kadar az etkili yapılmaya çalışılsa da birazdan ele alınacak yapay zeka için veri toplama testlerinde süreci zorlaştıran bir etmen olmaktadır.

Basınca Duyarlı Boya Tekniği

Yeni teknik olan ve kullanımı yaygın olmayan (muhtemelen 2024 itibariyle sadece NASA’da uygulanan) bir yöntem olan basınca duyarlı boya tekniği, özel bir boyanın (uPSP) incelenmek istenen yapıya uygulanıp yüksek çözünürlüklü ve hızlı kameralarla izlenerek renk değişimleri kaynaklı bölgesel basınç hesaplamaları yapmayı sağlar. Bugüne kadar bölgesel basınçlar ekstra sensörlerle ölçülmeye çalışılmıştır. Sensörler hassasiyet ve istikrar açısından zayıf kalmaktadır çünkü incelenmek istenen bölgeye noktasal olarak dağıtılması gerekir veya belirli bir yüzeye bağlanır buda gitgide araya ara materyaller koymaktan hassasiyet azalmaktadır. Özellikle yeni nesil yapay zeka algoritmaları için veri toplama tünellerinde, hassasiyet azalması verilerde ciddi problemlere yol açabilmektedir. Hassasiyet ve uygulama kolaylığı dolayısıyla yeni nesilde tünellerde yoğun kullanılması planlanmaktadır.

Günümüzde ve Yapay Zekayla Gelecekte Kullanımı

Rüzgar tünelleri ilk kullanımlarıyla birlikte teorik katsayıları bulma, öngörülmeyen etkileri saptama gibi bütüncül olmayan bölgesel analizlerde kullanılırdı. Tecrübe, profesyonellik ve sensör gelişimleriyle birlikte rüzgar tünelleriyle yapılabilecek testler ve elde edilebilecek veriler artmaya başladı. Simülasyon yöntemlerinde bilgisayar kullanımı arttınca rüzgar tünelleride bundan payını alarak; rüzgar tünelleri ilk çıktığında elde edilmek istenen bölgesel ve basit verileri; simülasyon uygulamaları rahatlıkla hesaplayabilmeye başladı. Yani basit bir analiz için artık rüzgar tünelinin yapacağı işi simülasyon programı yapabiliyor ve gerçeğe çok yakın sonuçlar alınabiliyor. Ancak test edilecek objeler arttıkça ve akışın ilişkisel durumu karmaşıklaştıkça bilgisayarların vermiş olduğu sonuçlar gerçekte yaşanacak sonuçlardan uzaklaşıyor veya bilgisayarın hesaplama becerilerinin çok üzerine çıkıyor. Bilgisayar ortamında yaşanan sapmaların en temel sebebi, bilgisayarların varsayımsal algoritmalar ile çalışıyor olması yani havayı gerçekte olduğu halde simüle etmiyor; onu bir takım kabuller ve modellemeler üzerinden simüle ediyor oluşudur. Hesaplama becerilerinin üzerine çıkma sebebi ise 1cm3 suyun içerisinde yaklaşık 33.000.000.000.000.000.000.000 tane atom bulunurken içerisine basit bir nanometrik metal parçası atıldığını simüle etmek isteyen bilgisayar tüm atomların birbirleriyle ilişkisel sonuçlarını hesap etmelidir elbette mümkün olmayan bu hesaplama yerine farklı varsayımsal yaklaşım tarzları benimsenir ancak gerçek sonuçtan uzaklaştırır. Normalde yüksek kalitede akışla dahi rüzgar tünellerimiz gerçeğe tam uygun sonuçları veremezken teorisel yaklaşımla çalışan algoritmalar gerçekten çok uzaktadır. Rüzgar tünelleri gerçek hayatta bulunan akıştaki verilerin filtrelenmiş hali olarak varsayılabilir. Çünkü gerçek hayatta ki hava yoğunluğu değişimleri gibi doğal düzensizlikler tünellerde görülmez, tünellerde akış nizamidir.

Özellikle sesüstü deneylerde bilgisayar simülasyonları gerçek verilerden çok büyük sapmalar yaşamaktadır. Ancak yapay zeka devreye girmiştir yeni araştırma-geliştirme aşamasında olan akışkan simülasyonlarında yapay zeka tabanlı çalışmalar yaparak uygulamalar neredeyse gerçeğe çok yakın sonuçlar vermektedir. Yapay zekalı simülasyonlarda temel yaklaşım o güne kadar olmuş uçuş verilerini ve ilgili yapının rüzgar tüneli sonuçlarını ve teorik yaklaşımları analiz edip ilişkisel bağlamlarını kurarak yeni testte vereceği verileri tasarlamaktadır. Lakin eskiden verilere ulaşmak için kullandığımız rüzgar tünelleri zamanla yapay zeka algoritmalarına yol gösterici veriler üretme makinelerine dönüşmektedir. Yaşanan gelişmeler rüzgar tünellerinin önemini azaltıyor diyen görüşler bulunsada, gerçeği yansıtmayan görüşlerdir. Asıl olan rüzgar tünellerinin işlevinin dönüşümüdür. Artık daha yüksek hassasiyetli sensörlere ve çok hassas derecede istenilen akışı oluşturacak tünellere ihtiyaç vardır. Çünkü hassasiyet miktarı ne kadar yüksek olursa yapay zeka verileri o hassasiyetle işleyip yeni veriler türetirken o denli doğru veri oluşturmaktadır.

Türkiye’de Kullanımı ve İhtiyaç Durumu

Türkiye’nin son dönemde ürettiği ve araştırma geliştirme yaptığı; kara, deniz ve özellikle hava araçlarının sayısı gitgide artmaktadır. Haliyle akış simülasyon sistemlerine ve akış sistemlerinde uzman kişilere olan ihtiyaç artmaktadır. Bilgisayar tabanlı simülasyon programlarının kullanımının yaygın olduğu Türkiye’de son zamanlarda yapay zeka çalışmalarıyla yapılan araştırmaların arttığını ve hatta artmak zorunda olduğunu gösteren adımlar atıldığı görülmektedir. Yapılan yeni tüneller ve araştırma-geliştirme çalışmaları artmasıyla beraberinde; yazıda değinildiği üzere artık tüneller sadece tünel olma vasıflarıyla değil; yapay zeka tabanlı algoritmalar, yüksek hassasiyetli sensörler ve kaliteli akış oluşturan yapılarıyla işlevsel hale gelmektedir.

Kaynaklar

Jiyuan Tu , Guan-Heng Yeoh , Chaoqun Liu (2020). Hesaplamalı akışkan dinamiği temelleri ve uygulamaları

Baals, D.D. Corliss, W.R. (1981). Wind Tunnels NASA. Nasa

Turner, M. J. (2001). Flight: A History. New York: Alfred A. Knopf.

McCormick, D. (1972). Aerodynamics, aeronautics, and avionics. Scientific American, 226(5), 84-93.

https://www.aerosociety.com/news/tunnel-vision/

https://airsciences.org.uk/FAST_Briefings_13_WindTunnels.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/Horatio_Frederick_Phillips

https://alchetron.com/Francis-Herbert-Wenham

https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/tunvlaser.html

https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/tunvschlrn.html

https://www.researchgate.net/publication/267296233_Flow_Visualisation_Techniques_in_Wind_Tunnels_Part_I_-_Non_optical_Methods

https://www.researchgate.net/publication/303784988_Hydrogen_Bubble_Flow_Visualization

https://www.researchgate.net/publication/360278350_Design_of_a_Low-Speed_Smoke_Visualization_Wind_Tunnel

https://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/tuncret.html

https://civilmint.com/wind-tunnel-types-working-concept-wind-tunnel-testing/#3_Supersonic_Wind_Tunnel

https://civilmint.com/wind-tunnel-types-working-concept-wind-tunnel-testing/#3_Supersonic_Wind_Tunnel

https://technology.nasa.gov/patent/TOP2-293