Investigation of missiles with strake fins and reduction of aerodynamic cross coupling effects by optimization
Çok küçük kanat açıklık oranına sahip sabit kanatlı füzelerin incelenmesi ve aerodinamik çarpraz etkileşim etkilerinin optimizasyon kullanılarak en aza indirilmesi
- Tez No: 416473
- Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL HAKKI TUNCER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Havacılık Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 108
Özet
Çok küçük kanat açıklık oranına sahip kanatçıklara sahip füzeleri mühendislik seviyesi yöntemlerle modellemek zordur. Çünkü akışın karmaşık yapısından dolayı doğrusal teoriler yeterli olmamaktadır. Çok küçük kanat açıklık oranına sahip kanat kenarlarında oluşan vorteksler ile devamında akış yönünde oluşan vortekslerin kontrol yüzeyleri üzerindeki etkisini modellemede hızlı tahmin yöntemleri yetersiz kalmaktadır. Çok küçük kanat açıklık oranına sahip füzeler için literatürde sınırlı sayıda HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) çalışmasının bulunduğu görülmüştür. Bu tezde çok küçük kanat açıklık oranına sahip jenerik bir denek taşı füze için süpersonik hızlarda farklı yuvarlanma açılarında HAD analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu analizlerde normal kuvvet ve basınç merkezi değerleri elde edilmiştir. CFD sonuçları Missile DATCOM ve White yönteminden elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılmış olup, çok küçük kanat açıklık oranına sahip problemlerde CFD metodunun uygulanabilir olduğu doğrulanmıştır Ayrıca statik marjini sabit bir aralıkta tutmaya çalışarak yunuslama momenti üzerinde yanal sapma açısından kaynaklanan çarpraz etkileşim etkilerini azaltmak için kanatçık geometrisi tasarımına yönelik CFD tabanlı optimizasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. Çok küçük kanat açıklık oranına sahip kanatçık tasarımında veter uzunluğu, kanat açıklığı ve gövde üzerinde hücum kenarı yerleşimi optimizasyon probleminin girdi geometrik parametrelerini oluşturmaktadır. Bu çalışmadaki grid oluşturmadan Hesaplamalı Akışkanlar çözümüne kadar olan süreç tamamen otomatik hale getirilmiştir. Kanatçık geometrisinin değiştirilerek performans parametrelerinin optimize edilmesi çalışmasında öncelikle gradyen tabanlı bir optimizasyon yöntemi denenmiş olup, ayrıca global çözüme ulaşmak için stokastik bir optimizasyon yöntemi de kullanılmıştır. Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO) yöntemi popülasyon tabanlı verimli bir stokastik optimizasyon yöntemi olup bu çalışma için uygun bulunmuştur. Gradyen tabanlı bir optimizasyon yöntemi olan hat arama ile dik iniş yöntemi de aynı problem için uygulanmıştır. PSO yöntemi sonunda kısa bir veter uzunluğu ile birlikte düşük bir kanat açıklığı elde edildiği görülmüştür. Ancak gradyen tabanlı optimizasyon sonucunda düşük kanat açıklığı yanında uzun bir veter uzunluğu elde edilmiştir. Aslında gradyen tabanlı çözüm, tuzak bir sonuçta takılı kalmıştır. Sonuç olarak, PSO çalışması sonunda statik marjin belirli bir aralıkta tutulurken yunuslama momenti üzerinde yanal sapma açısından kaynaklanan çarpraz etkileşim etkisi başlangıç noktasının üçte birine düşürülmüştür.
Özet (Çeviri)
Missiles with very low aspect ratio fins (also called strakes) are generally difficult to model by using engineering level aerodynamic methods and linear theories break due to complex nature of the flow adjacent to the mutual interference of the body and fin. Since fast prediction methods cannot accurately model vortex development along and downstream of very low aspect ratio fins, they have limited success for application to missiles with strake fins. Moreover, there is limited number of CFD studies for investigating aerodynamics of very low aspect ratio fins. In this thesis, a generic test model is selected and CFD analyses are performed to estimate the normal force and center of pressure of the strake unit with varying angle of attack at supersonic Mach numbers for two different roll orientations. The CFD results are compared with fast prediction methods (Missile DATCOM and White's method) and wind tunnel data. By the comparative validation study, CFD analyses are proven to be reliable and robust for application to missiles with very low aspect ratio fins. In addition, a limited goal CFD based optimization study to design strake planform geometry is performed for alleviating the cross coupling effect on the pitching moment from sideslip angle while keeping static margin in a constant range. The geometrical parameters varying during the optimization problem consist of the leading edge location, chord length and span length of the strake planform. Since the configuration is monotype consisting of a body with strake and tail, automatic meshing scheme is developed and the whole processes from grid generation to CFD solutions are fully automated. For optimization problem, firstly a gradient based method is tested and then a stochastic optimization method is employed to guarantee global optimization instead of finding local minimum. Particle Swarm Optimization Method (PSO) is selected as a suitable population based stochastic optimization method for this study. The gradient based optimization method namely the steepest descent with line search is also applied for the same problem to investigate the applicability of gradient based optimization methods. It was observed that at the end of the PSO iterations, a small chord, short span strake comes out. However, it was also observed that the gradient solution ends with a short span, long chord strake geometry. Apparently, the gradient based optimization method is trapped in the local minimum. By the PSO optimization study, the cross coupling on the pitching moment from sideslip is decreased to one third of the initial value from baseline to optimum configuration while static margin is kept in a particular range.
Benzer Tezler
- 1980-1990 yılları arasında meydana gelen jet motorlu ticari uçak olay ve kazalarının analizi
The Analysis of incidents and accidents of jet powered civil air transportation in the period of 1980-1990
TUNCİZ TANER
- Numerical investigation of aerodynamics of missileswith wrap-around tail fins
Sarmal kuyruk kanatçıklı füzelerin aerodinamiğininsayısal olarak incelenmesi
UĞURTAN DEMİRTAŞ
Doktora
İngilizce
2024
Havacılık ve Uzay MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NİLAY SEZER UZOL
- Bir füzenin dinamik karakterizasyonunda çok eksenli tahrik durumu için modal davranışın sayısal ve deneysel incelenmesi
Numerical and experimental investigation of modal behavior with multi-axis excitation in dynamic characterization of a missile
ÖZGÜRCAN YILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUNCAY KARAÇAY
- Experimental investigation of underexpanded transverse jet interaction with supersonic crossflow
Ses üstü akışa dik yöndeki az genişleyen jetin akışla olan etkileşiminin deneysel incelenmesi
UTKUN ERİNÇ MALKOÇOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURİYE LEMAN OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM
- Aerodinamik Isınmanın ve Isıl Koruma Sistemlerinin Aerodinamik Isınmaya Bağlı Termo-Kimyasal Aşınmasının İncelenmesi
Investigation of Aerodynamic Heating and Ablation of Thermal Protection Systems
BUĞRA ŞİMŞEK
Doktora
Türkçe
2019
Havacılık MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SITKI USLU