Numerical simulation of charring ablation coupled with computational fluid dynamics
Kömürleşerek aşınan yalıtım malzemelerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile eşzamanlı nümerik analizi
- Tez No: 552693
- Danışmanlar: PROF. DR. YUSUF ÖZYÖRÜK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 153
Özet
Kömürleşerek aşınan yalıtım malzemelerinin lüle yalıtımı olarak kullanılması katı yakıtlı roket motoru endüstrisinde oldukça yaygındır. Bunlar içerisinde, silika-fenolik malzeme sahip olduğu yüksek yalıtım kabiliyeti nedeniyle sıklıkla tercih edilmektedir. Silika-fenolik lüle yalıtımına sahip bir katı yakıtlı roket motorunun tasarım sürecinde, yüksek doğruluklu bir ısıl analiz ve katı yakıtlı roket motoru iç balistiği ile doğrudan ilgili olan lüle boğazı aşınmasına dair verinin mevcudiyeti önemlidir. Bunların elde edilmesine yönelik olarak bu çalışmada farklı doğruluk seviyelerine sahip iki adet hesaplama aracı geliştirilmiştir. Bunlardan ilki KAYMAK adında bir boyutlu bir analiz aracı olup, malzeme içerisinde meydana gelen kömürleşme reaksiyonlarını ve reaksiyon ürünü gazların etkilerini incelemekte, sahip olduğu basit iç balistik çözücüsünün kullanımı ile eş zamanlı olarak ısıl analiz ve aşınma analizi gerçekleştirme imkanı sağlamaktadır. Eriyerek aşınma için yüzey enerji korunumu, kömürleşme ve reaksiyon ürünü gazların malzeme içerisindeki etkisi ve akış alanına enjeksiyonunu tanımlayan denklemler basit bir iç balistik sınır koşulunu da içerek şekilde ticari analiz yazılımı FLUENT içerisine uygulanmış ve tamamen eş zamanlı eksenel simetrik bir analiz aracı elde edilmiştir. Reaksiyon ürünü gazların enjeksiyonunun değerlendirilmesine yönelik olarak kaynak terimlerin kullanıldığı yeni bir sınır koşulu uygulanmış ve analitik çözümler ile doğrulanmıştır. Aşınma kaynaklı şekil değişikliği içeren hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizlerinde görülen kararsızlık irdelenmiştir. Lüle ısıl analizlerinde kullanılan türbülans modelleri ve literatürde sıklıkla kullanılan Bartz ısı transferi korelasyonu karşılaştırılmıştır. KAYMAK literatürde yer alan veriler ile doğrulanmış, ve FLUENT uygulaması KAYMAK sonuçları ile teyit edilmiştir. Silika-fenolik lüle kartuşu içeren ufak bir katı yakıtlı roket motoru ile statik ateşleme gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçlar geliştirilen analiz yöntemleri ile karşılaştırılmıştır. Malzeme karakterizasyonuna dair yüksek seviyede belirsizliklerin mevcudiyetine karşın, yakın sonuçlar elde edilmiş ve tüm fiziksel unsurların analiz tarafından yakalanabildiği gösterilmiştir. FLUENT uygulaması ile analiz ortamında modellenen fiziksel unsurların daha basit bir yaklaşım içeren KAYMAK ile elde edilemediği gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Usage of charring ablators as nozzle liners is a common practice in the field of solid rocket motor industry. Among them, silica-phenolic is a commonly employed material due to its excellent insulation capability. During the design of a solid propellant rocket motor employing silica-phenolic as a nozzle liner, it is desired to have an accurate thermal analysis along with throat recession rate estimation, as the interior ballistics of a solid rocket motor is tightly coupled with throat diameter. This work presents two tools with different levels of fidelity to fulfill these requirements. A one-dimensional tool named as KAYMAK is developed to perform in-depth analysis involving decomposition reactions and pyrolysis gas effects. A built-in simple interior ballistics solver is also included in KAYMAK to serve as a rapid computational tool during earlier phases of design. The governing equations for melting ablation surface energy balance, in-depth charring and pyrolysis flow and injectionare implemented in commercial CFD solver FLUENT along with a boundary condition coupled to interior ballistics analysis to perform conjugate, transient analysis of charring ablation for axisymmetrical geometries. A new boundary condition for inclusion of blowing with source terms has been introduced and validated against analytical results, and shape-change instability found in coupled ablation simulations is studied. Turbulence models used in nozzle heat transfer analysis are examined and compared against commonly used Bartz correlation for nozzle heat transfer. Validation of KAYMAK is performed with available data found in literature, and FLUENT implementation is verified against results obtained with KAYMAK. A static firing has been conducted with a small scale motor employing a silica-phenolic nozzle insert and results are compared against interior ballistics coupled conjugate analysis performed with FLUENT implementation. Although a large uncertainty is present with the material characterization, promising results are obtained showing that all relevant physics are effectively captured, and it is illustrated that these effects cannot be captured with a lower fidelity analysis done with KAYMAK.
Benzer Tezler
- A diffraction limited Fabry-Perot cavity with a strongly focused mode
Başlık çevirisi yok
KADİR DURAK
Doktora
İngilizce
2014
Fizik ve Fizik MühendisliğiNational University of Singapore (NUS)Prof. CHRISTIAN KURTSIEFER
- Bariyer boşalmasındaki akım kararsızlıklarının deneysel ve nümerik analizi
Experimental and numerical analysis of current instabilites in barrier discharge
FEVZİ HANSU
Doktora
Türkçe
2012
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİnönü ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAFIZ ALİSOY
- Filtrasyon uygulamaları için yüksek performanslı bimodal filtre kumaşlarının üretilmesi ve karakterizasyonu
Production and characterization of high performance bimodal filter fabrics for filtration applications
MELİKE GÜNGÖR
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ KILIÇ
- Elektrikli taşıtlarda FBG algılayıcılar kullanılarak Li-Ion batarya sıcaklığının modellenmesi ve simülasyonu
Modeling and simulation of Li-Ion battery temperature using FBG sensors in electric vehicles
AYŞEGÜL AVCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBursa Uludağ ÜniversitesiHibrid ve Elektrikli Taşıtlar Anabilim Dalı
DR. ABDURRAHMAN GÜNDAY
- Elektrikli araç bataryalarının akıllı şebeke uygulamalarında alternatif enerji depolama sistemi olarak modellenmesi ve simülasyonu
Modeling and simulation of electric vehicle batteries as an alternative energy storage system in smart grid applications
BÜNYAMİN KUZU
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİnönü ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ TEOMAN KARADAĞ
DR. OZAN AKDAĞ