Aeroacoustic investigation of unsteady transonic cavity flow via open CFD source codes
Açık kaynak CFD kodu ile zamana bağlı transonik kavitenin aeroakustik analizi
- Tez No: 707907
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BAHA ZAFER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Mechanical Engineering, Aircraft Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 115
Özet
Kavite akışı araştırmaları özellikle savaş uçaklarındaki silah yuvası kullanımı için 1940'lardan beri sürmektedir. Akustik anolojinin Lighthill tarafından geliştirilmesiyle birlikte de kavite akışı üzerine aeroakustik çalışmalar da yapılmaya başlanmıştır. İlk önce askeri amaçlarla yapılan çalışmalar daha sonradan genişletilerek yolcuların konforu ve havaalanı yakınlarında bulunan insanları rahatsız edebilecek gürültüyü azaltmak amacıyla devam etmektedir. Zaman ilerledikçe bu konu hakkında yeni düzenlemeler yapılmakta ve izin verilen en yüksek desibel limiti giderek aşağı çekilmektedir. Bu şekilde özellikle büyük şehirlerde mevcut olan gürültü kirliliğinin önüne geçilmesi amaçlanmaktadır. Yapılan tez çalışması kapsamında incelenen kavite geometrisi yukarıda da ifade edildiği üzere savaş uçaklarının silah yuvalarında, savaş ve yolcu uçaklarının iniş takımlarında, otomobillerin kapı oyukları, açılır tavanları ve ön cam açıklıklarında görülebilmektedir. Bu akış tipleri akışkanlar mekaniği disiplini kapsamında içinde birden fazla olgu barındırdığından ve modellemesi görece basit olduğundan üzerinde yoğun çalışmaların bulunduğu temel bir problemi temsil etmektedir. Modern askeri savaş uçakları ve insansız savaş uçakları radar izini mümkün olduğunca düşürmek ve radara yakalanmadan operasyon yapabilmek amacıyla mühimmatlarını kanat üzerinde değil de gövde içerisine gömülü silah yuvalarında taşımaya meyillidir. Bomba ve füzeleri dâhili silah yuvalarında taşıyan savaş uçaklarının mühimmat bırakımı sırasında silah yuvasında meydana gelen akış olayları bombanın uçaktan güvenli ve doğru yörüngede ayrılmamasına sebep olabilip istenmeyen sonuçlar doğurabilmektedir. Bu sebeple silah yuvasında meydana gelen akış olaylarını anlayıp çözümlemek kritik öneme sahiptir. Ayrıca kanat üzerinde taşınan mühimmatlar savaş uçağının oluşturduğu toplam sürükleme kuvvetinin %30'una kadar olan kısmından sorumlu olabileceğini göz önüne aldığımızda mühimmatların gövde içinde depolanması radara yakalanma ihtimalini azaltmasının yanında sürükleme kuvvetinin de %30'lara varan oranda azaltılmasına olanak sağlamaktadır. Mühimmatları silah yuvasında depolamanın avantajlarının yanı sıra bir takım dezavantajları da bulunmaktadır. Bu dezavantajların en büyüklerinden bazıları yüksek basınç salınımları ve gürültüdür. Geometrik olarak basit görünüyor olmasına rağmen kavite akışları üzerindeki yüksek hız, basınç, yoğunluk gradyenleri, türbülans ve kararsızlık etkileri sebebiyle oldukça karmaşık bir yapıya sahiptir. Bu karmaşık yapı sebebiyle yukarıda sözü edilen dezavantajları bir sorun olmaktan çıkarmak için yoğun emek ve mesai harcamak gerekmektedir. Tez çalışması kapsamında okunan çalışmalar sonucunda kavite akışını etkileyen en önemli etmenin geri beslemeli salınımlar olduğu görülmüştür. Serbest akım ile yüzey arasında gelişen sınır tabaka kavite hücum kenarında yüzeyden ayrılarak kayma tabakasını oluşturmaktadır. Oluşan kayma tabakası kavite boyunca ilerleyerek kavite firar kenarına çarpmaktadır. Bu bölgede oluşan etkileşim esas akustik kaynak olarak kabul edilmektedir. Bu etkileşim sonucu oluşan akustik dalgaların kavite hücum kenarına doğru ilerleyerek hücum kenarı bölgesindeki sınır tabakanın ayrılma periyodunu değiştirecek etkide bulunduğu bilinmektedir. Akış ve aeroakustik alan arasındaki bu etkileşim önemli bir çalışma alanıdır. Bu tezin amacı, kavite akışı sebebiyle oluşan gürültünün ve kavite kapak açıklığının bu gürültüye etkisinin incelenmesi ve anlaşılmasıdır. Çalışma kapsamında L/D oranı 5 ve W/D oranı 1 olan literatürde M219 olarak adlandırılan üç boyutlu (3D) kavite kullanılmıştır ve analizler iki farklı ReL=10x106 ve ReL=13x106 ve =0.85 değerleri için yürütülmüştür. Transonik bölge içerisinde akışkanların hareketini tanımlamaya yarayan Navier-Stokes denklemleri hem parabolik hem hiperbolik davranış göstermek istemektedir. Bu sebeple de çalışmaların yoğunlaştığı bir bölge olarak öne çıkmaktadır. Yapılan analizler için DES ve LES türbülans modelleri kullanılmıştır. Burada L=0.508 metre ve D=W=0.1016 metredir. Analizler yaklaşık olarak 35 konvektif zaman skalası (CTS) için yürütülmüştür. Tüm analizlerde boyutsuz zaman adımı 10-3 kullanılmıştır. Böylece bir akışkan molekülünün kaviteyi boylu boyunca kat etmesi için gereken süre 1000 zaman adımına tekabül etmektedir. Kavite tabanında belirli konumlara yerleştirilen 10 adet algılayıcı üzerinden her zaman adımı için basınç değerleri okunup kaydedilmiştir. Okunan basınç değerleri ile güç spektral yoğunluğu (PSD), ses basınç düzeyi (SPL), ortalama ses basınç düzeyi (OASPL) hesaplanıp grafik üzerinde deneysel veri ile kıyaslanmıştır. SPL değerleri Rossiter formülü ile teorik olarak hesaplanan Rossiter modları ile kıyaslanmıştır ve uyum yakalanmıştır. PSD değerleri Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) ile hesaplanmıştır. LES ve DES türbülans modelleri kullanılarak yapılan analizlerden alınan OASPL ve SPL sonuçları hem sayısal olarak hem grafik davranışı olarak genellikle deneysel veri ile büyük oranda benzerlik göstermektedir. OASPL sonuçları ortalama 2~10 desibel (dB) arası daha yüksek tahmin edilmiştir. Deneysel veriye sayısal olarak yakınlık derecesi kullanılan başlangıç koşullarına göre farklılık göstermiştir fakat 3655 metre irtifa şartlarında yürütülen analizlerde diğerlerine göre daha iyi sonuçlar elde edilmiştir. SPL sonuçlarında ise 2. ve 3. Rossiter modları genellikle başarılı şekilde yakalanırken 1. ve 4. Rossiter modları bazı analizlerde başarılı yakalanırken bazılarında ise yakalanamamıştır. Kavite akışlarında karakteristik bir özellik olan arka duvarda oluşan yüksek basınç bölgesi basınç görüntülerinde ve kavite uzunluğu boyunca görülen konik biçimli kayma tabakası da girdap görüntülerinde açıkça görülmektedir. Ayrıca aeroakustik analizlerde kullanılan ağ yapısının açıklık oranının ve basınç ölçümü alınan bölgedeki boyutsuz duvar mesafesinin oldukça kritik bir öneme sahip olduğu anlaşılmıştır. Kavite akışında gürültü oluşumunu azaltmak veya kontrol etmek amacıyla pasif ve aktif kontrol metotları kullanılabilir. Pasif kontrol metotları gövde üzerinde geometrik değişiklikler yapmak suretiyle uygulanır iken aktif kontrol metotlarında harici bir enerji alış-verişi söz konudur. Pasif kontrol metotlarına örnek olarak kavite hücum ve/veya firar kenarına eğim vermek, kavitenin hücum ve/veya firar kenarı kısmındaki üst tabana spoiler yerleştirmek verilebilir. Aktif kontrol yöntemlerine ise kavitenin belli bölgelerine jet akışı eklemek örnek olarak gösterilebilir. Kayma tabakası – firar kenarı etkileşimi esas akustik kaynak olarak öne çıktığı için literatürde bu etkileşimi azaltan konfigürasyonların gürültüyü önleme konusunda daha başarılı olduğu görülmektedir. Bu tez kapsamında kavite kapakları pasif kontrol sınıfına girmektedir. Bu çalışmanın teslim edildiği anda kapaklı hal için güzel bir sonuç elde edilememiş olsa da teslim esnasında bile devam eden analizler sonucunda iyi bir sonuç elde edilmesi umulmaktadır. Tez çalışması C++ tabanlı, Linux üzerinden çalışan açık kaynak kodlu hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) aracı olan OpenFOAM kullanılarak yapılmıştır. Hesaplamalar TUSAŞ-İTÜ HPC CLUSTER bilgisayarında yürütülmüştür.
Özet (Çeviri)
Cavity flow research has been ongoing since the 1940s, especially for weapon bay use in fighter aircraft. With the development of acoustic analogy by Lighthill, aeroacoustic studies have also embarked on cavity flow. The studies which were firstly done for military purposes have expanded intending to reduce the aerodynamically generated noise that may disturb the comfort of the passengers and the inhabitants near the airport. As time progresses, new regulations are made on this subject and the maximum decibel limit is gradually being lowered. Hence, it is aimed to prevent noise pollution, especially in big cities. As stated above, the cavity geometry examined within the scope of the thesis can be seen in the weapon bay of warplanes, the landing gear of warplanes and passenger planes, the door cavities, sunroofs and windshield openings of automobiles. Since these flow types contain more than one phenomenon in terms of fluid mechanics discipline and their modeling is relatively effortless, they represent a fundamental problem on which intensive studies have been carried out. Modern military warplanes and unmanned warplanes tend to carry their ammunition in weapon bay embedded in the fuselage, rather than wing, to reduce the radar cross-section as much as possible and to operate without being detected by the radar systems. Flow events that occur in the weapon bay during the ammunition separation of warplanes that carry bombs and missiles in their internal weapon bay may cause the bomb not to leave the aircraft in a safe and correct trajectory, resulting in undesirable consequences and hence it is of crucial importance to understand and analyze them. Although it looks geometrically simple, cavity flows have indeed complex structures due to the effects of high velocity, pressure, density gradients, turbulence, and instability. As a result of the studies that have been read within the range of the thesis study, it was seen that the most important factor affecting the cavity flow is feedback oscillations. The shear layer is formed when the boundary layer that forms between the free stream and the surface is split from the surface at the cavity's front edge. The resultant shear layer travels along the bay, eventually colliding with the aft wall at the cavity's rear edge. The interaction occurring in this region is accepted as the main acoustic source. The acoustic waves created as a result of this interaction are known to flow towards the cavity's leading-edge, altering the boundary layer's separation period in that location. The interaction between flow-field and the aeroacoustic field is an crucial area of study. This thesis aims to examine and understand the noise caused by cavity flow and the influence of cavity door opening on pressure distribution. Within the scope of the study, a three-dimensional (3D) cavity called M219 in the literature with a L/D ratio of 5 and a W/D ratio of 1 was used, while all analyses were carried out for ReL=10x106 and ReL=13x106 and =0.85. The equations that characterize the motion of fluids called Navier-Stokes Equations want to show both parabolic and hyperbolic characteristics in the transonic region and thus it outshines as a field in which studies are intensified. Detached Eddy Simulation (DES) and Large Eddy Simulation (LES) turbulence models were used throughout the analysis. L is defined as 0.508 meters while D is 0.1016 meters. L represents the cavity length while D represents the cavity depth. Additionally, The International Standard Metric Conditions for air were used. Calculations were executed for approximately 35 convective time scale (CTS). A non-dimensional time step of 10-3 was employed for all calculations and thus it takes 1000 time steps to travel a particle along the cavity length. Pressure values were read and recorded for each time step from 10 probes placed at certain points on the cavity floor. The overall average sound pressure level (OASPL) and power spectral density (PSD) was calculated with the pressure values read and computed sound pressure level (SPL). PSD values were calculated by using Fast Fourier Transform (FFT). The comparison showed that both LES and DES results were in reasonable agreement with experimental results. Passive and active control methods can be used to reduce or control noise generation in cavity flow. Whereas passive control methods are applied by making geometric changes on the body, the energy exchange is applied in active control methods. As the shear layer – trailing edge interaction outshines as the main acoustic source, it has been seen in the literature that configurations that drop this interaction are more successful in preventing noise. Within the scope of this thesis, cavity doors are investigated as a passive control mechanism. In this thesis, OpenFOAM (Open-source Field Operation and Manipulation), an open-source computational fluid dynamics (CFD) tool based on C++ and running on Linux, was used for all calculations. Analyses were conducted on the Faculty of Aeronautics and Astronautics TAI-ITU High-Performance Cluster.
Benzer Tezler
- Numerical aeroacoustics investigation of the effect of axial gap length between the rotor and stator of a transonic compressor stage
Transonik kompresörlerdeki rotor ve stator arası eksenel boşluk mesafesinin akustik etkisinin incelemesi
BORA YAZGAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERKAN AYDER
- Use of detached eddy simulation for aerodynamics and aeroacoustics of blade sections
Kanat kesitlerinin aerodinamik ve aeroakustik incelenmesinde ayrık çevrinti benzetimi
KENAN CENGİZ
Doktora
İngilizce
2018
Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YUSUF ÖZYÖRÜK
- Scale-resolved and stochastic approaches for noise prediction in duct singularities
Başlık çevirisi yok
UĞUR KARBAN
- Development of an open-source numerical model for the simulation of flow induced acoustic waves
Akım kaynaklı ses dalgaları simülasyonları için bir açık kaynak nümerik modelin geliştirilmesi
ARAS DOĞAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
İnşaat MühendisliğiEskişehir Osmangazi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ENDER DEMİREL
- Kanat profilleri izler kenarına çentik uygulamasının akış gürültüsüne olan etkisinin hesaplamalı olarak incelenmesi
Investigation of airfoil self noise with trailing edge serrations using computational methods
ÇAĞRI AYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. UĞUR ORAL ÜNAL