Stabilized finite element simulations of multispecies inviscid hypersonic flows in thermochemical nonequilibrium
Termokimyasal dengesizlikteki çok bileşenli viskozitesiz hipersonik akışların stabilize edilmiş sonlu eleman benzetimleri
- Tez No: 722149
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖMÜR UĞUR, PROF. DR. TAYFUN E. TEZDUYAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Havacılık Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Matematik, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering, Mathematics
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Uygulamalı Matematik Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Bilimsel Hesaplama Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 215
Özet
Hipersonik hızlarda hareket eden roketler, füzeler ve uzay araçları son yıllarda hem askeri hem de sivil havacılık amaçlarıyla kullanılmaktadırlar. Bu araçlar, ses hızının beş katı veya üzerindeki hızlarda hareket ederlerken, birçok şiddetli fiziksel ve kimyasal etkileşim tecrübe ederler. Bu tür yüksek hızlar, moleküler sürtünmeler nedeniyle çok yüksek sıcaklıklara, bu yüksek sıcaklıklar ise aracın içerisinde hareket ettiği gaz karışımının bileşenlerinin uyarılmasına neden olurlar. Bu durum, akış ortamında termokimyasal etkileşimlere neden olur ve aracın uçuş dinamiklerini etkiler. Hem uçuşun güvenliği hem de aracın doğru zamanda doğru hedefe ulaşabilmesi için bu etkileşimlerin hassas bir şekilde incelenmesi gerekmektedir. Rüzgar tüneli testleri hipersonik uçuşların yüksek sıcaklık ve şok etkileşimlerini oluşturmada hem yetersiz kalmaktadırlar hem de çok maliyetlidirler. Dahası, bu deneysel kurulumların tasarlanması, test edilmesi, ve nihayet deneysel verilerin elde edilmesi oldukça uzun zaman alabilmektedir. Bu nedenle, hipersonik araçların uçuş dinamiklerinin analizinde ve bu tür yüksek hızlara uygun araçların dizaynında hesaplamalı akışkanlar dinamiğinin (HAD) araçları büyük öneme sahiptirler. Standart ayrıklaştırma metotlarının, bu tür yüksek hızlı akışların simülasyonlarında sahte salınımlar ürettikleri için, stabilizasyon ve şok-yakalama teknikleri ile desteklenmeleri gerekmektedir. Bu tezde, termokimyasal dengesizlikteki hipersonik akışlar hesaplamalı olarak incelenmektedir. Bu amaçla, 5-bileşenli (O, N, NO, O2, N2) bir gaz karışımının bir silindir etrafındaki hipersonik akışı 17-reaksiyonlu bir kimyasal modelle ele alınmaktadır. Gaz partikülleri hipersonik rejimlerdeki yüksek sıcaklıklar nedeni ile farklı enerji modlarında bulunabilirler: çizgisel, dönüşsel, titreşimsel, ve elektron-elektronik. Denge durumuna ulaşmada benzer zaman ölçeklerine sahip olduklarından, çizgisel ve dönüşsel enerji modları aynı sıcaklıkla, titreşimsel ve elektron-elektronik enerji modları ise bir diğer sıcaklıkla ifade edilebilirler. Bu nedenle, iki sıcaklıklı bir kimyasal kinetik model benimsenmektedir. Hesaplamalarda, sonlu elemanlar formülasyonunu stabilize etmek için sıkıştırılabilir-akış Streamline-Upwind/Petrov–Galerkin metodu kullanılmaktadır. Stabilize edilmiş formülasyon, şoklarda daha iyi çözüm profilleri elde etme amacıyla, YZβ şok-yakalama tekniği ile desteklenmektedir. Uzay ve zaman ayrıklaştırmaları sonucu elde edilen doğrusal olmayan denklem sistemleri Newton–Raphson lineer olmayan yinelemeli çözüm metodu ve ILU yöntemi ile önkoşullandırılmış genelleştirilmiş minimal kalıntı (GMRES) arama tekniği kullanılarak çözülmektedir. Çözücü kodlar FEniCS ortamında geliştirilmektedir.
Özet (Çeviri)
For both military and civil aviation purposes, rockets, missiles, and spacecraft moving at hypersonic speeds are being utilized in recent years. While these vehicles move at speeds five times the speed of sound or more, they experience many extreme physical and chemical conditions during their flight. Because of molecular friction, such high velocities cause very high temperatures, and these high temperatures result in the excitation of the components of the gas mixture in which the vehicle moves. This situation causes various thermochemical interactions in the flow field and affects the dynamics of the flight. These interactions need to be examined accurately, for both the flight safety and the vehicle reaching the right target at the right time. Wind tunnel experiments are both costly and insufficient to regenerate the high temperatures and shock interactions of hypersonic flights. These wind tunnel setups can also take a long time to design, test, and finally obtain the experimental data with. Therefore, computational fluid dynamics (CFD) tools are essential in analyzing the flight dynamics of hypersonic vehicles and designing them for such high speeds. Classical discretization methods need to be supplemented with stabilization and shock-capturing techniques since they suffer from spurious oscillations in simulating such high-speed flows. In this thesis, hypersonic flows in thermochemical nonequilibrium are computationally studied. To this end, hypersonic flows of a five-species (O, N, NO, O2, N2) gas mixture around a cylinder are examined with a 17-reaction chemical model. The gas particles may be in different energy modes in hypersonic regimes due to the high temperatures: translational, rotational, vibrational, and electron-electronic. Since they have the similar time scales to reach equilibrium, the translational and rotational energy modes can be represented by one temperature, and the vibrational and electron-electronic energy modes by another. Therefore, a two-temperature chemical kinetic model is adopted. In the computations, the compressible-flow Streamline-Upwind/Petrov–Galerkin method is employed to stabilize the finite element formulation. The stabilized formulation is supplemented with the YZβ shock-capturing to obtain good solution profiles at shocks. The nonlinear system of equations resulting from the space and time discretizations is solved with the Newton–Raphson nonlinear iterative process and ILU-preconditioned generalized minimal residual (GMRES) iterative search technique. The solvers are developed in the FEniCS environment.
Benzer Tezler
- Kademeli termal bariyer kaplamanın bir dizel motorda yanma, performans ve egzoz emisyonlarına etkisi ve yanma odası elemanlarında oluşan termal ve basınç gerilme analizi
Effect of partitioned thermal barrier coating on performance and exhaust emissions i̇n a diesel engine and thermal and pressure stress analysis of combustion chamber elements
HÜSNA TOPKAYA
Doktora
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiBatman ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN AYDIN
- Posterior stabilizasyon yapılmış lomber omurga için özgün bir sonlu elemanlar modelinin geliştirilmesi ve stabilizasyon sonrası biyomekanik özelliklerinin incelenmesi
Development of a unique finite element model for the posterior stabilized lumbar spine and investigation of the biomechanic properties after stabilization
EMRE ŞENGÜL
Doktora
Türkçe
2021
BiyomühendislikTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TEYFİK DEMİR
- Modelling the shear streugth improvement at the interface lime-stabilized soil and concrete
Başlık çevirisi yok
BURAK BATUKAN
- Finite element analysis of plasticity-induced fatigue crack closure
Plastisite kaynaklı yorulma çatlağının kapanmasının sonlu elemanlar yöntemi ile analizi
MEHMET GÖKHAN GÖKÇEN
Doktora
İngilizce
2006
Makine MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. VAHAN KALENDEROĞLU