Experimental investigation of underexpanded transverse jet interaction with supersonic crossflow
Ses üstü akışa dik yöndeki az genişleyen jetin akışla olan etkileşiminin deneysel incelenmesi
- Tez No: 732995
- Danışmanlar: PROF. DR. NURİYE LEMAN OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 121
Özet
Akışa dik yönde verilen jetin akışla olan etkileşimi aerodinamiğin en çok bilinen ve calışılan akış olayları arasında yer almaktadır. Bu tür akışa doğada ve hatta günlük yaşamda bile rastlamak mümkündür; rüzgarlı bir havada bacadan cıkan duman tipik bir örnek olarak gosterilebilir. Her ne kadar gözlenen akış yapıları değişiklik gösterse de, bu etkileşim hem ses altı hem de ses üstü akışlarda araştırma konusudur. Havacılık-uzay disiplinine bakıldığında ise bu özel akış olayı yüksek hız uygulamalarında öne cıkmaktadır. Bu minvalde yapılan calışmaların çok büyük bir kısmı; modern havacılık-uzay sistemleri icin önemli role sahip olan ses üstü füzelerin kontrol yuzeyi kullanmaksızın yanal itki manevrası ve supersonik yanmalı ramjet motorlarının yanma odasında yakıt karışımının sağlanması icin yakıtın etkin enjeksiyonu olmak uzere iki ana alandan meydana gelmektedir. Özellikle ses üstü hızlarda seyreden fuzelerde kontrol yüzeylerine verilen çok küçük miktarlardaki açılar dahi akış alanında karmaşık akış yapılarına sebebiyet verebilmekte ve dolayısıyla kontrol yüzeyinden beklenen etkin manevra kabiliyetinin sağlanması her zaman mümkün olamayabilmektedir. Konvansiyonel manevra yüzeylerine kıyasla tepki sürelerinin çok daha kısa olması nedeniyle füze yüzeyinden akışa jet üfleme sureti ile yanal kontrol avantajlı bir çözüm olarak one cıkmaktadır. Öte yandan, süpersonik ramjet motorlarının yanma odasında hava ve yakıtın mümkün olan en yuksek duzeyde karışması, motorun performansı icin büyük önem arz etmektedir. Jetin akışa verilmesinden otürü oluşabilecek akış yapıları ve bu yapıların kararlılığı, jetin akışa karışması ve nüfuzu surecinde kilit role sahiptir. Ayrıca jetin akım altında oluşturacağı yapılardan dolayı oluşacak basınç değişimleri, yanı sıra bu değişimlerin miktarının neden olacağı momentum kaybının en alt duzeye indirilmesi gibi unsurlar değerlendirilmelidir. Jetin ses üstü hızdaki akışla oluşturduğu etkileşimin anlaşılması yeni nesil rekabetçi ses üstü hava-uzay çözümlerinin üretilmesine katkıda bulunacaktır. Ses üstü akışa dik yönde üflenen jetin akışla oluşturduğu etkileşim sonucu jetin akım üstü ve akım altı kısımlarında çeşitli akış bölgeleri meydana gelmektedir. Bu bölgelerden en belirgini jet çıkışının belli bir mesafe ötesinde meydana gelen ve jetten akım altı yönde uzaklaştıkça yarı eliptik bir şekil alan yay şokudur. Zira, akışın dinamik basıncına oranla yüksek bir basınca sahip jet tıpkı bir katı yüzey gibi davranmakta ve jet çıkış şekline göre akışın etrafından akmasına sebep olmaktadır. Bu tür jetlerin büyük çoğunluğu dairesel çıkış kesitine sahip olduğundan süpersonik akışa karşı bir silindir görevi görerek jetin akım üstünde bir yay şokunun oluşmasına yol açmaktadır. Jet, çıkış yüzeyinden uzaklaştıkca akışla karışmasından ötürü çıkıştaki momentumunu giderek kaybetmektedir. Akışın dinamik basıncı jete kıyasla giderek daha etkin bir hale geldiğinden, jetin akışa olan nüfuzu ve ona karşı oluşturduğu direncin azalmasıyla birlikte yay şoku jet çıkış yüzeyine doğru eğilmektedir. Yay şokunun, jet çıkış yüzeyinin yakınlarında normal şoka benzer davranış sergilediği ve buna bağlı olarak akışa zıt yönde bir yüksek basınç farkına sebep olarak akışın ayrılmasına neden olduğu gözlenmiştir. Dolayısıyla da, akım ayrılmasından ötürü yay şokunun önünde bir resirkülasyon ve daha da önemlisi bir atnalı girdap bölgesi oluşmaktadır. Bunun haricinde, jet sahip olduğu momentumla birlikte kendine ait bir yörünge takip etmektedir. Önceki cümlelerde belirtildiği üzere jetin sahip olduğu basınç, yüzeyin yakınında akışın basıncından daha büyük olduğundan ötürü ilk başlarda genişleme sonucu hızlanmakta; devamında ise varil şoku olarak tabir edilen başka bir şok dalgasıyla çevrelenerek sıkışmaya maruz kalmaktadır. Varil şokundan bir yansıma şoku meydana getirmekte ve bu şok da yüzeye çarpmaktadır. Devamında ise jetin hızlanması, Mach diski olarak tanımlanan ve jet akışına dik yönde başka bir şok dalgasıyla son bulmakta ve jet, seyrine ses hızının altında devam etmektedir. Mach diskinin akım altı yönünde ise girdap yapıları ön plana çıkmaktadır. Bunların en karakteristik olanı birbirine zıt yönde dönen girdap çiftidir. Bu girdap cifti jet çıkışından uzaklaştıkça daha da büyümekte ve akım yönünde ilerledikçe yüzeye doğru bastırılmaktadır. Jetin çıkış yüzeyi üzerinde oluşturduğu aktivitelere bakıldığında ise V şeklini andıran bir ayrılma bölgesinin varlığı göze çarpmaktadır. Bu ayrılma bölgesinden jetin akım yönündeki merkez hattına doğru yeniden yapışma bölgesi oluşmaktadır. Akım yönünde ilerlendiğinde ise V şekilli ayrılma bölgesi sona ermekte ve ardından yansıma şokları gözlenmektedir. Jetin süpersonik akışla etkileşimi sonucu oluşan yapılar bu şekilde özetlenebilir. Geçmiş çalışmaların çoğunluğunda iki boyutlu akış şartlarını elde etmek için jet, çıkış çapına mukayese edildiğinde çok büyük açıklığa sahip düz yüzeylerden akış alanına verilmektedir. Üç boyutlu akış şartlarında, füze geometrilerine benzerlik sağlamak amacıyla yarı/tam dönel cisim kullanımı da çokça kullanılan bir diğer tercih olarak ortaya çıkmaktadır. Benzerlerinden farklı olarak bu çalışmada jet ses üstü akış alanına, yarım kama ile başlayan hücum kenarına sahip ve oldukça düşük açıklığa sahip bir düz levhadan enjekte edilmiştir. Böylelikle, deney kümesindeki her bir akış koşulu için üc boyutlu akışta jetin akım altı ve akım üstü bölgelerindeki etkileşim bölgelerindeki etkisinin de incelenebilmesi mümkün hale gelmiştir. Tez kapsamındaki deneyler, İTÜ Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesi bünyesindeki Trisonik Araştırma Laboratuvarı'nda yer alan üflemeli tip 15 cm x 15 cm Trisonik Rüzgar Tüneli'nde gerçekleştirilmiştir. Deneylerde ses üstü akışın Mach sayısı yaklaşık 2.6 olarak sabit tutulurken; jet basınç oranı, jet çıkış çapı, jetin akış boyunca olan konumu, tekil ve ardışık dizilmiş ikili jet konfigürasyonu gibi parametreler değiştirilmiştir. Akış alanı, pratik kullanımı ve yoğunluk değişimlerine olan hassasiyeti nedeniyle yüksek hızlı kamera kullanılarak schlieren tekniği ile görüntülenmiştir. Schlieren görüntüleme tekniği ile elde edilen görüntüler, açıklık eksenindeki yüzey etkinliklerini de dahil etmek için farklı bir kamera ile çekilmiş yüzey yağ akım görüntüleri ile eşleştirilmiştir. Ham gorüntüler dijital ortamda öncelikle gürültülü piksellerden temizlenmiş ve göruntülerdeki bir piksel başına aynı fiziki uzunluğun tekabül etmesi için ölçeklendirilerek işlenmiştir. Ardından; yay şoku, jet üst kenarı, ayrılma bölgesi ile birlikte jet çıkışının bitişiğindeki akım altı bölge gibi öne çıkan bölgeler işlenmiş görüntülerden elde edilmiştir. Nihai olarak da ortak ölçeğe sahip schlieren ve yağ akım görüntüleri birbirine dik olarak birleştirilmiş; böylelikle akış eksenine dik doğrultuya sahip açıklık ve yükseklik eksenleri boyunca değişimler de birbiriyle bağdaştırılmıştır. İşlenmiş schlieren görüntülerine bakıldığında, jet toplam basıncının akışın statik basıncına bölünmesiyle elde edilen jet basınç oranının artırılması ile jetin nüfuz miktarı ve yüksekliğinin de arttığı gözlenmiştir. İlaveten düşük yoğunluk bölgesinin de genişlediği, dolayısıyla bu bölgeyi çevreleyen varil şokunun da büyüdüğü görülmüştür. Yağ akım görüntüleri incelendiğinde ise yay şokunun neden olduğu birincil ayrılma ve atnalı girdap bölgeleri net bir şekilde elde edilmiştir. Bunun yanı sıra jetin akım altı bölgesinde yüzeydeki ayrılma bölgesinin genişlediği keşfedilmiştir.
Özet (Çeviri)
Transverse jet interaction with crossflow is one of the most canonical and studied flow phenomena in fluid dynamics. It is possible come across to this kind of flow even in nature and daily life; smoke blowing out of the chimney in windy weather could be given as a typical example. Despite different flow structures observed, this interaction is matter of interest in both subsonic and supersonic crossflows. As regards to aerospace discipline, this particular flow event becomes prominent in high-speed applications. Two main research area comprises most of the studies in this context; lateral thrust vectoring without any control surface of supersonic missiles and effective injection for fuel mixing in combustion chamber of supersonic combustion ramjets which have key role in modern aerospace systems. Even minor changes in incidence angles of supersonic missile control surfaces could lead to complex flow structures and prevent effective maneuverability. Lateral control with jets injected to supersonic crossflow becomes advantageous on account of much less response time in comparison with conventional control surfaces. On the other hand, maxiumum mixing of fuel with flow in combustion chamber is a must for scramjet engines. Flow structures, their stability and penetration to flow domain is very crucial. Furthermore, pressure gradients; thus, momentum losses and their minimization in the downstram region of the jet should be evaluated. Realization of jet interaction with supersonic crossflow will contribute to competitive new-generation aerospace solutions. As a result of interaction, various zones occur in both upstream and downstream regions of the jet. The most distinct one is the bow shock which occurs at a certain upstream distance from the jet exit. High-pressure jet behaves just like an obstacle against the crossflow and forces it to go around. Since jet mixing evolves with increasing distance from the surface, its dominance and resistance against crossflow diminishes. As a result, bow shock is bent towards the surface. Bow shock induces flow separation with adverse pressure gradient. Therefore; a recirculation zone, and more importantly, a horseshoe vortex is observed. On the other hand, jet accelerates by expansion in the vicinity of injection surface. Then, it is surrounded by a barrel shock, which defines compression. As a result, supersonic nature of the jet concludes with a Mach disk which is normal to trajectory of the jet. In downstream of the Mach disk, vortical events take place. The most characteristic one is a counter-rotating vortex pair which enlarges as distance to jet exit increases. When surface activities are inspected, a V-shaped separation zone draws attention. When moved to streamwise symmetry axis of the jet, reattachment occurs. In streamwise direction, this zone terminates and then, reflection shocks appear. Briefly, flow structures as a result of jet interaction with supersonic crossflow are summarized as such. In the vast majority of previous studies, jet is injected to crossflow domain from a flat surface whose span is much grater in comparison with jet exit diameter for two-dimensional treatment of interaction. Another popular choice is half/full body of revolution to simulate missile geometries in three-dimensional flows. In this study, differing from other counterparts, jet is injected to supersonic crossflow from a flat plate with half-chord wedge leading edge and very low aspect ratio. In this way, effect of three-dimensionality on both upstream and downstream interaction regions is included for each flow condition in the experiment set. Within the scope of the thesis, an experiment set is performed at 15 cm x 15 cm TrisonicWind Tunnel located in ITU FAA Trisonic Research Laboratory. Experiments have approximate crossflow Mach number of 2.6 with altered paremeters; i.e. jet exit diameter, streamwise jet location, single jet and double jets in tandem configuration. Flowfield is visualized using schlieren technique via a high-speed camera due to practical usage and sensitivity to density gradients which is encountered typically in this kind of flows. Schlieren images are coupled with surface oil flow images recorded from another camera to include third dimension with surface activities. Raw images are first processed in digital environment by noisy pixel cleaning and resized to have same physical dimensions. Then, salient flow features such as bow shock, jet upper edge, immediate downstream region of jet exit with separation region etc. are extracted from processed images. Finaly, schlieren and oil flow images are merged perpendicularly and flow phenomena in different planes are linked to each other. When processed schlieren images are addressed, it is understood that increased jet pressure ratio leads to enhanced jet penetration. Besides, barrel shocks seems to expand. Regarding oil flow images, primary separation due to bow shock and horseshoe vortex are clearly observable. Moreover, separation region downstream of jet exit is found to become larger as the jet injection diameter is increased.
Benzer Tezler
- Supersonic jet-wall interactions in model rocket launchers
Model roket fırlatıcılarında ses üstü jet-duvar etkileşimi
METİN UÇAK
Yüksek Lisans
İngilizce
1998
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İ. BEDRİ ÖZDEMİR
- Çapraz akış içerisinde sıcak jet akışının sayısal ve deneysel incelenmesi
Numerical and experimental investigation of hot jets in jet in cross-flow
MUSTAFA KEMAL SEVİNDİR
Doktora
Türkçe
2007
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN ALPAY HEPERKAN
PROF. DR. METE DEMİRİZ
- Experimental investigation of pull-out resistance of uniaxial geogrids
Tek yönlü geogridlerin sıyrılma dayanımının deneysel olarak araştırılması
OZAN DADAŞBİLGE
Yüksek Lisans
İngilizce
1999
İnşaat MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖKHAN BAYKAL
- Güneş enerjili sıcak su sistemlerinin çalışma karakteristiklerinin deneysel araştırılması
Experimental investigation of the operation characteristics for solar hot water system
AYŞEN İLHAN
- Dolaşımlı akışkan yatağın hidrodinamik, yanma ve emisyon özelliklerinin deneysel incelenmesi
Experimental investigation of the hydrodynamic combustion and emission properties of a circulating fluidized bed
HÜSEYİN TOPAL
Doktora
Türkçe
1999
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ DURMAZ