Aerodynamics of cross-flow with side jets
Yan jetli çapraz akışkanın aerodinamiği
- Tez No: 75159
- Danışmanlar: DOÇ. DR. İ. BEDİ ÖZDEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 1998
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 91
Özet
ÖZET YAN JETLİ ÇAPRAZ AKIŞLARIN AERODİNAMİĞİ Bu çalışmada güdümlü ve yan güdümlü roketlerin havadaki manevra kaabiliyetini arttırmak amacıyla son zamanlarda geliştirilmeye çalışılan yan jet mekanisması aerodinamik açıdan incelenmiştir. Ayrıca bu amaç için yüksek performanslı bir sesaltı rüzgar tüneli inşaa edilmiş olup, bu rüzgar tünelinin tasarım ve imalat detaylanda verilmiştir. Bazı roket atışı uygulamalımda, örneğin antitank gibi omuzdan atılan roketlerde, roketi fırlatan kişinin korunması amacıyla yavaş hızlarda çıkmalıdır. Bazı uygulamalarda ise roket yüksek manevra kabiliyetine ve çok düşük cevap süresine sahip olunması istenir. Dolayısıyla, -güdümlü roketlerin kontrol sistemleri düşük dinamik basınçlarda, yani düşük hız ve/veya düşük hava yoğunluğu durumlarında bile yüksek hızlı manevra kaabiliyetlerine sahip olmak zorundadırlar. Bilinen aerodinamik kontrol sistemleri kanatlar vasıtasıyla çalışmaktadırlar. Kanatların dönmesi sonucunda indüklenen dinamik basınç sayesinde kanatlar üzerinde bir kaldırma özelliği oluşmakta, bu ise bir moment oluşturmakta, bu moment ise rokete bir hücum açısı vermek suretiyle yön değiştirme sağlanmaktadır. Bu sistem uygulamada kolay olmakla birlikte bazı sınırlamaları mevcuttur. Bu sınırlamaların başında az öncede açıklandığı gibi kumanda zamanıyla roketin rejime oturma zamanı arasındaki farkın büyük olması gelir. Bu gecikme hem aerodinamik sönüm momentinden hemde roketin atalet momentinden de kaynaklanır. Doğal olarak roketin cevap hızlılığı uçuş yüksekliğine de bağlıdır. Çünkü yükseklikle birlikte havanın yoğunluğu da düşer sonuç olarak kanatlara indüklenen dinamik basınçta düşer. Dinamik basıncı oluşturan diğer parametre ise hız etkisidir. Düşük hızlı uçuşlarda kanatlara indüklenen dinamik basınç aynı şekilde azalır. Bu nedenlerden dolayı son zamanlarda roketlerin yanlarına küçük jetler yerleştirilerek gerektiğinde bu jetler injekte edilerek bu jetten dolayı ani bir kuvvet indüklemesi oluşmaktadır. Bu kuvvet uçuş yüksekliğinden ve uçuş hızından bağımsız olduğundan yön değiştirme çok hızlı bir şekilde sağlanmakta ve manevra kaabiliyeti artmaktadır. Bununla birlikte bu jet enjekte edildiğinde, bu jetin roket yüzeyinden akan havayla etkileşimi sözkonusu olmakta ve problem büyük ölçüde; bir jetin kendi eksenine göre dik akan bir akışa enjekte edilmesi sonucu ortaya çıkan akış problemi haline dönüşmektedir. Bu olay sonucunda ortaya çıkan yapıya literatürde yan jetin çapraz akış ile olan ilişkisi adını alır (jet in crossflow). XIIBir jet çapraz akışa enjekte edildiğinde çok karmaşık bir akış alanı ortaya çıkmakta, bu akış alanı çok yüksek türbülans karakteristiklerine sahip olmakta ve dolayısıyla bu akışın simülasyonu çok zor bir hal almaktadır. Türbülans hareketi matematiksel olarak tam simüle edilemez. Çünkü akışı karekterize eden denklem takımı nonlinees bir takım ve bilinmeyen sayısı kadar denklem sayısı kurulamamaktadır. Dolayısıyla bu olayın deneysel olarak incelenmesi lazım olmaktadır. Jetin çapraz akışla oluşturduğu akış alanı üç boyutlu vortex hareketlerine sahip olup çok karmaşık bir durumdur. Jetin çıkış bölgesi yakınlarında ve çıkışından itibaren aşağı bölgelerde akış alanı tamamen değişik olmakta dolayısıyla buradaki bazı akış parametreleri (basınç, hız, sürtünme katsayısı, v.b.) jetsiz duruma göre farklı olmaktadır. Ayrıca bu akış parametrelerinin jetin aşağı bölgelerinde türbülans değerleri çok yüksek olmaktadır. Dolayısıyla bir roketin yöndeğiştirilmesi amacıyla yan jete başvurulduğunda indüklenen kuvvet sadece jetin hemen çıkışındaki akış parametrelerine bağlı olmayıp, bunun sonucunda ortaya akış alanındaki değişikliklerle birlikte çok yönlü bir inceleme gerektirmektedir. Bu konuda bugüne kadar birçok araştırmacı birçok araştırma yapmış ve önemli sonuçlar bulmuşlardır. Ancak jetin yakın bölgelerindeki akış alanı tamamen tatmin edici bir şekilde çözülememiştir. Bununla beraber temel olarak çapraz akışgan jete çarptığında akışın ayrılmasından doğan türbülanslı bölge (wake region) ve jetin çapraz akış tarafından bükülmesi sonucunda oluşan kayma tabakası (shear layer) mekanizmalarının olayı yönettiği bilinmektedir. Yan jet olayını roket aerodinamiği üzerinde ele alacak olursak ve bunun sonucunda oluşan yön değiştirmenin nasıl gerçekleştiğine bakarsak şu sonuçlar ortaya çıkar. Yan jetin enjekte edilmesiyle oluşan ikincil kuvvetler temelde iki ana bölümden oluşur. Bunlardan birincisi momentum değişiminden oluşan kuvvetler, diğeri ise değişen aerodinamik özelliklerinin değişiminden oluşan kuvvetlerdir. Bu iki mekanizmada kendi aralarında bölümlere ayrılırlar. Momentum değişiminden oluşan kuvvetlerin iki kaynağı vardır. Bunlardan birincisi jetin kendisinin vermiş olduğu momentumdan doğan kuvvet; bu kuvvet tamamen jetin çıkışındaki parametrelere bağlı olup saptanması oldukça basittir. Bu kuvvetin yönü roket yüzeyine diktir. Momentum değişiminden doğan diğer kuvvet mekaniznası ise akış doğrultusundaki ortalama hız profillerinin değişiminden dolayı oluşan kuvvettir. Bu kuvvetin yönü ise roketin uçuş doğrultusundadır. Yan jetin enjekt edilmesi sonucunda oluşan diğer kuvvet mekanizmaları ise bu enjekte sonucunda roketin aerodinamik parametrelerinde oluşan kuvvetlerdir. Bu kuvvet basınç kuvveti ve sürtünme kuvvetidir. Yan jet etki ettiğinde akışın ayrılması sonucunda roket yüzeyindeki bu özelliklerin değişeceği açıktır. Birincisi değişen hız profillerinden dolayı sürtünme etkisinin jet çıkmayan diğer taraftakine göre farklı olması ve bu nedenle bir kuvvet farklılığından dolayı hem bir moment oluşturan XIIIkuvvet çifti hemde bu iki kuvvetin farklı olmasından dolayı bir net kuvvet oluşmasıdır. Bu net kuvvetin doğrultusu roketin uçuş doğrultusu olmakla beraber yönü roketin uçuş yönünün aynısı veya tersi yönünde oluşabilir. Aerodinamik değişiklikten dolayı oluşan diğer kuvvet mekanisması ise roket yüzeyinde oluşan basınç dağılımının jetin çıkmadığı taraftakine göre farklı olması dolayısıyla oluşan bir kuvvettir. Bu basınç dağılımındaki kuvvetin* doğrultusu roket yüzeyine dik olup yönü deneylerde saptanmıştır. Bütün bu kuvvetlerin toplanması sonucunda oluşan bileşke kuvvet ve bunun doğrultusu, yönü, uygulama noktası roketin yön değiştirmesinde etkili olmaktadır. Bunun uygulama noktasının önemi büyüktür. Çünkü bu uygulama noktasının roketin ağırlık merkezine olan mesafesi önemlidir. Genelde bu noktanın roketin ağırlık merkeziyle tam olarak çakışması istenir. Bunun sebebi ise bu durumda kuvvet roketin tam ağırlık merkezine uygulandığından bir dönme etkisi oluşturmaz roketin hücum açısı alıp yüzeye dinamik basınç indüklemesi olup ve bunun sonucunda kaldırma etkisi gibi tüm bu etkileri devre dışı bırakıp, rokete öteleme hareketi yaptırıp istediği yörüngeye oturtup yöndeğiştirme sağlanmış olur. Sonuç olarak yan jetin roket yüzeyine etkileri sonucu ikincil kuvvet mekanizmaları oluşmakta, bu kuvvet mekanizmalarından önemli biri; jetin çıktığı taraftaki yüzey statik basınç dağılımının diğer, jetin çıkmadığı, taraftaki yüzey statik basınç dağılımından farklı olması ve bu basınç farklılığı nedeniyle bir kuvvet meydana gelmektedir. Bu kuvvetin büyüklüğü, yönü ve uygulama noktası ve oluşan akış alanı nedeniyle oluşan instabilite ve türbülans özellikleri bir parametreye bağlı olmaktadır. Bu parametre birim alandaki jetin taşıdığı momentumla çapraz akışın taşıdığı momentumun oranıdır. Jetten çıkan havayla çapraz akışın havası aynı olduğu hesab edilirse yoğunluk etkisi kalkacağından bu oran jetin hızının çapraz akışın hızına oranı halini alır. Bu çalışmanın amacı yan jetin çapraz akışla yaptığı etkileşimi incelemektir. Bu incelemede basınç ölçümlerine dayandırılmıştır. Bu amaçla rüzgar tünelinde bu akış alanı simüle edilmiş ve jetin çıkışından itibaren jetin alt kısımlarında önce Pitot tübüyle ölçümler alınmış ve ortalama dinamik basınç profilleri çıkarılmıştır. Bu ölçümler akış alanının etkili olduğu bölgeleri ve bu etkinin niteliği bakımından bir fikir vermiştir. Ardından bu bölgede jetin çıktığı duvar yüzeyinde statik basınç ölçümleri alınmıştır bu statik basınç değerlerinin zaman içinde ortalama ve türbülans karakteristikleri sunulmuştur. Bu ölçümler üç hız oranı için (R=l, 2, 2.63) gerçekleştirilmiş ve bu oranın ortalama ve türbülans karakteristiklerine etkisi incelenmiştir. Bu incelemeler için seçilen çapraz akış hızı 36.8 m/s dir. Jetin çıktığı duvar yüzeyine 180 delik açılmış ve bir ölçüm ızgarası oluşturulmuştur. Bu ölçüm ızgarası jetin çıkışına yakın bölgelerde daha sık açılmıştır. Ölçümler çok yüksek cevap hızı özelliğine sahip bir basınç transdüseri ile alınmış bu transdüserin XIValdığı datalar bir data toplama ünitesinde toplanmış ve bilgisayar yardımıyla statik basınçların ortalama ve türbülans kartekteristikleri ortaya çıkarılmıştır. Herbir ölçüm noktasında ölçüm yapılırken bozucu etki yapmaması için diğer tüm delikler kapatılmıştır. Herbir ölçüm noktasındaki zamana bağlı basınç sinyalinden o noktadaki ortalama, türbülans değerleriyle otokorelasyon fonksiyonları çıkarılmış ve bu otokorelasyon değerlerinden faydalanarak akıştaki vortex yapılarının büyüklükleri çıkarılmaya çalışılmıştır. Her nokta için elde edilen bu değerlerin yüzeyleri ortaya çıkarılmıştır. Çizilen bu yüzeylerden yapılan incelemeler sonucunda önemli bulgular elde edilmiştir. Bu sözü edilen değerlerin hepsi hız oranına bağlı olup bu oranın artmasıyla türbülans ve jetin alt bölgesinde oluşan emme etkisi arttığı gözlenmiştir. Bu sonuçtan anlaşılacağı üzere yan jet sonucu jetin bulunduğu tarafta bir negatif basınç bölgesi oluşmakta bunun oluşturduğu kuvvet ise jetin verdiği itmenin tersi yönündedir. Roket uygulamaları için yan jetin çok avantajlı olmasının yanında bazı bozucu etkileride söz konusu olmaktadır. Jetin arkasında oluşan yüksek türbülanslı bölge roketin 'stabilitesinde olumsuz etkiler ortaya çıkarmaktadır. Ayrıca oluşan bu türbülanslı bölge (wake region) roketin yön değiştirme esnasında sözkonusu yüzeye etkiyen kaldırma etkisi (lift) azalmakta çünkü o yüzeyde dinamik basıncın yükleneceği alan azalmaktadır. Bu çalışma yan jet sonucu oluşan değişiklikler hakkında bir önyargı oluşturmakla beraber tam olarak oluşan kuvvet mekanizmalarını açıklamamaktadır. Olay sadece basınç dağılımı açısından incelenmiş olmakla beraber oluşan yapılar hakkında önemli bulgular elde edilmişin Statik basınç ölçümlerinden elde edilen sonuçlara göre türbülans seviyesi ve negatif basınç bölgesinden dolayı oluşan vakum bölgesi jetin aşağı kısmında hemen azalır. Jetin aşağısından itibaren uzak kesimlerinde temelde gözlenen etki bazı vortex hareketlerinin oluşmasıdır. Otokorelasyon fonksiyonlarından elde edilen bu vortekslerin büyüklükleri daha fazla hız oranlan için daha büyük olmaktadır. Bununla birlikte bu büyüklüklerin değerlerinin yüzeylerinin gösterdiği dağılım ortalama ve türbülans değerlerinin dağılımına nazaran oldukça düzgünsüzlük göstermektedir. Daha düşük hız oranlan için bu vortekslerin büyüklükleri daha az olmakla birlikte daha düzgünsüzlük göstermektedir. Bununla beraber düşük hız oranlan için ortalama statik basınç yüzeyi jetin aşağı kısımlarında daha dalgalı olup yüksek hız oranlarında daha düzgün bir özellik gösterir. Bunun nedeni daha yüksek hız oranlarında jet çapraz akışa daha fazla penetre eder ve bunun sonucunda duvardaki etkileri daha az olur. Böylece jetin aşağı kısımlarında daha düzgün bir dağılım elde edilir. Hız oranının düşük olduğu durumda ise çapraz akışın jeti duvara yapıştırmaya olan meyili daha fazla olduğundan dolayı instabilite jetin aşağı kısımlarındada devam eder. Böylece daha dalgalı bir statik basınç yüzeyi elde edilir. Pitot basınç ölçümlerinden ise ortalama hız profilleri elde edilmiş ve yüksek hız oranlan için hem hız gradyenlerinin daha fazla olduğu görülmüş, hemde ters akış bölgesinin duvardan daha yukarı bölgelerde oluştuğu gözlenmiştir. Bu hız XVgradyenlerinin fazla olmasından dolayı oluşan vortisite etkisinden dolayı daha büyük hız oranlarında daha fazla türbülans etkisi görülmektedir. Roketlerde yan jet uygulamasının çok avantajlı olmasının yanında yukarıda açıklanan etkilerden dolayı dezavantajlarıda ortaya çıkmaktadır. Bu etkilerden dolayı roket üzerine instabil akış oluşmakta bu ise bozucu etki olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu çalışma bu etkileri gösterme açısından bir niteliksel ölçüt sağlamaktadır. Hız oranının daha fazla olması durumunda daha fazla instabilite ve daha fazla negatif basınç oluşturmasının yanında oluşturduğu kuvvet daha fazla olmaktadır. Bu durumda bir optimizasyon sözkonusu olmaktadır. Yapılan bu çalışma çok karmaşık olan yan jet olayının anlaşılması açısından bir giriş mahiyeti oluşturmakta aynı zamanda bir niteliksel görüş sağlamaktadır. Oluşan ikincil kuvvetin hız oranına bağlı matematiksel fonksiyonunun tam olarak belirlenmesi için daha çok hız oranlarında ve sürtünme etkilerimde göz önüne alınarak yapılmalı. Fakat bu çalışmanın verdiği fikir oluşan kuvvetin negatif basınç nedeniyle itme kuvvetine tersi yönünde olması ve bu negatif bölgenin artan hız oranına göre artmasıdır. Diğer bir önemli bulgu ise artan hız oranına bağlı olarak türbülans karekteristiklerinin ve ortaya çıkan vorteks yapılarının büyük olmasıdır. XVI
Özet (Çeviri)
SUMMARY This study covers design and construction of a subsonic open circuit wind tunnel to execute the missile aerodynamic tests, and an experimental investigation of jets in crossflow to examine the possibility of side jets being used in missile maneuvering. Aerodynamic aspects of the subsonic boundary layers and modifications with jets emanating from circular outlets were studied. The emphasis is placed on pressure distribution on the wall and changes and mean dynamic pressure measurements in the streamwise to obtain a better understanding of the entrainment mechanism close to the jet. Pressure measurements were obtained with pressure transducer for three jet to crossflow velocity ratios of R=l, 2, 2.63. The effects of this ratio on the flow behaviour and pressure distribution over the flat plate were discussed in detail. The induced changes by the jet on the freestream were investigated. An introduction and literature survey on side jet in crossflow is given. An investigation of forces resulted from side jet, is explained. Design and construction details of an open circuit wind tunnel is given and measurement details is explained. The study ends with the results of experiments on the side jet in crossflow. XI
Benzer Tezler
- Unsteady interactions of side-jet injected in an aerodynamic flow over a forebody
Öngövde üzerindeki aerodinamik akışa püskürtülen yan jetin daimi olmayan etkileşimleri
AYDIN HAMAMCIOĞLU
- Effect of wing heating on flow structure of low swept delta wing
Kanat ısıtmasının düşük ok açılı delta kanat üzerindeki akış yapısına etkisi
GİZEM ŞENCAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET METİN YAVUZ
DOÇ. DR. ALMILA GÜVENÇ YAZICIOĞLU
- The ground effect on the vortical flow formation and the aerodynamic characteristics of slender and double delta wings
Yerin narin ve duble delta kanat üzerinde oluşan girdaplı akış yapısına ve aerodinamik karakteristiğine etkisi
MEHMET OĞUZ TAŞCI
Doktora
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BEŞİR ŞAHİN
- Uçakların girdap kafes yöntemiyle aerodinamik analizi
Aerodynamic analysis of aircrafts by vortex lattice method
EMRE ŞAHİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MAHMUT ADİL YÜKSELEN
- Gemilerin manevra denklemlerinin bilgisayarla çözümü
The Solutions of equations of ship manoeuvres by the computer
EMİN KORKUT