Geri Dön

Development of a nonlinear sonic boom propagation code

Doğrusal olmayan sonik patlama yazılımı geliştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 861585
  2. Yazar: YUSUF DEMİROĞLU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MELİKE NİKBAY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 114

Özet

Ses-üstü sivil hava taşımacılığı uzay ve havacılık alanında hala önemini korumaktadır. Seyahat süresini neredeyse yarıya indiren ses-üstü sivil hava taşımacılığı 1960lı yıllara kadar uzanmaktadır. Concorde isimli uçak sesten 2 kat hızlı uçmak üzere tasarlanmış ve ilk uçuşunu 1969 yılında yapmıştır. 20 yıldan fazla hizmette kalan Concorde uçağı 2003 yılında servisten çıkarılmıştır. O tarihten günümüze kadar ise ses-üstü taşımacılık çalışmaları tasarım aşamasında devam etmektedir. Concorde uçağının hizmetten çıkarılmasının temel nedeni operasyon maliyetlerinin çok yüksek olmasıydı. Ses-üstü uçuşun doğası gereği uçuş hızı arttıkça operasyon maliyeti de o oranda artmaktadır. Bu nedenle araştırmacılar daha verimli tasarımlar bulma yoluna gittiler. Yıllar içinde hesaplama gücünün de artması ile, modern sayısal hesaplama yöntemleri kullanarak bütün uçak geometrileri için tasarım optimizasyonu çalışmaları başladı. Bu optimizasyon çalışmalarında optimizasyon algoritmasını hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yazılımlarına bağlayarak aerodinamik olarak en verimli uçak geometrisinin bulunması amaçlanmaktadır. Ses-üstü hızlarda uçan uçakların etrafında oluşan şok dalgaları atmosfer boyunca ilerleyerek yere kadar ulaşır. Bu ilerleme esnasında her bir şok dalgasının yerel olarak ses hızını değiştirmesinden dolayı uçak etrafında oluşan bir çok şok dalgası önde ve arkadan olmak üzere birleşerek güçlü 2 dalga halini alır. Bu dalga yapısı N-dalgası olarak isimlendirilmektedir ve yere ulaştığında yüksek seviyede bir gürültüye neden olmaktadır. Genellikle bu gürültü seviyesi 100 desibelin üzerindedir. Bu nedenle ses-üstü uçuş dünyanın bir çok yerinde yerleşim yerleri üzerinde yasaklanmıştır. Sonik patlama etkenini de göz önünde bulundurunca sivil ses-üstü ulaşım için yapılan optimizasyon çalışmalarına sonik patlamanın da dahil edilmesi gerektiği görülmektedir. Geçmiş yıllarda sonik patlamayı düşürmek için bazı yöntemler geliştirilmiş ve sonik patlama minimizasyonu olarak isimlendirilmiştir. Bu yöntemler temel olarak doğrusallaştırılmış akış denklemleri üzerine kurulmuştur. Ancak bilgisayar teknolojisindeki ilerlemeler ile hesaplama gücümüz artmış ve araştırmacılar 2000'li yıllardan itibaren HAD analizlerini sonik patlama optimizasyonlarında kullanmaya başlamıştır. Çok-disiplinli optimizasyon olarak adlandırılan bu optimizasyon çalışmalarında hem HAD analiz aracı hem de sonik patlama yazılımı çağırılarak sonik patlama seviyesinin düşürülmesi hedeflenmiştir. Bu bağlamda, yerdeki sonik patlama seviyesini doğru bir şekilde hesaplayan bir sonik patlama yazılımının öneminin arttığı görülmektedir. Sonik patlama hesaplamaları 1950'li yıllara kadar uzanmaktadır. Bu alandaki ilk çalışma Gerald B. Whitham tarafından 1952 yılında yayınlanmıştır. Bu çalışmada temel olarak ses-üstü hızlarda bir akışkan içerisine yerleştirilen bir cismin akış içerisinde oluşturduğu bozuntunun uzak mesafelere etkisini incelemiştir. Daha önceki çalışmalarda kullanılan doğrusallaştırılmış sıkıştırılabilir akış denklemlerini modifiye ederek kullanmıştır. Whitham'ın geliştirdiği bu yöntem Whitham F-fonksiyonu olarak adlandırılmış ve 2000'li yıllara kadar sonik patlama tahmininde kullanılmıştır. Whitham'ın geliştirdiği yöntem her ne kadar sadece eksenel simetrik cisimler için uygulanıyor olsa da daha sonraki yıllarda bu yöntem herhangi bir uçak geometrisi için eşdeğer alan dağılımı kullanılarak genişletilmiştir. Karmaşık bir geometri üzerinden hesaplanan eşdeğer alan dağılımı o geometriye denk gelen eksenel bir cismi ifade etmektedir. Whitham'ın geliştirdiği bu yöntem değişmeyen atmosfer ortamı için geçerli olsa da, daha sonraki yıllarda tabakalı atmosfer yapısını hesaba katacak şekilde uygulamaları yapılmıştır. Ancak bu yöntem doğrusal teori üzerine kurulduğu için doğrusal olmayan etkileri hesaba katmamaktadır. Sonik patlama dalgaları sonlu büyüklüğe sahip küresel yayılan ses dalgaları olarak düşünülebilir. Bu ses dalgaları atmosfer ortamı içerisinde ilerlerken kısa mesafelerde ihmal edilebilecek bazı etkiler uzun mesafelerde önem kazanmaktadır. Dolayısıyla yerdeki sonik patlama gürültüsünü doğru tahmin edebilmek için bu etkilerin de hesaba katılması gerekmektedir. Bu nedenle bu alanda devam eden çalışmalarda, sonik patlama dalgalarının atmosfer içinde ilerlemesi, sonlu büyüklüğe sahip ses dalgalarının yayılmasının termo-viskoz zayıflama ve moleküler gevşeme gibi doğrusal olmayan etkilerin de hesaba katılması ile modellenmiştir. Bu yönteme dayanan ve en yaygın olarak kullanılan sonik patlama yazılımı NASA Langley Araştırma Merkezi tarafından geliştirilen sBOOM yazılımıdır. Bu yazılım geometrik akustik yöntemlerini kullanarak bir ışın tüpü çözüm alanı oluşturup daha sonra bu çözüm alanı içerisinde dalga denklemini çözmektedir. 2011 yılında yayınlanan bu çalışmadan sonra bir çok sonik patlama çalışmasında bu yazılım kullanılmıştır. Ancak bu yazılım açık kaynak değildir ve kullanılabilmesi için özel izinle talep edilmesi gerekmektedir. Ayrıca sBOOM yazılımının uluslararası kullanıcılara dağıtımında kabiliyetleri sınırlı olan 1.sürümünün lisansı verilmektedir. Bu çalışmada ITUBOOM olarak isimlendirilen bir sonik patlama yazılımı geliştirilmiştir. Bu yazılım hem doğrusal teoriye dayanan Whitham F-fonksiyonu yöntemini hem de doğrusal olmayan etkilerin hesaba katıldığı birleştirilmiş Burger denklemlerinin çözümünü içermektedir. Python programlama dilinde geliştirilen bu yazılım diğer sonik patlama yazılımlarından farklı olarak direkt bir HAD analizi çıktısını kullanarak yakın alan basınç izi üretebilmektedir. Daha sonra bu yakın alan basınç izini kullanarak atmosfer içerinde dalga ilerlemesi çözümü yapmaktadır. Bu aşamada standart atmosfer profilleri kullanılsa da kullanıcı herhangi bir atmosfer profilini girdi olarak yazılıma verebilmektedir. Yerdeki basınç izi hesaplandıktan sonra bu basınç izi kullanılarak gürültü seviyesi hesaplanmaktadır. ITUBOOM içerisinde yakın alan basınç izi hesaplama aşamasında 3 farklı seçenek kullanılabilmektedir; doğrudan bir sinyal girilmesi, uçak yüzeyi üzerinden basınç izi hesabı ve akış alanı içerisinden basınç dağılımının çıkartılması. Kullanıcının hali hazırda bir yakın alan basınç sinyalini kullanması durumunda bu yazılıma direkt olarak girilebilmektedir. Ancak bir çok çalışmada bu yakın alan basınç sinyalinin HAD analizi çıktısından ve panel yöntemi gibi düşük doğruluklu yöntemlerle hesaplanan çıktılardan elde edilmesi gerekmektedir. Bu bağlamda kullanıcının sadece uçak yüzeyini kullanarak yakın alan basınç dağılımı kullanması durumunda ITUBOOM dilimleme yöntemi kullanarak uçağın ekseni boyunca eşdeğer alan dağılımı hesaplayıp, daha sonra bu eşdeğer alan dağılımını basınç sinyaline çevirmektedir. Mach sayısı ve azimut açısına bağlı olarak bu dilimlerin oryantasyonu belirlenmektedir. Daha sonra her bir dilim düzleminin uçağın yüzeyi ile olan kesişimi eğrisi hesaplanıp, bu eğri boyunca 2 farklı çizgi integrali işlemi yapılmaktadır. Birinci integral ile kesişim eğrisinin oluşturduğu kapalı alan hesaplanmaktadır. İkinci integral işleminde ise bu eğri boyunca basınç, yüzey normalleri ve hücre alanı kullanılarak bu eğri üzerindeki toplam taşıma kuvveti hesaplanmaktadır. Uçağın boylamsal ekseni boyunca elde edilen bu iki alan dağılımı hacim katkısı ve taşıma katkısı olarak isimlendirilir ve toplanarak bütün eşdeğer alan dağılımı elde edilir. HAD analizinden bütün akış alanı çıktısı verilmesi durumunda ise ITUBOOM için gerekli olan girdi direkt olarak akış alanı içerisinden hesaplanabilmektedir. Bu bağlamda ITUBOOM sonik patlama optimizasyon çalışmalarında genel algoritmaya entegrasyonu konusunda diğer yazılımlara kıyasla kolaylık sağlamaktadır. Yakın alan basınç izi sağlandıktan sonra uçuş koşulları ve atmosfer profilleri yazılıma girilerek sonik patlama analizi başlatılmaktadır. Tabakalı atmosfer irtifaya bağlı olarak tanımlanmış 4 adet profil ile tanımlanabilir; sıcaklık profili, basınç profili, bağıl nem profili, ve yatay rüzgar profili. Bağıl nem profili özellikle moleküler gevşeme ile direkt olarak bağlantılıdır ve farklı bağıl nem profillerinin sonik patlama gürültüsüne etkisinin oldukça önemli olduğu literatürdeki çalışmalarda gösterilmiştir. Kullanılan yöntemden kaynaklı olarak sadece yatay rüzgar hesaba katılmaktadır. Bu aşamada yazılım ilk önce 4 adet ışının gideceği yolun uçuş irtifasından yere kadar olan koordinatlarını hesaplamaktadır. Atmosferin homojen özelliklere sahip olması durumunda bu ışınların geometrisi birer doğru parçası olacaktır. Ancak tabakalı atmosfer durumunda bu ışınlar kırınıma uğrayarak yere yaklaştıkça yer düzlemi ile yaptıkları açı azalmaktadır. Bu 4 ışın birbirinden farklı azimut açıları ve zaman adımları ile ayrılmaktadır. 4 ışının arasında kalan hesaplanarak ışın tüpü alanı olarak isimlendirilir ve dalga ilerlemesi boyunca dalganın toplam enerjisinin hesaplamasında kullanılır. Bu prensip Blokhintzev değişmezi olarak isimlendirilmektedir. Işın tüplerinin alanları ve yörüngesi hesaplandıktan sonra birleştirilmiş Burger denklemi uçaktan yere kadar ışın koordinat ekseninde çözülmektedir. Sayısal çözüm için operatör ayırma yöntemi olarak isimlendirilen bir yöntem kullanılmıştır. Bu yöntemde diferansiyel denklem içerisinde bulunan her bir terim ayrı ayrı çözülerek sonuçlar toplanmaktadır. Denklem içerisinde doğrusal olmayan terim olarak isimlendirilen terim Poisson çözümü ile, termo-viskoz azalma ve moleküler gevşeme terimleri ise Crank-Nicolson yöntemi ile çözülmektedir. Yazılım içerisinde adım boyutu çözüm esnasında dinamik olarak kontrol edilmektedir. Sayısal çözüm için basınç sinyalinin belli bir sayının üzerinde örneklenmesi gerekmektedir. 10000 noktadan oluşan bir sinyalin çözüm doğruluğu açısından yeterli olduğu görülmüştür. ITUBOOM yazılımı geliştirildikten sonra NASA'nın sBOOM yazılımı ile doğrulama çalışması yapılmıştır. Farklı uçak geometrileri, uçuş koşulları ve atmosfer profilleri kullanılarak yapılan kıyaslama çalışmalarında ITUBOOM yazılımının oldukça yakın sonuçlar verdiği görülmektedir. Bu bağlamda ITUBOOM yazılımının ses-üstü uçak tasarımı çalışmalarında kullanılabileceği görülmüştür.

Özet (Çeviri)

Civil supersonic flight is still one of the most challenging research topics in the aerospace industry. Since Concorde's last flight in 2003, researchers tried to find efficient solutions to make supersonic flights more affordable and reliable. Meanwhile, with the advance of computational power, computational fluid dynamics (CFD) has been implemented in advanced optimization studies involved in elevating supersonic aircraft design processes with given operational criteria and requirements. However, reducing the cost of a supersonic flight by increasing aerodynamic efficiency is not the only concern in civil supersonic transport. The second most important factor for a supersonic aircraft is the noise produced on land due to the shock waves that propagate through the atmosphere to the ground. This phenomenon is called sonic boom which is addressed in this thesis study. A sonic boom generated by a supersonic aircraft can cause very loud noise on the ground that may exceed 100 decibels. This loudness value is not acceptable due to its effects on people's daily life. Therefore, to enable civil supersonic flight over land, sonic boom loudness must be eliminated or reduced below a certain level. This effort is called sonic boom minimization and there are several methodologies that are provided in this study. Lots of studies for sonic boom minimization utilize optimization algorithms that call sonic boom prediction tools along with the CFD solvers. Therefore, to reduce sonic boom loudness, a sonic boom propagation code that accurately predicts sonic boom loudness is essential for the multidisciplinary design optimization of civil supersonic aircraft. In this regard, a new nonlinear sonic boom prediction code, named ITUBOOM, is developed in-house to be incorporated into our design optimization studies to achieve a low-boom aircraft geometry. ITUBOOM is developed in Python programming language for ease of implementation for design studies. A sonic boom calculation process can be broken down into three main steps; a near-field solution with CFD to generate an initial acoustic signal, atmospheric propagation with acoustics methods, and loudness calculation. Unlike other sonic boom codes, ITUBOOM can also be used to generate a near-field pressure directly from CFD outputs by surface slicing or in-flow signature extraction. Then, it can be used to perform atmospheric propagation by taking into account nonlinear effects such as molecular relaxation and thermoviscous attenuation. Results of ITUBOOM are validated against NASA Langley Research Center's well-known sBOOM code for different conditions on benchmark problems and presented in this thesis in detail.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    355998

    Yapılı çevre üretmeninde eleştirel pozisyon alış olarak süreleşme

    Becoming processual as a means for a critical positioning in the production of the built environment

    MAYA TÜRKMEN NUMAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞE ŞENTÜRER

  2. Tez No

    237640

    Flight simulation and control of a helicopter

    Helikopter uçuş simulasyonu ve kontrolü

    GÜLSÜM HİLAL ERÇİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2008

    Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. İLKAY YAVRUCUK

    PROF. DR. OZAN TEKİNALP

  3. Tez No

    600847

    Hava durumu tahmini için veri madenciliği tabanlı bir model geliştirilmesi

    Development of a data mining based model for weather forecasting

    YUNUS EMRE CEBECİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞULE ÖĞÜDÜCÜ

  4. Tez No

    812314

    A comparative study of nonlinear model predictive control and reinforcement learning for path tracking

    Yol izleme için doğrusal olmayan model öngörülü kontrol ve pekiştirmeli öğrenmenin karşılaştırmalı çalışması

    GAMZE TÜRKMEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OVSANNA SETA ESTRADA

  5. Tez No

    39180

    Equalization identification of volterra type of nonlinear channels using multichannel adaptive lattice algoritms

    Çok kanallı uyarlamalı kafes algoritmaları kullanarak volterra biçiminde doğrusal olmayan kanalların denkleştirilmesi ve özdeşlenmesi

    SONES ÖZGÜNEL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    1993

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. ERDAL PANAYIRCI

Geri Dön