Geri Dön

Investigation and improvement of supersonic intake flow characteristics using boundary layer control techniques

Süpersonik bir hava alığındaki akış yapılarının incelenmesi ve sınır tabaka kontrol teknikleri kullanılarak iyileştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 895326
  2. Yazar: FERHAT ÇETİN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. BAYRAM ÇELİK
  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: 203

Özet

Bu çalışmada süpersonik bir hava alığının incelenmesi amaçlanmıştır. Şok-sınır tabaka etkileşimleri, süpersonik hava alığı tasarımı yaparken dikkate alınması gereken önemli bir faktördür. Hava tahliye (bleed) sistemleri, ters basınç gradyanları nedeniyle oluşan akım ayrılmalarını önlemek için kullanılır. Bu durum alıkların stabilitesini ve verimliliğini artırmaktadır. Bununla birlikte, hava tahliye sisteminin süpersonik alığın performansı üzerindeki etkisinin belirlenmesi oldukça karmaşık bir problemdir. İlk olarak bu tür sistemlerin etkilerini incelemek amacıyla konuyla ilgili bir literatür çalışması yapılmış ve hava tahliye mekanizmalarının tasarımı ve etkisi incelenmiştir. Toplam basınç geri kazanım değerlerinin, tahliye sistemleri kullanılarak önemli miktarda artırılabildiği görülmektedir. Bu amaçlarla akışı kontrol etmek ve performans kaybını önlemek amacıyla bir tahliye sistemi tasarlanmıştır. Tahliye sistemi için tasarım parametreleri, tahliye giriş alanı, tahliye çıkış alanı ve tahliye duvar açılarının analizini kapsamakta ve bunların genel performans üzerindeki etkilerini içermektedir. Tahliye sistemi, sınır tabaka kontrolü, toplam basınç kurtarmasının düzenlenmesi ve akış ayrışmasının önlenmesi gibi önemli amaçlara hizmet etmektedir. Süpersonik emmenin verimli ve güvenilir bir şekilde çalışabilmesi için tahliye sisteminin uygun bir şekilde tasarlanması ve optimize edilmesi önem arz etmektedir. Tahliye giriş alanı, tahliye çıkış alanı ve tahliye duvar açıları parametrik bir analiz aracılığıyla sistemli olarak değiştirilmektedir. Bu analiz, tahliye sisteminin performansının bu parametrelere duyarlılığını sağlamak ve en uygun tasarım yapılandırmalarını belirlemek amacını taşımaktadır. Toplam basınç geri kazanımı, akış homojenliği ve akım ayrılması özellikleri gibi performans değerlendirme metrikleri, farklı tahliye sistem tasarımlarını karşılaştırmak için kriterler olarak tanımlanmıştır. Bu çalışmada kullanılacak çözücü ayarlarını doğrulamak için bir doğrulama çalışması gerçekleştirilmiştir. Doğrulama durumu için iki durum kullanılmıştır. İlk durumda, alık için, çıkış yüzeyinde sıfır gradyan sınır koşulları kullanılarak bir çözüm elde edilmiştir. Karşılaştırma için çıkış basınç oranı 7 olan bir durum daha hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçların, referans çalışmanın sayısal çözümleriyle oldukça iyi bir şekilde eşleştiği, ancak referans çalışmanın deneysel sonuçlarından bazı yerlerde farklı olduğu görülmüştür. Referans çalışmasının yazarları bu durumun akışın üç boyutluluğundan kaynaklanma olasılığını ileri sürmüşlerdir. Bu nedenle bu tutarsızlığı test etmek için üç boyutlu bir ağ oluşturuldu ve hesaplamalar gerçekleştirildi. Sonuçların iki boyutta elde edilen sonuçlarla neredeyse aynı olduğu görüldü. Bu nedenle, referans çalışma olarak benzer bir geometri ve yaklaşım kullanan başka bir durum denendi ve bu çalışmada deneysel sonuçlarla uyumlu sonuçlar alındı. Bu nedenle bir sonraki aşama olan ağdan bağımsızlık çalışmasına geçildi. Bu aşamada hem iki hem de üç boyutlu ağlar için bir ağdan bağımsızlık çalışması gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonucunda, iki boyutlu çözümlerde hesaplama maliyetleri yüksek olmadığından yüksek yoğunluklu bir iki boyutlu ağ tercih edilmiştir. Ancak aynı neden üç boyutlu ağ için orta yoğunluklu bir ağın tercih edilme nedeni olmuştur. Üç boyutlu ağların çözüm süresi ve buna bağlı olarak çözüm masraflarının yüksek olması ağın yoğunluğunun seçiminde önemli bir faktör olmaktadır. Böylece asıl amaç olan alık geometrisi için hesaplamalı çalışmalara geçilmiştir. İlk olarak hem tahliye bunulan hem de bulunmayan konfigürasyon için farklı çıkış basınç değerlerinde iki boyutlu analizler yapılmıştır. Tahliye olmayan geometride, BPR=5.0 ve BPR=5.1 durumu dışında alığım rampasında güçlü bir ayrılma görülürken, BPR=5.0 ve BPR=5.1 olan durumda akım ayrılmasının külah üzerinde olduğu görülmüştür. BPR arttıkça, alığın süperkritik koşullardan kritik koşullara doğru kaydığı gözlemlenmiştir. BPR=5.9'da alığın kritik duruma ulaştığı görülmüş, BPR 6.2'ye yükseltildiğinde ise, tahliye olmayan geometride alığın kritik-altı koşullara kaydığı gözlemlenmiştir. Tahliye olan durumlarda ise alık kritik-altı koşula ulaşmamaktadır. İki boyutlu analizlerde akışın genel olarak kararlı olduğu gözlenmiştir. Kararsızlık görülen koşullar BPR=5.0 ile BPR=5.3 koşulları arasında gözlenmiştir. Tahliye sisteminin bu koşullarda oluşan kararsızlığı büyük ölçüde önlediği sonucuna ulaşılmıştır. Tahliye tasarımının etkilerinden de bahsedilecek olursa, en önemli etkinin tahliye giriş ve çıkış alanları olduğu gözlenmiş olup, tahliye duvar açılarının akımı daha az etkilediği sonucuna varılmıştır. Daha sonra üç boyutlu çalışmalara geçilmiştir. Çözümlerin çoğunlukla iki boyutlu durumlarla nispeten uyumlu olduğu görülmektedir. En büyük fark BPR=5.0 durumunda görülmüştür. Bu koşulda iki boyutta akış durumda külah üzerinde ayrılırken, üç boyutlu durumda rampadan ayrılmaktadır. İki boyutlu duruma benzer şekilde alık BPR=6.0 değerinin altındayken kritik-üstü koşulda çalışmaktayken, BPR=6.0 değerinde kritik durumda olduğu görülebilir. Bunun dışında, alık kritik ve kritik altı şartlara yaklaştıkça akışın kararsız bir davranış göstermeye başladığı görülmektedir. Buna rağmen, çözümlerin iki boyutlu durumlara yakın olduğu görülmüştür. İki boyutlu durumdan farklı olarak üç boyutlu durumda BPR=6.5 durumunda da çözüm alındığı belirtilmelidir. Bu durum incelendiğinde alığın kritik-altı koşulda olmaya devam ettiği gözlenmiştir. Akış yapısı olarak bu durum, bir önceki durum olan BPR=6.2'ye oldukça benzemektedir. Bu iki durumda diğer durumlardan farklı olarak, oluşan dik şokun akışı diğer koşullarda olanın aksine o noktada ayırmadığı ve akışın rampada bir miktar akış yönünde ilerledikten sonra ayrıldığı görülmüştür. Ayrıca, toplam basınç geri kazanım değerlerinin iki boyutlu çözümlere göre daha yüksek olduğu da göze çarpmaktadır. Ek olarak, toplam basınç geri kazanım değerlerinde, alığın tüm durumlar için süper kritik durumda olduğu göz önüne alınırsa tahliye sistemi bulunmayan iki boyutlu çalışmalara göre bir miktar artış olduğu çıkarılabilir. Ancak, alık ve hava tahliye sisteminin performansını iyileştirmek için hava alma geometrisinde bazı ayarlamalar yapılabilir. Kullanılan tahliye geometrisinin bir ön çalışma niteliğinde olduğu göz önünde bulundurulmalıdır. Örneğin, bazı durumlarda, tahliye bölgesinin sınır tabakayı emmede başarılı olduğu, ancak daha sonrasında akış ile tahliye borularının etkileşime girerek yeni eğik şokların oluşumuna neden olduğu gözlemlenmiştir. Bu durumun tahliye mekanizmasını olumsuz etkileyen durumlardan bir olduğu düşünülmekte olup, tahliye alanındaki kütle geçişini azaltmanın bu durumu çözebileceği düşünülmüştür. Hava alıklarında kullanılan tahliye sistemlerinin tasarımı oldukça fazla ayrıntı içeren bir süreç olup bu tasarımlar çok sayıda tasarım değişkeni içermektedir. Örnek vermek gerekirse, tahliye borularının çapı, bu boruların birbirinden yanal ve düşey eksende birbirlerinden uzaklığı, boruların akışa olan açısı, tahliye geometrisindeki kenarların yarıçap miktarları tasarım için kullanılan parametreler arasındadır. Bu parametrelerin birbirleriyle etkileşimi ise alığın performansını belirleyen önemli etkenlerdendir. Tüm bunların yanı sıra, tahliye sisteminin yeri de oldukça önem arz etmektedir. Tahliye sistemi sayısı sadece bir tane ile kalmayabileceği gibi, bu durumlarda alık içerisindeki kütle akışının kontrolü de önem kazanmaktadır. Bütün bunlar göze alındığında, tahliye sistemi için her parametrenin tek tek denenip test edilmesinin sürdürülebilir bir yol olmadığı görülebilir. Bu nedenle, yapılması olası olan optimizasyon çalışmalarında, test edilecek parametreler için bir öncelik sıralaması yapılmasının çalışmaların ilerleme hızını artıracağı düşünülmektedir.

Özet (Çeviri)

In this study, a supersonic air intake is aimed to be analysed using an open source Navier-Stokes solver, HiSA. The interaction between shock waves and boundary layers is a significant factor to consider when designing supersonic inlets for aircraft. Bleed systems have traditionally been used to improve the stability and efficiency of these inlets by removing the boundary layer to prevent flow separation due to adverse pressure gradients. However, determining the impact of the boundary layer bleed system on the performance of the supersonic inlet remains a challenging problem. To study the effects of such systems, a literature study is performed on the subject. Design and effect of the bleed mechanisms are studied. It is seen that the overall pressure recovery values can be increased by a significant amount using bleed systems. The design considerations for a rectangular supersonic intake with a circular cross-section are summarized. Emphasis is placed on the creation of a watertight 3D CAD model of the intake geometry and the generation of a suitable mesh to ensure accurate simulation results. Additionally, a bleed system is designed for the intake, with the purpose of controlling flow conditions and preventing performance loss. The design considerations for the bleed system encompass the analysis of the bleed entry area, bleed exit area, and bleed wall angles, in terms of their effects on the overall performance and functionality. The bleed system serves important purposes, including boundary layer control, regulation of total pressure recovery, and prevention of flow separation. Proper design and optimization of the bleed system are deemed crucial for achieving efficient and reliable operation of the supersonic intake. The bleed entry area, bleed exit area, and bleed wall angles are systematically varied through a parametric analysis. This analysis aims to provide insights into the sensitivity of the bleed system's performance to these parameters and identify optimal design configurations. Performance evaluation metrics, such as total pressure recovery, flow uniformity, and flow separation characteristics, is defined as benchmarks for comparing different bleed system designs. To verify the solver settings which is used in this study, a validation study is performed. Two cases are used for the validations. In the first case, a zero-gradient solution for the inlet is obtained. Then, a back pressure case with a pressure ratio of 7 is computed for comparison. The obtained results matched the reference study's numerical solutions almost perfectly, but differed significantly from the reference study's experimental results, possibly due to different back pressure boundary conditions applied at the intake end. To test the discrepancy, a 3D mesh was generated and a computational analysis was performed, resulting in good accuracy with the 2D results. Therefore, another case was attempted using a similar geometry and CFD approach as a reference study, resulting in good agreement with the experimental results. The results of the study demonstrated the potential of CFD in predicting the performance of supersonic inlets with good accuracy. Next, a mesh independency study is performed both for two and three dimensional meshes. For the two-dimensional mesh, a fine grid is selected since the computational costs are not high in two dimensional solutions. While the medium grid is selected for the three-dimensional studies resulting from the same fact. Computation times and costs are a much important factor in three dimensional analyses. Then the computational studies are begun for the intake geometry. First, two dimensional analyses are performed at different back pressure values. Apart from the case with BPR=5.0 a strong separation is seen at the ramp of the intake while the separation occurred on the cowl at BPR=5.0. As the BPR increased, the intake shifted towards the critical condition from the supercritical conditions. At BPR=5.9, the intake was operating in the critical condition. As the BPR is increased to 6.2, the intake shifted to the subcritical conditions in clean configuration. It should also be noted that the intake did not operate at the subcritical condition for none of the cases when the bleed geometry was present. It is observed that intake flow structure was steady in most cases apart from a few outliers such as the case with BPR=5.0. It is seen that the bleed geometry was successful at preventing flow separation at the ramp if the bleed entry area and bleed exit are large enough. However, in most of these cases, the separation instead occurred at the cowl surface. Despite this situation, the bleed geometry improved the flow uniformity in most cases by delaying the flow separation. The total pressure recovery values show that the bleed configuration was most successful at preventing performance loss at critical and subcritical conditions. Then the three-dimensional studies are performed. It is observed that, for the most part, the solutions agree with their two-dimensional counterparts. However, it is seen that the intake reached the critical and subcritical conditions earlier compared to the two-dimensional solutions. The clean geometry reached subcritical conditions at BPR=5.9 while it was 6.2 at the two-dimensional cases. Depending on the geometry, the bleed geometries reached the subcritical condition at either BPR=6.0 or BPR=6.2, whereas subcritical conditions were not observed in two-dimensional bleed cases. This situation is thought to be caused by the circular cross-section of the intake diffuser and exit which restricts the flow more than predicted in two-dimensional cases. In the three-dimensional cases, it is observed that as the intake approached the critical and subcritical conditions, the flow started to show unsteady behaviour. Similar to the two-dimensional cases, it is observed that the bleeding system was successful in the suction of the SWBLI induced separation. However, once again, this caused the separation to occur on the cowl surface for the most of the cases. It was also observed that the flow was more with bleed systems compared to the clean geometry at near critical and subcritical conditions.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    900882

    Experimental investigation of supersonic internal compression inlets

    Sesüstü iç sıkıştırmalı hava alıklarının deneysel incelenmesi

    HASAN TABANLI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ HAYRİ ACAR

  2. Tez No

    848193

    Sesaltı ve sesüstü hızlarda drag kuvvetinin uçak kanadına etkisinin nümerik olarak incelenmesi

    Numerical investigation of the effect of drag force on aircraft wing at subsonic and supersonic speeds

    SEFER UÇAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine MühendisliğiAtatürk Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AHMET NUMAN ÖZAKIN

  3. Tez No

    66424

    Küt cisimlerde sürüklenme kuvvetinin azaltılması için kilitlenmiş girdap oluşumlarının deneysel yöntemlerle araştırılması

    Başlık çevirisi yok

    ŞEREF ERKARA

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. M. ZEKİ ERİM

  4. Tez No

    468078

    Investigation and improvement of ultra wideband antenna characteristics

    Ultra geniş bantlı anten karakteristiklerinin incelenmesi ve iyileştirilmesi

    DUYGU NAZAN GENÇOĞLAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAdana Bilim ve Teknoloji Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ŞULE ÇOLAK

  5. Tez No

    858102

    İnce kesitli havacılık yapısal parçalarda yer alan geometrik unsurların ve parça sınır koşullarının burkulma dayanıma olan etkisinin incelenmesi ve iyileştirilmesi

    Investigation and improvement of the effect of geometric dimensions and boundary conditions on critical buckling strength for thin plate structural parts in aerospace industry

    MERT SUBRAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine MühendisliğiBursa Uludağ Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATİH KARPAT

Geri Dön