Aerodynamic heating prediction tool for generic geometries in aerospace applications
Havacılık ve uzay uygulamalarında genel geometriler için aerodinamik ısınma tahmin aracı
- Tez No: 898580
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMİN BARZEGAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 119
Özet
Yüksek hızlı uçakların ön tasarım aşamasında, aerodinamik özelliklerin hızlı bir şekilde yineleme ve değerlendirilmesi gereklidir. Bu süreci hızlandırmak ve zaman alıcı CFD analizlerine olan bağımlılığı azaltmak amacıyla, aerodinamik ısınma için bir tahmin aracı geliştirilmiştir. Bu çalışmanın amacı, kavramsal tasarım aşamalarında uçak yüzeylerindeki aerodinamik ısınmanın doğru bir şekilde tahmin edilebileceği çok yönlü bir aracın oluşturulmasıdır. Belirli analitik çözümler ve deneysel korelasyonlar kullanılarak, araç; kama, koni ve düz plakalar gibi karakteristik geometriler için duvar sıcaklığı, ısı transfer katsayısı ve ısı akısını hesaplamaktadır. MATLAB 'de uygulanmış olan araç, uçuş görev verilerini içeren zamana bağlı tahminler veya ses altı, geçiş ya da ses üstü uçaklar için kararlı durum tahminleri sunmaktadır. Eğik ve ayrılmış şoklar da dahil olmak üzere çeşitli şok yapılandırmaları dikkate alınmakta ve özellikle koni şeklindeki yapılar için kritik olan ayrılmış şok oluşumlarına odaklanılmaktadır. Uygulama senaryolarında, burun koni, ön kenarlar kama ve kanat/gövde düz plakalar olarak modellenmekte ve çeşitli yüksek hız akış koşulları kapsanmaktadır. CFD analizleri ve uçuş testi verileri ile doğrulama yapılarak, aracın güvenilirliği ve pratik tasarım yinelemeleri için uygulanabilirliği sağlanmakta ve süpersonik uçakların ön tasarımında önemli zaman ve maliyet tasarrufları vaat edilmektedir. Kama ve koni geometrilerindeki şok açılarında benzerlikler gözlemlenmiştir, ancak tahmin aracı ile CFD sonuçları arasında 40° yarı açı koni şekli için yaklaşık 5°'lik bir fark tespit edilmiştir. Geliştirilen tahmin aracı ile CFD sonuçları arasındaki sıcaklık farkı, Mach 3'te kama geometrisi için yaklaşık %2 olarak ölçülmüş, diğer senaryolarda ise maksimum sıcaklık farkı %1-2 olarak gözlemlenmiştir. Örneğin ilgili referans çalışma incelenerek, geliştirilen aracın ve CFD analizlerinin sonuçlarının uçuş verilerine yakın olduğu belirtilmiştir, ancak CFD analizinin toplam süresi 130 saat olarak hesaplanmışken, araç yaklaşık 1-3 dakikada çözüm elde etmiştir. Bu verimlilik, aracın etkinliği ve pratikliğini vurgulamakta ve bu tezin hedeflerine başarıyla ulaşıldığını göstermektedir.
Özet (Çeviri)
In the preliminary design phase of supersonic aircraft, rapid iteration and evaluation of aerodynamic characteristics are considered crucial. To streamline this process and reduce dependence on time-consuming CFD analyses, a prediction tool for aerodynamic heating has been developed. The aim of this study is to create a versatile tool that accurately estimates aerodynamic heating on aircraft surfaces during conceptual design stages. Specific analytical solutions and experimental correlations are utilized by the tool to calculate wall temperature, heat transfer coefficient, and heat flux for characteristic geometries such as wedges, cones, and flat plates. Implemented in MATLAB, the tool provides time-dependent predictions incorporating flight mission data or steady-state predictions for subsonic, transonic, or supersonic aircraft. Various shock configurations, including oblique and detached shocks over wedge and cone geometries, are considered by the tool, with a focus on detecting detached shock formations, which are critical for cone-shaped structures. Application scenarios include modeling the nose as a cone, leading edges as wedges, and wings/fuselages as flat plates, accommodating diverse high-velocity flow conditions. The tool's reliability and applicability for practical design iterations are ensured through validation against CFD analyses and flight test data, offering significant time and cost savings in the preliminary design of supersonic aircraft. Shock angles on wedge and cone geometries are found to be quite similar, though a notable difference of about 5° is observed in the 40° semi-angle cone shape between the prediction tool and CFD results. The temperature difference between the developed prediction tool and CFD results for the wedge geometry is approximately 2% at Mach 3, with other scenarios showing maximum temperature differences of 1-2%. For example, in the related reference study, although the results of the developed tool and CFD analyses were close to the flight data, the total duration of the CFD analysis was 130 hours, whereas a solution was achieved by the tool in approximately 1-3 minutes. This remarkable efficiency is underscored by the tool's effectiveness and practicality, demonstrating that the objectives of this thesis have been successfully achieved.
Benzer Tezler
- Püskürtmeli kurutucuda trona çözeltisi ile yapılan desülfürizasyon çalışmaları ve CFD simülasyonu
Başlık çevirisi yok
S.CELAL KARAKAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLHAYAT NASÜN (SAYGILI)
- Ağır ticari aracın dizel motoruna ait egzoz manifoldunun ısıl olarak incelenmesi
Thermal investigation of exhaust manifold for a heavy commercial vehicle diesel engine
BURAK YALÇINDAĞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL CEM PARMAKSIZOĞLU
- Taşıtlara etkileyen kuvvetler ve taşıt titreşimleri
The Forces acting on vehicles and vehicle vibrations
RUHİ ÇELİKKAYA
- Uçaklarda buzlanmanın nümerik olarak incelenmesi ve uçuş profili boyunca hava tahmin modeli uygulaması
Numerical investigation of aircraft icing and practice of weather forecast model along flight profile
ÖMER AKBAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Meteorolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET DURAN ŞAHİN
- Aerodinamik Isınmanın ve Isıl Koruma Sistemlerinin Aerodinamik Isınmaya Bağlı Termo-Kimyasal Aşınmasının İncelenmesi
Investigation of Aerodynamic Heating and Ablation of Thermal Protection Systems
BUĞRA ŞİMŞEK
Doktora
Türkçe
2019
Havacılık MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SITKI USLU