Geri Dön

Computational fluid dynamics modeling the store separation from a jet trainer aircraft

Jet eğitim uçağından mühimmat ayrılmasının hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile modellenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 907681
  2. Yazar: ZİYA COŞAR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HASAN GÜNEŞ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 129

Özet

Mühimmatların uçaklardan güvenli ve öngörülebilir bir şekilde ayrılmasını sağlama sorunu, son yıllarda giderek artan bir ilgi odağı haline gelmiştir. Bu durum, mühimmatların uçakla etkileşiminden kaynaklanabilecek potansiyel risklerin önlenmesini ve operasyonel görevlerin güvenli bir şekilde yerine getirilmesini zorunlu kılmaktadır. Bu konuya yönelik çözümler arasında uçuş testleri, rüzgar tüneli testleri ve Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizleri önemli bir yer tutmaktadır. 'Yörünge Yakalama' ve 'Grid' metotları, mühimmat ayrılma sorununa yönelik geliştirilen rüzgar tüneli teknikleridir. Bu tezde, 'Yörünge Yakalama' ve 'Grid' metodları hesaplamalı akışkanlar dinamiği kullanılarak modellenmiştir. İlaveten, geleneksel 'Grid' yöntemine alternatif olarak 'Akış Alanı' yöntemi geliştirilmiştir. Tezin amacı, geliştirilen HAD yaklaşımını kullanarak hesaplanan mühimmat yörüngesi ile deneysel sonuçlar arasında uyumu sağlamak, ve jet eğitim uçağından ayrılan mühimmatın yörüngesini, 'Yörünge Yakalama' yöntemi, 'Grid' yöntemi ve 'Akış Alanı' yöntemini kullanarak, hesaplamaktır. Ayrıca mach sayısının ve hücum açısının mühimmat ayrılma analizleri üzerindeki etkileri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Farklı mach sayıları ve hücum açıları altında yapılan analizler, bu parametrelerin mühimmatın yörünge davranışlarını nasıl etkilediğini ortaya koymuştur. Mühimmat ayrılması ile ilgili HAD çalışmaları, ticari yazılım olan Simcenter Star-CCM+ programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında, mühimmat ayrılma problemlerinde sıklıkla kullanılan Eglin geometrisi ve bu geometriye ait rüzgar tüneli test sonuçları referans alınarak 'Yörünge Yakalama' yöntemi için bir Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) metodolojisi geliştirme çalışması yapılmıştır. HAD metodolojisi geliştirme süreci, mühimmat ayrılma analizlerinde kullanılacak uygun türbülans modelinin belirlenmesini, çözüm ağ bağımsızlık çalışması yapılmasını ve zamana bağlı analizlerde doğru sonuçlar elde edilebilmesi için uygun bir zaman adımının belirlenmesini içermektedir. Bu kapsamda, Spalart Allmaras, Realizable K-ε ve K-ω SST türbülans modelleri kullanılarak zamana bağlı analizler gerçekleştirilmiş ve mühimmatın yörüngesi her bir türbülans modeli için hesaplanmıştır. Analizlerden elde edilen sonuçlar, rüzgar tüneli verileriyle karşılaştırılmıştır. Uygun türbülans modelinin seçilmesinin ardından, sayısal analiz sonuçlarının çözüm ağ yoğunluğundaki değişimlerden etkilenmediğini göstermek amacıyla kapsamlı bir çözüm ağ bağımsızlık çalışması yapılmıştır. Bu çalışma, farklı çözüm ağ yoğunluklarına sahip beş ayrı çözüm ağ ile yapılmıştır. Analizler sırasında, mühimmat üzerinde X, Y ve Z eksenleri boyunca etkili olan aerodinamik kuvvetler hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçların karşılaştırmalı değerlendirmesi sonucunda, mühimmat ayrılma analizlerinde en doğru ve verimli sonuçları sağlayan uygun çözüm ağ belirlenmiştir. Uygun çözüm ağ belirlendikten sonra, zamana bağlı analizler için kritik bir parametre olan zaman adımının belirlenmesi için dört farklı zaman adımı kullanılarak zamana bağlı simülasyonlar gerçekleştirilmiş, mühimmatın yörüngesi rüzgar tüneli sonuçlarıyla karşılaştırılmış ve uygun zaman adımı belirlenmiştir. Zamana bağlı HAD analizleri 0.95 mach sayısında ve 26,000 feet irtifada gerçekleştirilmiştir. Mühimmatın yörüngesini hesaplamak için zamana bağlı analizlerde 'Overset' çözüm ağ algoritması kullanılmıştır. Mühimmatın yörüngesi, RANS denklemleri ele alınarak hesaplanmıştır. Bu hesaplamalarda, akışın hem sıkıştırılabilir hem de viskoz olduğu varsayılmıştır. Geliştirilen HAD metodolojisi ile 'Yörünge Yakalama' yöntemi için hesaplanan mühimmat yörüngesi tünel sonuçları ile karşılaştırılmış ve bir doğrulama çalışması yapılmıştır. Çalışmanın ikinci aşamasında, jet eğitim uçağından ayrılan mühimmatın yörüngesini hesaplamak ve ayrılma sürecini daha iyi anlamak amacıyla farklı yöntemler, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) kullanılarak modellenmiştir. İlk olarak, 'Yörünge Yakalama' yöntemi için geliştirilen HAD metodolojisi kullanılarak jet eğitim uçağından ayrılan mühimmat modellenmiştir. Doğrulama çalışmasında belirlenen K-ω SST türbülans modeli ve 0.001 saniyelik zaman adımı, jet eğitim uçağından ayrılan mühimmatın HAD analizlerinde kullanılmıştır. HAD analizlerinin güvenilirliğini ve fiziksel doğruluğunu artırmak amacıyla, çözüm ağ yoğunluğunun sayısal sonuçlar üzerindeki etkisini incelemek için kapsamlı bir çözüm ağ bağımsızlık çalışması gerçekleştirilmiştir, bu çalışmada beş farklı çözüm ağ boyutu test edilerek mühimmat üzerinde X, Y ve Z eksenleri boyunca etkili olan aerodinamik kuvvetler hesaplanmıştır. Yapılan çözüm ağ bağımsızlık çalışmasında, analiz sonuçlarının çözüm ağ yoğunluğundaki değişimlerden etkilenmediği gösterilmiştir. Uygun çözüm ağ yoğunluğu belirlendikten sonra, farklı uçuş koşulları için jet eğitim ujçağından ayrılan mühimmatın yörüngesi hesaplanmıştır Mühimmatın yörüngesini hesaplamak için kullanılan bir diğer yöntem 'Grid' yöntemidir. 'Grid' yöntemi için iki aerodinamik veritabanı üretilmiştir. Bu veritabanlarından ilki mühimmatın serbest akış aerodinamik veritabanıdır. Bu veritabanı farklı uçuş koşullarında gerçekleştirilen HAD analizlerinden elde edilen kuvvet ve moment katsayılarını kapsamaktadır. Veritabanlarından ikincisi ise uçak-mühimmat konfigürasyonuna ait aerodinamik veritabanıdır. Bu veritabanı mühimmatın farklı pozisyonlar ve duruşlarda uçak altına yerleştirilerek HAD analizlerinden elde edilen aerodinamik kuvvet ve moment katsayılarını kapsamaktadır. Uçak-mühimmat konfigürasyonu veritabanı ve mühimmat için serbest akış veritabanı oluşturulduktan sonra, MATLAB Simulink programında altı serbestlik dereceli model oluşturulmuştur. HAD analizlerinden elde edilen aerodinamik veritabanları bu altı serbestlik dereceli modelde girdi olarak kullanılmıştır. Mühimmatın yer değiştirmesi ve Euler açıları , MATLAB Simulink programındaki altı serbestlik dereceli model kullanılarak farklı uçuş koşulları için hesaplanmıştır. Mühimmatın yörüngesini hesaplamak için 'Grid' yöntemine alternatif olarak geliştirilen 'Akış Alanı' yöntemi, ayrılma analizlerinde hızlı ve etkili bir değerlendirme imkanı sunmaktadır. Geliştirilen bu yeni yöntem, çeşitli uçaklardan yeni tasarlanan mühimmatların ayrılma analizlerinin hızlı bir şekilde değerlendirilmesine olanak tanımaktadır. 'Akış Alanı' yöntemi, ayrılma süreci sırasında uçak tarafından oluşturulan aerodinamik bozulmalar sonucunda mühimmatın karşılaştığı düzgün olmayan akış alanını modellemektedir. Bu yöntem kapsamında, mühimmatın serbest akış veritabanı oluşturulmuş ve farklı uçuş koşulları altında gerçekleştirilen Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizlerinden elde edilen kuvvet ve moment katsayıları bu veritabanında toplanmıştır. Bunun yanı sıra, mühimmat uçağa bağlı değilken jet eğitim uçağının çevresindeki akış alanını modellemek için de HAD analizleri yapılmış ve bir akış alanı veritabanı oluşturulmuştur. Bu veritabanı, mühimmatın ayrılma sürecinde uçak tarafından oluşturulan akış bozulmalarını ve bu bozulmaların mühimmat üzerindeki etkilerini modellemek için kullanılmaktadır. Elde edilen bu aerodinamik veritabanları, MATLAB Simulink ortamında oluşturulan altı serbestlik dereceli modelde girdi olarak kullanılmıştır. Altı serbestlik dereceli bu model, mühimmatın x,y,z eksenlerindeki yer değiştirmelerini ve Euler açılarını farklı uçuş koşulları altında simüle etmek amacıyla geliştirilmiştir. Simülasyonlar sırasında, mühimmatın ayrılma sürecindeki yer değiştirmeleri ve euler açıları hesaplanmıştır. Tezin üçüncü ve son aşamasında, farklı uçuş koşullarında jet eğitim uçağından ayrılan mühimmatın yörüngesi 'Yörünge Yakalama', 'Grid' ve 'Akış Alanı' yöntemleri kullanılarak hesaplanmıştır. Mühimmatın X, Y ve Z eksenlerindeki yer değiştirmeleri ile güvenli ayrılma için kritik öneme sahip olan theta açısındaki değişimler karşılaştırılmıştır. 'Akış Alanı' yöntemi ile mühimmat yörüngesinin kısa sürede hesaplanabilmesi, bu yöntemin önemli bir avantajıdır. Geliştirilen bu yöntemin, özellikle yeni mühimmat tasarımında ve değerlendirme süreçlerinde hızlı bir çözüm aracı olarak kullanılabileceği gösterilmiştir. Ayrıca, mach sayısının mühimmat ayrılma analizleri üzerindeki etkileri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bu doğrultuda, jet eğitim uçağından ayrılan mühimmatın yörüngesi, farklı uçuş koşulları altında ve farklı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemleri kullanılarak hesaplanmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Ek olarak, hücum açısının mühimmat ayrılma analizleri üzerindeki etkileri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bu amaçla, farklı uçuş koşullarında jet eğitim uçağından ayrılan mühimmatın yörüngesi farklı HAD yöntemleriyle hesaplanmış ve bu parametrenin mühimmat üzerindeki etkileri değerlendirilmiştir.

Özet (Çeviri)

The issue of ensuring the safe and predictable separation of munitions from aircraft has become an area of growing interest in recent years. This highlights the necessity of eliminating potential risks associated with the interaction between munitions and the aircraft, while ensuring the safe and effective execution of operational missions. Solutions to this problem include flight tests, wind tunnel experiments, and Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses. The Captive Trajectory System (CTS) and grid methods are wind tunnel techniques designed to solve the store separation problem. In this thesis, both CTS and grid methods were modeled using CFD. Furthermore, a new method called the 'Captive Carry with Flow-Field' was developed as an alternative to the conventional grid method. The primary objective of this research is to validate the munition trajectory calculated through the developed CFD methodology with experimental results, and to compute the trajectory of the munition separating from a jet trainer aircraft using the CTS, grid, and Captive Carry with Flow-Field methods. Furthermore, a comprehensive investigation was conducted to assess the impact of mach number and angle of attack on store separation analyses. The results of simulations performed at various mach numbers and angles of attack clearly illustrated the effect of these parameters on the munition's trajectory behavior. The CFD studies related to store separation were conducted using the commercial software Simcenter Star-CCM+. In the first phase of this thesis, a Computational Fluid Dynamics (CFD) methodology was developed for the Captive Trajectory System (CTS) using the Eglin geometry, a widely employed configuration in store separation studies, along with its corresponding wind tunnel test data. The methodology development included selecting an appropriate turbulence model, conducting a mesh independence study, and determining a suitable time step to ensure the accuracy of unsteady simulations for store separation analyses. Unsteady analyses were carried out using the Spalart Allmaras, Realizable K-ε, and K-ω SST turbulence models, with the munition's trajectory computed for each model. The simulation results were then validated against wind tunnel data. After identifying the optimal turbulence model, a detailed mesh independence study was performed to confirm that the numerical results remained unaffected by variations in mesh density. This study tested five different mesh with varying densities, during which aerodynamic forces along the X, Y, and Z axes acting on the munition were calculated. The evaluation of these results led to the selection of the most accurate and efficient mesh for store separation analyses. Subsequently, the determination of an appropriate time step, a key factor in unsteady simulations, was undertaken. Using four different time steps, unsteady simulations were conducted, and the munition's trajectory was compared to wind tunnel results to identify the optimal time step. These unsteady CFD analyses were performed at a mach number of 0.95 and an altitude of 26,000 feet. For the trajectory calculation, the overset mesh algorithm was employed in unsteady analyses. The trajectory was calculated by solving the RANS equations under the assumption of compressible and viscous flow. The developed CFD methodology was validated by comparing the computed trajectory with wind tunnel results. In the second phase of the study, different methods were modeled using CFD to calculate the trajectory of the munition separating from the jet trainer aircraft. Initially, the CTS methodology developed in the first phase was employed to model the separation process. The K-ω SST turbulence model and a time step of 0.001 seconds, identified during the validation phase, were used in the CFD simulations of the munition separation. A thorough mesh independence study was conducted to enhance the reliability and accuracy of the CFD analyses by assessing the influence of mesh density on numerical results. As part of this study, five different mesh configurations were tested, and the aerodynamic forces acting on the munition along the X, Y, and Z axes were evaluated. The results demonstrated that the numerical outcomes remained consistent regardless of changes in mesh density. Following the identification of the optimal mesh density, the trajectory of the munition separating from the jet trainer aircraft was computed for various flight conditions. Another approach used for trajectory calculation was the grid method. Two aerodynamic databases were generated for this method. The first was the freestream aerodynamic database for the munition, which contained force and moment coefficients derived from CFD analyses under various flight conditions. The second was the aerodynamic database for the aircraft-munition configuration, developed by placing the munition in different positions and attitudes under the aircraft and performing CFD analyses. After developing both the aircraft-munition configuration and freestream databases, a 6-DOF model was created in MATLAB Simulink. The aerodynamic data from the CFD analyses were used as inputs in this model to calculate the munition's displacements and Euler angles under different flight conditions. An alternative approach to the grid method, the 'Captive Carry with Flow-Field' method, was developed to calculate the munition's trajectory. This method enables a rapid assessment of separation analyses for newly designed munitions across various aircraft configurations. The Captive Carry with Flow-Field approach models the non-uniform flow field experienced by the munition due to aerodynamic disturbances caused by the aircraft during separation. For this method, a freestream database was created through CFD analyses of the munition under different flight conditions, and a flow-field database for the jet trainer aircraft (without the munition attached) was also generated using CFD. These databases were utilized in a 6-DOF model in MATLAB Simulink to calculate the munition's displacements and Euler angles under different flight conditions. In the third and final phase of this thesis, the trajectory of the munition separating from the jet trainer aircraft was computed under various flight conditions using the CTS, grid, and Captive Carry with Flow-Field methods, and the results were compared. The Captive Carry with Flow-Field method demonstrated a significant advantage in its ability to rapidly compute the munition's trajectory. The developed method has been proven to serve as an efficient and rapid solution for the design and evaluation processes of new munitions. Furthermore, a detailed investigation was conducted into the effects of mach number on store separation analyses. In this context, the trajectory of the munition separating from the jet trainer aircraft was evaluated under various flight conditions using different Computational Fluid Dynamics (CFD) methods, and the results were systematically compared. Additionally, the influence of the angle of attack on store separation analysis was thoroughly examined. To this end, the munition's trajectory was simulated under a range of flight conditions employing various CFD approaches, and the effects of this parameter on the munition's behavior were meticulously analyzed.In the third and final phase of this thesis, the trajectory of the munition separating from the jet trainer aircraft was computed under various flight conditions using the CTS, grid, and Captive Carry with Flow-Field methods, and the results were compared. The Captive Carry with Flow-Field method demonstrated a significant advantage in its ability to rapidly compute the munition's trajectory. Additionally, the effects of mach number and AoA on store separation analyses were examined in detail.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    461924

    Computational fluid dynamics modelling of store separation using grid method

    Harici yük ayrılmasının ızgara yöntemi kullanarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile modellenmesi

    GÖRKEM DEMİR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN NAFİZ ALEMDAROĞLU

  2. Tez No

    705867

    İçerisinde faz değiştiren madde bulunan kademeli olarak değişen kapalı hacimde erime prosesine etki eden parametrelerin sayısal analizi

    Numerical analysis of effective parameters on melting process in an enclosure with step by step and filled with phase change materials

    ELANUR BAKİ SEZGİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    EnerjiFırat Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAKAN FEHMİ ÖZTOP

  3. Tez No

    438592

    Torpido benzeri geometri çevresindeki akış yapısının araştırılması

    Investigation of flow structure around torpedo like geometries

    SERCAN YAĞMUR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Makine MühendisliğiSelçuk Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. FARUK KÖSE

  4. Tez No

    652703

    Akışkan yatak enerji depolama sistemi hesaplamalı akışkanlar dinamiği modellemesi

    Fluidized bed energy storage system computational fluid dynamics modeling

    MUHAMMED BAHADDİN KOCATAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÜNER ÇOLAK

  5. Tez No

    68984

    Bilgisayar destekli akışkanlar dinamiği (CFD) analizinin mühendislik tasarım aşaması ile bütünleştirilmesi için aktivite ve bilgi modellemesi

    Activity and information modeling of computational fluid dynamics (CFD) analysis in order to integrate with the engineering design process

    YILMAZ GÜR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Makine MühendisliğiBalıkesir Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    Y.DOÇ.DR. RAMAZAN YAMAN

Geri Dön