Optimization of mixing efficiency of air and hydrogen in scramjet combustor
Scramjet motorlarında hava hidrojen karışımı optimizasyonu
- Tez No: 917317
- Danışmanlar: PROF. DR. FIRAT OĞUZ EDİS
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Hesaplamalı Bilimler Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Hesaplamalı Bilim ve Mühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 93
Özet
Bu tez, hipersonik hızlarda çalışan bir scramjet yakıcı bölümü (combustor) için karışım verimliliğini ve toplam basınç geri kazanımını (TPR) iyileştirmek amacıyla gerçekleştirilen kapsamlı bir sayısal modelleme ve optimizasyon çalışmasını ele almaktadır. Hipersonik uçuş koşullarında, yakıtın çok kısa süre içinde hava akışıyla etkin biçimde karışması gerektiğinden, hem karışım verimliliğini artırmak hem de akıştaki enerjiyi koruyarak TPR değerini yüksek tutmak büyük önem taşır. Bu nedenle, çalışmanın odağında, yakıcı bölüm geometrisinin kritik unsurlarının (kama açısı, enjektörler arası mesafe, enjeksiyon açısı) sistematik olarak incelenmesi yer almaktadır. Scramjet motorlarının yanma odasında gerçekleşen süpersonik akışlar, yüksek Mach sayılarında türbülans, şok dalgası-sınır tabakası etkileşimleri ve yoğun türbülanslı karışım gibi karmaşık fiziksel süreçleri içerir. Bu süreçler, akışın hem zamansal hem de mekânsal olarak hızlı değişimlere uğraması nedeniyle, sayısal akışkanlar dinamiği (CFD) analizlerini son derece zorlaştırmaktadır. Özellikle, türbülanslı bölgelerdeki momentum ve enerji transferi ile şok dalgalarının doğru şekilde modellenmesi, simülasyonların doğruluğunu ve güvenilirliğini doğrudan etkiler. Bu çalışma, scramjet motorlarının yanma odasındaki bu zorlukları ele almak üzere, OpenFOAM yazılımı ve k-omega SST türbülans modeli gibi ileri CFD araçlarını bir araya getirerek detaylı bir modelleme ve optimizasyon süreci sunmaktadır. Böylelikle, hem akademik olarak hipersonik rejimdeki akış mekanizmalarının daha iyi anlaşılmasına katkı sağlamakta hem de pratikte scramjet motorlarının daha verimli tasarımlarına yönelik bir temel oluşturmaktadır. Geliştirilen model, OpenFOAM yazılımının reactingFoam çözücüsü üzerinde kimyasal reaksiyonları devre dışı bırakılmış şekilde çalıştırılarak, şok dalgası-sınır tabakası etkileşimleri ve türbülanslı bölgeler gibi hipersonik rejimde sıklıkla rastlanan karmaşık akış yapılarını ayrıntılı biçimde yakalamayı amaçlamaktadır.Bu sayısal model, k–omega SST (Shear Stress Transport) türbülans modeliyle desteklenmiş olup, DLR (Alman Havacılık ve Uzay Merkezi) tabanlı bir geometri üzerinde uygulanmıştır. Böylece, kama (wedge) açısı, enjektörler arası mesafe ve enjeksiyon açısı gibi değişkenlerin her birine farklı değerler atayarak yanma odasının akış özellikleri (karışım verimliliği ve TPR) üzerindeki etkileri kapsamlı biçimde analiz edilmektedir. Özellikle outward (pozitif) enjeksiyon açıları, yakıtın çekirdek akışa daha iyi nüfuz etmesini sağlayarak verimliliği artırırken, wedge açısının çok fazla büyümesi durumunda şok kaynaklı basınç düşüşlerinin daha belirgin hâle geldiği görülmüştür. Enjektörler arası mesafenin ise aşırı dar veya geniş olması, türbülanslı etkileşim ve yakıtın homojen dağılma kalitesini etkilemekte; doğru aralıkta tutulduğunda karışım verimliliğini ve basınç geri kazanımını birlikte olumlu yönde şekillendirebilmektedir. Optimizasyon sürecinde, Bayesyen optimizasyon (BO) yöntemi kullanılmıştır. Gauss Süreci (GP) tabanlı bir kestirim modeli, her simülasyon sonucunda elde edilen verileri işleyerek tasarım parametrelerinin hedef fonksiyona (0.8 × TPR + 0.2 × karışım verimliliği) göre en iyi kombinasyonlarını belirler. Başlangıçta sistematik bir örnekleme yaklaşımı benimsenerek parametre uzayının geniş bir kısmı taranmış, her yeni veri noktasında GP modeli güncellenmiş ve sonraki aday noktalar, hem keşif (exploration) hem de doğrulanmış iyi bölgelerin geliştirilmesi (exploitation) dengesini gözeterek belirlenmiştir. Böylelikle, yüksek maliyetli CFD simülasyonları sınırlı sayıda tutulmuş ve her adımdan sonra elde edilen bilgilerle modelin tahmin doğruluğu artmıştır.Bu çalışmada kullanılan Bayesyen optimizasyon yöntemi, hem keşif hem de doğrulanmış bölgelerin iyileştirilmesi dengesini gözeterek tasarım parametrelerini optimize etmiştir. Her bir simülasyon sonucunda, Gauss Süreci (GP) tabanlı kestirim modeli güncellenmiş ve parametre uzayında en verimli bölgeler belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, hem karışım verimliliği hem de TPR açısından kabul edilebilir tasarım aralıklarının bulunduğunu göstermiştir. Bu süreç, scramjet motorlarının tasarımına yönelik yeni yaklaşımlar için yol gösterici bir temel oluşturmuştur. Çalışmanın sonucunda, belirli wedge açısı, enjektör aralığı ve enjeksiyon açısı değerlerinin yakıt-hava etkileşimini anlamlı ölçüde iyileştirerek karışım verimliliğini yükselttiği, buna karşılık toplam basınç geri kazanımının da kabul edilebilir seviyede tutulabildiği görülmüştür. Özellikle outward enjeksiyonun, türbülans oluşumunu ve yakıtın karışmasını desteklediği ancak wedge açısının fazla artması halinde şok dalgaları yüzünden basınç düşüşlerinin arttığı tespit edilmiştir. Enjektörler arası mesafenin çok dar olması, plüm etkileşimlerini fazla yoğunlaştırıp akışta ek direnç doğurabilirken, çok geniş aralıklar da yakıtın etkin şekilde dağılmasını engelleyebilmektedir. Dolayısıyla, parametrelerin tümü beraber düşünülerek optimum noktalar aranmış ve hem karışım verimliliği hem de TPR aynı anda yükseltilebilecek bir tasarım aralığı saptanmıştır. Bu kapsamda yürütülen çalışmalarda, yüksek performanslı hesaplama (HPC) altyapısı kullanılarak binlerce CPU-saatlik simülasyon gerçekleştirilmiş; her bir simülasyon çıktısı, Gauss Süreci modeline beslenerek yeni tahminlerin isabetliliği artırılmıştır. Böylelikle, hem akademik merak konusu olan hipersonik akışın iç dinamikleri ayrıntılı biçimde aydınlatılmış hem de uygulamaya dönük olarak scramjet tasarımında yol gösterici sonuçlar elde edilmiştir. İlerleyen aşamalarda, bu yaklaşımın üç boyutlu (3D) tam geometriler veya farklı yakıt türleriyle zenginleştirilmesi hedeflenerek, daha gerçekçi uçuş senaryolarına adım atılması planlanmaktadır. Ayrıca, sayısal modelin doğrulama aşamasında, deneysel verilerle (örneğin DLR'nin literatürde mevcut ölçüm sonuçları) kıyaslamalar yapılarak türbülans modeli, şok oluşumu ve karışım kalitesi gibi kritik hususlarda makul bir uyum yakalandığı gösterilmiştir. Benzer şekilde, karışım verimliliği ve TPR üzerinde en etkili olan bölgelerin CFD çıktıları, farklı parametre kombinasyonlarında tutarlı davranış sergileyerek modelin güvenilirliğini pekiştirmiştir. Dolayısıyla, elde edilen tüm veriler, hem güncel tasarım parametrelerine ışık tutmakta hem de gelecekteki optimizasyon çabalarına sağlam bir temel oluşturmaktadır. Sonuçlar, optimizasyon sürecinde belirlenen geometrik değişkenlerin scramjet yakıcı bölümündeki akış dinamiklerini anlamlı ölçüde iyileştirdiğini göstermektedir. Özellikle outward enjeksiyon açıları ve optimal enjektör aralığının, yakıt-hava karışımını hızlandırarak verimliliği artırdığı tespit edilmiştir. Bununla birlikte, wedge açısının fazla artırılması durumunda şok dalgaları kaynaklı basınç kayıplarının artması, karışım verimliliği ve TPR arasında dikkatli bir denge kurulması gerektiğini ortaya koymaktadır. Bu bulgular, scramjet motor tasarımında daha etkili ve dengeli çözümlere ulaşılmasını sağlayarak, gelecekteki hipersonik uygulamalar için önemli bir referans sunmaktadır. Genişletilmiş özet olarak sunulan bu bölüm, tezde ele alınan yöntemlerin (CFD analizi ve Bayesyen optimizasyon) birbirini tamamlayarak hipersonik hızlarda çalışan scramjet motorlarının tasarımında nasıl işlevsel hâle geldiğini göstermektedir. Parametre değişimleriyle ilişkili akış mekanizmaları daha net kavrandığından, tasarımcılar hem verimli bir karışım sağlayacak hem de basınç enerjisini önemli ölçüde koruyacak şekilde geometri ve enjeksiyon stratejisini adapte edebilecektir. Bu yaklaşım, ileride hipersonik uçuş sistemlerinin daha yüksek Mach sayılarında veya farklı operasyonel koşullarda da başarıyla uygulanabilecek çok yönlü bir optimizasyon stratejisi sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis investigates the optimization of a scramjet combustor to enhance mixing efficiency and total pressure recovery (TPR) through a combination of computational fluid dynamics (CFD) simulations and Bayesian optimization (BO). Scramjet engines, operating at hypersonic speeds, rely on efficient fuel-air mixing in a very short timeframe to achieve effective combustion. Improving mixing efficiency is critical for ensuring stable combustion and maximizing thrust, while maintaining TPR is essential to harness the energy of the flow without incurring excessive pressure losses. A two-dimensional CFD model of a scramjet combustor, developed using OpenFOAM's reactingFoam solver with chemical reactions disabled, forms the core of this investigation. The model incorporates a k–ω SST turbulence model to accurately capture complex flow phenomena, including shock-wave/boundary-layer interactions and turbulent shear layers. The combustor geometry is based on a DLR configuration and is systematically varied by changing key geometric parameters: wedge angle, distance between injectors, and injection angle. These parameters influence the flow structure, jet penetration, and turbulence intensity, ultimately affecting both mixing efficiency and TPR. Bayesian optimization is employed to identify the optimal combination of parameters. A Gaussian Process (GP) surrogate model approximates the objective function, defined as a weighted sum of mixing efficiency and TPR. The optimization process begins with an initial set of samples selected systematically (without employing previously assumed sampling methods), ensuring a broad exploration of the parameter space. The GP surrogate is iteratively updated as new CFD evaluations are performed, guiding the search toward promising regions that balance exploration and exploitation. Results demonstrate that carefully chosen parameters can significantly improve mixing efficiency and achieve a favorable compromise with TPR. The optimal configuration identified through this process enhances fuel-air interaction, resulting in more uniform distribution of the hydrogen mass fraction at downstream locations. Ultimately, this study provides valuable insights into the complex interplay between geometric design and aerodynamic performance in scramjet combustors, offering a robust methodology to guide future hypersonic propulsion system development.
Benzer Tezler
- Membranlarla gaz ayırma
Gas separation by membranes
İSMAİL BÜLBÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDOÇ.DR. BİRGÜL TANTEKİN ERSOLMAZ
- HCNG yakıtlı benzin motorunda fraktal yanma modeli ile simülasyon ve parametrik optimizasyon çalışması
Simulation and parametric optimization study with fractal combustion model in HCNG fuelled gasoline engine
EREN ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALPER TOLGA ÇALIK
- Arıtma çamuru ve biyokütle kaynaklarının biyoyakıt üretim potansiyellerinin atıktan enerjiye incelenmesi
Investigation of biofuel production potentials oftreatment slud and biomass sources from waste toenergy
MUSTAFA YURTEN
Doktora
Türkçe
2025
Çevre MühendisliğiSakarya ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SAİM ÖZDEMİR
- Yalıtım malzemesi enjeksiyon süreci optimize edilmiş yeni bir buzdolabı kabini tasarımı
Designing a new refrigerator cabinet based on optimization of the insulation material injection
FIRAT AKAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLYAS BEDİİ ÖZDEMİR
- Dizel motorların doğal gaz motorlarına dönüştürülmesi
conversion of diesel engines to natural gas engines
FUAT PANCAR