Passive control of aeroacoustic noise generation in transonic cavity flow via cylindrical rod
Transonik kovuk akışında aeroakustik gürültünün silindir çubuk ile pasif kontrolü
- Tez No: 921115
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BAHA ZAFER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 121
Özet
Kovuk akışı, farklı alanlardaki birçok mühendislik uygulamasında karşılaşılan bir hadisedir. Bir kovuk üzerinden geçen akış, kayda değer seviyede gürültü açığa çıkaran karmaşık ve türbülanslı akış yapılarının oluşmasına yol açar. Açığa çıkan gürültü, her uygulama alanında farklı endişelere sebep olur ve arzulanmaz. Kovuk akışının havacılıkta görülen en önemli örneklerinden biri savaş uçaklarının mühimmat yuvasıdır. Mühimmat yuvası içinde oluşan yüksek genlikli tonal basınç dalgalanmaları, hassas elektronik cihazlarda ya da taşınan mühimmat üzerinde hasara sebep olabilir. Ayrıca, mühimmat yuvasından çıkan gürültü, uçağın tespit edilmesini kolaylaştırır. Bu durumda, yeni nesil savaş uçaklarında dahili mühimmat yuvası kullanılmasındaki esas hedef olan düşük görünürlükten taviz verilmiş olur. Dolayısıyla, kovuk akışı gürültüsünün kontrolü, yeni nesil savaş uçakları için oldukça mühim bir meseledir. Bu çalışmada, transonik kovuk akışında gürültü oluşumu ve bu gürültünün silindir bir çubuk kullanılarak kontrol edilmesi hakkında sayısal bir araştırma yürütülmüştür. Öncelikle, sayısal analiz yöntemi literatürde mevcut bir deneysel veriyle doğrulanmıştır. Referans alınan deneysel veri, uzunluğunun derinliğine oranı 5 olan M219 kovuğunun transonik akışa maruz kaldığı duruma aittir. Referans alınan vaka ile aynı koşullarda HAD analizleri yapılmış ve sonuçları deneysel veriyle karşılaştırılarak sayısal yöntem doğrulanmıştır. HAD analizleri Star-CCM+ programında DES türbülans modeli kullanılarak icra edilmiştir. Ardından, kovuğun hücum kenarı etrafında farklı çap ve konumlara sahip silindir çubuklar yerleştirilerek yeni tasarımlar oluşturulmuştur. Aynı sayısal yöntem kullanılarak yeni tasarımların da HAD analizleri yapılmış ve sonuçları boş kovuğun analiz sonuçlarıyla karşılaştırılarak silindir çubuklu tasarımların gürültüyü sönümleme kabiliyetleri değerlendirilmiştir. Kovuğun tabanı ve arka yüzeyiyle birlikte kovuğun simetri kesitindeki toplam ses basınç seviyeleri (OASPL) incelenmiştir. Ayrıca, kovuk tabanının en arka kısmına yerleştirilen basınçölçerde ses basıncı seviyesinin (SPL) frekans spektrumu hesaplanmıştır. Spektrumlar, mod frekanslarının belirlenmesinde ve bu frekanslardaki yüksek genlikli gürültünün sönümlenmesini değerlendirmede kullanılmıştır. Dahası, SPL spektrumunun hesabında yalnızca bir noktayla yetinilmemiş, kovuğun simetri kesitindeki tüm noktaların spektrumu hesaplamıştır. Dolayısıyla, kovuk kesitindeki SPL dağılımı, spektrumdaki her bir frekans için ayrı ayrı mevcuttur. Konu hakkında yayımlanan geçmiş çalışmaların aksine bu çalışmada, mod frekanslarında kovuk kesitindeki SPL dağılımı paylaşılmıştır. Bu sayede, kovuk akışının ayrıntılı spektral incelemesi mümkün kılınmıştır. İlaveten,“Spectral Proper Orthogonal Decomposition”(SPOD) yöntemi kullanılarak hem zamanda hem de mekânda uyumlu olarak gelişen, dinamik açıdan önemli akış yapıları açığa çıkarılmıştır. Ayrıca, kovuk içine yerleştirilecek muhtemel bir mühimmatın üzerine etkiyecek yükleri değerlendirmek üzere kovuk tabanındaki statik basınç dağılımı incelenmiştir. Bahsedilen tüm sayısal sonuçlar her bir tasarım için elde edilip birbirleriyle karşılaştırılmış ve tasarımların performansları farklı açılardan ele alınmıştır. Kullanılan silindir çubuklu tasarımlar çubukların konumlarına göre üçe ayrılabilir. Tasarımların bir kısmında çubuklar kayma tabakasının merkezine, bir kısmında kayma tabakası merkezinin 5 mm üzerine, birinde ise sınır tabakanın içine yerleştirilmiştir. Tüm tasarımların sonuçları karşılaştırılarak silindir çubuk konumunun etkileri farklı açılardan incelenmiştir. Kovuk tabanında hesaplanan toplam ses basıncı seviyeleri (OASPL) incelendiğinde, silindir çubuk vasıtasıyla en arkadaki basınçölçerde gürültünün 8.4 dB düşürülebildiği görülmüştür. Her üç grup tasarımla da en gerideki basınçölçerde benzer ses düşümü elde edilebilmiştir. Noktasal verilerle yetinilmeyip, kovuk simetri kesitindeki toplam ses basıncı seviyesi (OASPL) dağılımları da incelenmiştir. Silindir çubuk eklendiğinde kovuk hacmi içindeki gürültünün de düşürüldüğü görülmüştür. Ancak, çubuğun etrafındaki kısıtlı bir bölgede yüksek seviyede gürültü oluşmaktadır. Öyle ki, çubuk etrafında çıkan gürültü, boş kovuğun firar kenarındaki gürültüden dahi daha yüksektir. Dolayısıyla çubuğun akış alanı içindeki gürültüyü düşürme kabiliyeti güçlü olsa da kendisi başlı başına bir gürültü kaynağıdır. Ayrıca, arka yüzeydeki toplam ses basıncı seviyeleri de incelenmiştir. Silindir çubuk kayma tabakasının merkezine yerleştirildiğinde kovuğun firar kenarındaki gürültünün diğer tasarımlara kıyasla daha yüksek kaldığı görülmüştür. Bu farkın sebebi hız alanı incelendiğinde açığa çıkmıştır. Çubuk sınır tabakaya ya da kayma tabakasının üst kısmına yerleştirildiğinde kayma tabakası yukarı doğru bükülüp kovuğun firar kenarıyla daha az etkileşime girmektedir fakat çubuk kayma tabakasının merkezine yerleştirildiğinde aynı etki çok daha az görülmüştür ve firar kenarına çarpan kayma tabakası bu noktada yüksek gürültüye sebep olmuştur. Buna rağmen, çubuk kayma tabakasının merkezindeyken kovuğun diğer bölümlerindeki gürültü düşürülebilmiştir. Bu sonuçlardan anlaşılmıştır ki silindir çubuğun tek marifeti kayma tabakasını yukarı kaldırmak değildir ve çubuk sayesinde kovuk içindeki gürültüyü düşüren başka bir fiziksel mekanizma mevcuttur. Hücum kenarında başlayan kararsızlık kovuk üzerindeki kayma tabakasının salınım yapmasına ve serbest akımla kovuğun iç kısmı arasında sürekli bir momentum geçişine sebep olmaktadır. Sonuç olarak kovuk içinde büyük ölçekli girdaplar meydana gelmekte ve bu girdaplara tekabül eden frekanslarda gürültü oluşmaktadır. Hücum kenarına silindir çubuk yerleştirildiğinde, çubuk arkasında oluşan küçük ölçekli yüksek frekanslı girdaplar kayma tabakasının içine yayılır ve büyük ölçekli girdaplardan enerji çeker. Böylece kayma tabakası daha kararlı hale gelip salınımı azalır ve büyük ölçekli girdapların enerjisi düşürülerek bu girdaplarla ilişkili mod frekanslarında gürültü düşürülür. Bahsedilen gürültü sönümleme mekanizmasının varlığı SPOD analiz sonuçlarında gözlemlenmiştir. Çubuk kullanılmayan boş kovuğun SPOD enerji spektrumunda, yalnızca kovuk mod frekanslarında yüksek enerji görülmüştür. Öte yandan, çubuk kullanılan tasarımların SPOD spektrumunda, mod frekanslarındaki enerji düşmüş ve silindir çubuğun oluşturduğu girdapların frekanslarında yüksek enerji görülmüştür. Dolayısıyla, silindir çubuk sayesinde, kovuk içindeki yüksek gürültüden sorumlu olan büyük ölçekli girdapların enerjisi yüksek frekanslara kaydırılmış ve bu suretle kovuk gürültüsü zayıflatılmıştır. Silindir çubuğun kovuk gürültüsünü düşürmesini sağlayan esas etkinin bu mekanizma olduğu anlaşılmıştır. Yeni nesil savaş uçaklarının mühimmat yuvası, havacılık alanında karşılaşılan kovuk akışlarına önemli bir örnektir. Yuvadaki mühimmatların uçaktan güvenli bir şekilde ayrılması oldukça mühimdir. Aksi takdirde mühimmat geri dönüp uçağa hasar verecektir. Bu sebeple, mühimmatın üzerine etkiyen yüklerin güvenli ayrılmaya engel teşkil etmemesi gerekir. Mühimmata etkiyen momentin, mühimmatın burnunu kovuğa doğru değil dışarı doğru yönlendirmesi gerekir. Bileşke kuvvet vektörünün ise kovuğun içine doğru değil mümkün mertebe dışarı doğru etkimesi gerekir. Kovuk boşken tabanında oluşan basınç dağılımı, bu kovuğa bir mühimmat yerleştirildiğinde maruz kalacağı kuvvet ve moment için önemli bir ipucudur. Arka kısımda yüksek basınç olması mühimmatın burnunu içeri yönlendirecektir, bu sebeple arka kısımdaki basıncın ön kısımdan çok yüksek olmaması arzulanır. Ayrıca, negatif basınç mühimmatı içeri doğru geri çekecek bir kuvvet oluşturacağından kovuk tabanındaki etkin basıncın mümkün mertebe negatif olmaması istenir. Analiz sonuçlarında kovuk tabanındaki basınç dağılımları incelendiğinde, silindir çubuğun kovuğun arka kısmındaki basıncı düşürdüğü dolayısıyla mühimmat üzerine etkiyecek momenti olumlu yönde değiştireceği görülmüştür. Ancak, kovuğun arka kısmında basınç negatif değerlere düşmektedir. Özellikle, çubuk sınır tabakanın içine yerleştirildiğinde arka kısımda yüksek negatif basınç görülmüştür. Öte yandan, çubuk kayma tabakasının içine yerleştirildiğinde oluşan negatif basınç daha düşüktür, düşük gradyanlı ve daha makul bir basınç dağılımı elde edilebilmiştir. Kovuk tabanında ölçülen zamana bağlı basınç verisine Fourier dönüşümü uygulanmış ve frekans spektrumu elde edilmiştir. En arkadaki basınçölçerin spektrumları tasarımlar arasında karşılaştırılmıştır. Silindir çubuk sayesinde kovuk mod frekanslarındaki yüksek gürültünün azami 16.8 dB düşürülebildiği görülmüştür. Geçmiş çalışmalardan farklı olarak yalnızca bu noktasal veriyle yetinilmemiş, kovuğun simetri kesitindeki tüm noktalarda Fourier dönüşümü uygulanmış ve bu sayede kovuk simetri düzlemindeki ses basıncı seviyesi (SPL) dağılımı her bir frekans için ayrı ayrı elde edilmiştir. Kovuk mod frekanslarındaki gürültünün silindir çubuklar vasıtasıyla düşürülebildiği tüm akış alanı için gözlemlenmiştir. Mod frekanslarındaki gürültüyü en iyi düşüren tasarımda silindir çubuk kayma tabakasına konumlandırılmıştır. Çubuk sınır tabakanın içindeyken de tonal gürültüyü düşürebilmiş ancak kayma tabakasının içine yerleştirilen çubuk tasarımlarından bazılarına göre biraz daha düşük performans sergilemiştir. Geçmiş çalışmalarda kovuğun gürültüsünü sönümlemek için kullanılan silindir çubuklar sınır tabaka içine yerleştirilmiştir. Ancak bu çalışmada silindir çubuğu kayma tabakasının içine yerleştirmek üç açıdan daha avantajlı bulunmuştur. Çubuk kayma tabakasına yerleştirildiğinde mühimmat ayrılması için daha uygun bir basınç dağılımı elde edilmiştir, mod frekanslarındaki gürültü daha iyi sönümlenmiştir ve çubuğun kendi etrafında oluşturduğu gürültü daha düşüktür.
Özet (Çeviri)
Cavity flow is a phenomenon that is encountered in many applications in various industries. The flow over a cavity generates highly turbulent and complex flow structures which produce a significant level of noise. The noise generation is undesirable for several concerns depending on the application. Weapon bay of a modern fighter is one of the most important instances of cavity flow in aerospace industry. High amplitude tonal pressure fluctuations occurred within a weapon bay may cause damage on sensitive avionic devices or the stores. Additionally, the noise in the weapon bay increases the detectability of aircraft, which means that the primary purpose of internal store carriage is compromised. Therefore, control of cavity flow noise is a crucial issue for a modern fighter aircraft. In the present study, a numerical investigation was carried out about noise generation in transonic cavity flow and its passive control by a cylindrical rod. First of all, the numerical method was validated by an available experimental data in the literature namely, the M219 cavity case which involves transonic flow over a cavity with a length to depth ratio of 5. CFD analysis of the reference case was performed by Star-CCM+ using Detached Eddy Simulation (DES) model and the methodology was validated by comparing with the experimental data. High amplitude tonal noise was observed within the M219 clean cavity. Subsequently, several designs were developed for the aim of noise reduction by introducing a cylindrical rod with different diameters and positions around the leading edge. Using the same CFD methodology, each design was analyzed numerically and their attenuation performance was evaluated by comparing with the clean cavity. Overall sound pressure levels are examined at both cavity floor and rear wall. OASPL distribution is also calculated over the cavity symmetry plane. Moreover, frequency spectrum of the sound pressure level at the rearmost probe was calculated to determine mode frequencies and evaluate tonal noise reduction. Furthermore, the SPL spectrum was computed not only for a single point, but also for entire symmetry plane of the cavity, hence, SPL fields for discrete frequencies are also available. Therefore, unlike previous studies about the topic, the present study provides detailed spectral examination of cavity flow by providing the SPL fields at the mode frequencies. Additionally, Spectral Proper Orthogonal Decomposition method was utilized to reveal dynamically important flow structures that developed coherently in both time and space. Besides, pressure coefficient distributions on the cavity floor are examined to consider the designs also in perspective of loads on the store. The numerical results of each design are compared and their performances are discussed based on different aspects.
Benzer Tezler
- Aeroacoustic investigation of unsteady transonic cavity flow via open CFD source codes
Açık kaynak CFD kodu ile zamana bağlı transonik kavitenin aeroakustik analizi
ALİ CAN FADIL
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BAHA ZAFER
- Transonik kavite akışının aeroakustik incelemesi
Aeroacustic investigation of transonic cavity flow
HAYDAR İREY
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BAHA ZAFER
- Passive control of wake from a circular cylinder with a splitter plate: viscous VIC simulation
Dairesel silindirden iz akışının ayırıcı levha ile pasif kontrolu: viskoz VIC benzeşimi
AYDIN MISIRLIOĞLU
- R1234yf soğutucu akışkanının dikey mini kanaldaki kaynama davranışının pasif yöntemle kontrolü
Passive control of boiling behavior of R1234yf refrigerant in vertical mini channel
ESRA DAŞDAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiHitit ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İRFAN KURTBAŞ
- Passive control of vortex shedding around a circular cylinder by detached plate
Bir silindir etrafında ayrık plaka ile girdap kopmasının pasif yöntemle kontrolü
FIRAT EKİNCİ
Doktora
İngilizce
2016
Makine MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN AKILLI