Geri Dön

Numerıcal sımulatıons on vortex domınated delta wıngs wıth anısotropıc adaptıve mesh generatıon

Ani̇zotropi̇k uyarlanabi̇li̇r ağ üreti̇mi̇ i̇le gi̇rdap etki̇li̇ delta kanatlar üzeri̇nde sayisal si̇mülasyonlar

PDF İndir

  1. Tez No: 955013
  2. Yazar: HÜSEYİN AKGÜN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET ŞAHİN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  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: 101

Özet

Havacılık, uçak ve uzay mühendisliği alanında, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD), özellikle yüksek karmaşıklıktaki akışkan fenomenlerini simüle etme ve analiz etme kabiliyeti sayesinde, kendisini vazgeçilmez bir kaynak olarak kabul ettirmiştir. Bu bağlamda delta kanatların aerodinamiği, HAD yöntemleri için özellikle zorlu ancak oldukça etkin bir uygulama alanı teşkil etmektedir. İnce ve keskin ok açılı geometrisiyle karakterize edilen delta kanatlar, özellikle yüksek açılarda sergiledikleri özgün aerodinamik özellikleri nedeniyle yüksek performanslı hava araçlarının tasarımında temel bileşenlerdir. HAD, bu karmaşık akış davranışlarına dair ayrıntılı öngörüler sunmakta ve deneysel araştırmalarla birlikte geliştirilerek doğrulanmaktadır. Delta kanatların özel olarak tasarlanan prensibinde temel bir karakteristiği orta ila yüksek hücum açılarda güçlü ve kararlı hücum kenarı girdapları (HKG'ler) oluşturma yetenekleridir. Keskin hücum kenarı geometrisi sayesinde oluşan bu girdaplar, hücum kenarı vakum prensibiyle çalışarak kanadın üst yüzeyinde önemli bir düşük basınç bölgesi meydana getirir. Bu fenomen, taşıma mekanizmasının iyileştirilmesine önemli ölçüde katkıda bulunarak, hava aracının konvansiyonel kanat profillerinde tipik olarak gözlemlenen tutunma kaybı (stall) açısının çok ötesinde taşıma sağlanmasına olanak tanır. Bununla birlikte, bu faydalı HKG'lerin kararlılığı sonsuz değildir; hücum açısı daha da arttıkça kararsız hale gelirler ve girdap kırılması olarak bilinen kritik fenomene maruz kalırlar. Bu kırınım, girdap yapısının ani bir düzensizleşmesi, türbülansta ani bir artış ile karakterize edilir ve taşımada azalma, sürüklemede artış ve potansiyel olarak kararsız veya öngörülemez uçuş karakteristikleri gibi olumsuz sonuçlara yol açabilir. Bu girdap yapılarının ve kırılma mekanizmalarının hassas detayları kritik çalışma alanlarıdır. Bu ileri düzey çalışmalar ve simülasyonlar aracılığıyla HAD, aerodinamikçilere üç boyutlu akış yapılarını görselleştirme, kanat üzerinde etkili olan aerodinamik kuvvet ve momentleri nicelendirme, geliştirilmiş performans kanat tasarımlarını optimize etme ve girdap çökmesi gibi olumsuz etkileri azaltmaya yönelik çeşitli akış kontrol stratejilerini araştırma imkanı sunmaktadır. HAD metodolojilerinden ve hesaplama gücündeki önemli ilerlemelere rağmen, delta kanat aerodinamiğini doğru bir şekilde simüle etmek zorlu bir görev olmaya devam etmektedir. HAD simülasyonlarının güvenilirliği, modelleme parametrelerinin, türbülans modellerinin ve sayısal şemaların uygun seçimine büyük ölçüde bağlıdır. Sonuç olarak bu çalışmada İkinci Girdap Akışı Deneyleri (VFE-2) ve Sydney Standart Aerodinamik Modeller (SSAM) 5. Nesil Savaş Uçağı (Gen5) delta kanadı gibi deneysel test verileri üzerinde çalışılacaktır. Belirtildiği üzere, mevcut çalışma kurum içi geliştirilmiş çözücünün valide edilmesi ve delta kanat akış fiziğinin incelenmesi amacıyla VFE-2 ve SSAM-Gen5 delta kanat modellerinin deneysel referans verilerini kullanmaktadır. Çalışmalar, boyutsuz RANS denklemleri çözmek için hibrit ağ yapısı üzerinde geliştirilmiş olan sonlu hacimler yöntemini kullanan HEMLAB RANS çözücüsü kullanmaktadır. HEMLAB, Negatif Spalart-Allmaras (SA-neg) türbülans modelini kullanmaktadır. Bu çalışma için SA-neg modeline Kato-Launder düzeltmeli model eklenmiştir ve üzerinde simülasyonlar yapılmıştır. Ayrıca rotasyon düzeltmeli Negatif Spalart-Allmaras (SA-neg-R) modeli de algoritma içine eklenmiştir. Bu şekilde, rotasyon katsayısının bir türbülans modelinin çözüme etkisi incelenmiştir. Bu sırada ise farklı rotasyon katsayı değerleri denenmiş ve çalışılmıştır. HEMLAB algoritması viskoz olmayan akılar için HLLC, Roe ve AUSM+up akı ayrıklaştırma yöntemleri kullanmaktadır. HEMLAB çözücüsü doğrusal olmayan tam Newton yöntemini ve denklemleri çözmek için çeşitli Krylov alt uzay algoritmalarını kullanan PETSc kütüphanesini kullanmaktadır. Ayrıca PETSc matris bağımsız doğrusal olmayan çözücü (SNES) kullanmaktadır. Ağ (grid) üretimi analiz sürecinde eşit derecede önemli bir faktördür. Hesaplama ağının kalitesi, delta kanadın keskin hücum kenarlarının doğru bir şekilde çözümleyebilmek, hücum kenarı geometrisindeki eğrileri doğru bir şekilde modelleyebilmek ve girdap bölgelerinin çevresinde ve içinde meydana gelen basınç ve hızdaki gradyanları yakalamak için elzemdir. Bir delta kanadın hücum kenarı modellemesi girdabın başlangıç konumunu, karakterini ve kanada olan etkisini değiştireceği için ağ oluşumunda önemli bir adımdır. Düzensiz ağlar oluşturulması karmaşık geometrilerin ele alınmasında esneklik sağlarken düzenli ağlar akışın daha düzgün olduğu bölgelerde doğruluk sunabilir. Bu çalışmada sabit ağların yanı sıra, INRIA tarafından geliştirilen anizotropik adaptif ağ üretim aracı olan pyAMG kütüphanesi HEMLAB çözücüsü ile birlikte kullanılmıştır. Bu araç, akış çözümlerini kullanarak ve ağ çözünürlüğünü yineleyerek, seçilen fonksiyonlara ve gerekli bölgelere göre ağları üretmekte ve sıkılaştırmaktadır. Bu çalışmada öncelikle VFE-2 delta kanadının sivri hücum kenarlı modelinin CASE 15 simülasyonları yapılmıştır. Bu simülasyonlar için 2 farklı türbülans modelinin değişik versiyonları ile toplamda 5 farklı analiz yapılmıştır. Bu analizlerde türbülans modelinin kanat üzerindeki girdapları yakalama etkisine bakılmıştır. Sonuçlar modellerinin girdapları birincil ve ikincil girdapları yakalayabilme, ayrı ayrı mı yoksa birlikte ortalama bir tane girdap yakalama durumuna göre incelenmiştir. Tek girdap yakalayan modeller birincil ve ikincil girdapları tek bir girdap olarak çözüp büyüklüğünü ikisinin ortalaması olarak görmüştür ve çok daha yaygın bir girdap hareketi yakalamıştır. Girdapları birincil ve ikincil yakalayan türbülans modelleri çok daha sivri ayrı ayrı girdap yapıları simüle ederken, üçüncü bir girdap bölgesi daha çözümlemiştir. Bu analizler sonucunda oluşan anizotropik adaptif ağ yapılarını ve çözüm sonuçlarını incelemek için görselleştirmeler yapılmıştır. Bu görsellerde yüzey basınç katsayısı dağılımları, bu basınç dağılımlarının deneysel sonuçlarla karşılaştırılması grafikleri, yüzeyde akış çizgileri ve girdap sonuçlarına bakılmıştır. Sonuçlardan sonra da oluşan ağ yapıları incelemiştir. Bütün sonuçlar benzer açıklamalar getirmiştir. Denenen ilk türbülans modeli (SA-neg) ve versiyonu (SA-neg KL) ikincil girdap yakalama konusunda eksik kalırken, diğer modellerin (SA-neg-R) ikincil ve üçüncül girdapları çok daha keskin bir şekilde yakaladığı görülmüştür. Bu sonuçlarda yüzeyde basıncın düşüş bölgelerinde beklenildiği gibi girdap konumları olduğu belirlenmiştir. Oluşan vakum etkisinden dolayı görülen basınç düşüşü akım çizgilerine de yansımıştır ve girdap bölgelerine doğru hareket etmiştir. Bu çalışmadaki diğer analiz edilen model ise SSAM Gen5 delta kanadıdır. Bu model standart beşinci nesil bir savaş uçağı modelidir. Model açık kaynaklı deney sonuçları olan ve bu konuda çalışmak amacıyla yapılmıştır. Bu model için öncelikle adaptasyon sonucunda elde edilmiş bir ağ yapısını tekrar adaptasyon döngüsüne iletmeden sabit ağ olarak kullanılıp belirli koşuldaki analizi farklı akı şemaları ile gerçekleştirilerek şemalar arasında karşılaştırmalar yapılmıştır. Ardından seçilen şema ile ve kaynaktan alınan sabit ağ yapısı ile farklı hücum açı değerlerinde taşıma ve sürükleme katsayısı grafikleri oluşturulmuştur. Bu sonuçlar deneysel veriler ile karşılaştırılmıştır. Ardından son olarak iki farklı koşulda anizotropik adaptif ağ üretimi ile analiz yapılıp girdap yakalama etkisi incelenmiştir. Bu çalışmalar sonucunda farklı delta kanat modellerinde akış analizleri yapılıp modellerin akış fiziği analiz edilmiş ve bu konuda çalışılmıştır.Elde edilen sonuçlar doğrultusunda HEMLAB çözücüsünün validasyon çalışmaları yapılmıştır. Bu doğrultuda farklı ağ yapıları ve adaptif ağ üretimleri uygulanmıştır. Aynı zamanda farklı akı şemaları kullanılmış ve farklı türbülans modellerinin girdap baskın akışlardaki etkisi incelenmiştir. Bu etkilerin yüzey ve hacimdeki etkilerine dikkat edilmiştir.

Özet (Çeviri)

In the world of aerospace engineering, Computational Fluid Dynamics (CFD) has firmly established itself as an indispensable resource, primarily due to its ability to simulate and analyze highly complex fluid phenomena. Within this topic, the aerodynamics of delta wings present a particularly challenging yet highly efficient application for CFD methods. Delta wings, characterized by their slender and sharply swept geometry, are fundamental components in the design of high-performance aircraft, largely because of their distinctive aerodynamic properties, especially when operating at high angles of attack. CFD provides detailed insights into these intricate flow behaviours, and is developed in conjunction with experimental investigations. A key characteristic for which delta wings are known and specifically designed is their capability to generate strong, stable leading-edge vortices (LEVs) at moderate to high angles of attack. These vortices, which due to the sharp leading-edge, operate on the principle of leading-edge suction, creating a significant region of low pressure above the upper wing surface. The phenomenon contributes substantially to the enhancement of the lift mechanism, allowing the aircraft to maintain lift well beyond the stall angle typically observed in conventional airfoils. However, the stability of these beneficial LEVs is not infinite; as the angle of attack increases further, they become unstable and undergo a critical phenomenon known as vortex breakdown. This breakdown is characterized by a sudden disorganization of the vortex structure, an abrupt increase in turbulence, and can lead to detrimental consequences such as a reduction in lift, an increase in drag, and potentially unstable or unpredictable flight characteristics. The precise details of these vortical structures and their breakdown mechanism are crucial areas of study. Through these sophisticated studies and simulations, CFD enables aerodynamic solutions to visualize three-dimensional flow structures, quantify aerodynamic forces and moments acting on the wing, optimize wing designs for enhanced performance, and investigate various flow control strategies aimed at mitigating adverse effects like vortex breakdown. Despite significant advancements in CFD methodologies and computational power, simulating delta wing aerodynamics accurately remains a demanding task. The fidelity of CFD simulations relies heavily on the appropriate selection of modeling parameters, turbulence models. and numerical schemes. Consequently, experimental validation, such as data provided by well-established test cases like the Second Vortex Flow Experiments (VFE-2) and the Sydney Standard Aerodynamic Models (SSAM) 5th Generation Fighter Delta Wing (Gen5) are examined in this study. As mentioned, the present study uses the experimental benchmarks VFE-2 and SSAM-Gen5 delta wing models for the validation of the in-house solver and to examine delta wing flow physics. The studies will be executed by using the in-house RANS solver the HEMLAB algorithm, a vertex-based finite volume method with an efficient edge-based data structure on hybrid meshes to solve the non-dimensional RANS equations. The solver uses the Negative Spalart-Allmaras (SA-neg). For this study SA-neg, SA-neg with Kato-Launder correction, and the Negative Spalart-Allmaras with rotation correction (SA-neg-R) with different rotation constant values are compared. The HEMLAB algorithm uses the HLLC, Roe, and AUSM+up flux discretization methods for the inviscid fluxes. The HEMLAB solver uses the non-linear exact Newton method and the PETSc library, which uses several Krylov subspace algorithms to solve equations. The PETSc-matrix free non-linear solver (SNES) is used by the algorithm. Grid generation has an important role in the process. The quality of the computational mesh is essential for accurately resolving the sharp leading edges of the delta wing and capturing the steep gradients in the pressure and velocity that occur around and in the vortex regions. Unstructured grids provide flexibility for handling complex geometries, whereas structured grids can offer accuracy in regions where the flow is smoother. In this study, despite using fixed meshes, an anisotropic adaptive mesh generation tool the pyAMG library by INRIA, is used in combination of the HEMLAB solver. This tool generates and refines meshes according to the selected functions and necessary regions by using the solution to iteratively refine the mesh resolution.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    728930

    Experimental and numerical investigation of flapping airfoils interacting in various arrangements

    Çırpan kanat profillerinin çeşitli yerleşimler için etkileşimlerinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi

    SALİHA BANU YILMAZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET FEVZİ ÜNAL

    PROF. DR. MEHMET ŞAHİN

  2. Tez No

    538934

    Sayısal yöntemler kullanarak sualtı araçlarının hidro ve vibroakustiğinin çözümü ve dijital sonar tasarımı

    Hydro and vibroacoustical solution of underwater vehicles using numerical methods and digital sonar design

    EMRE GÜNGÖR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İLYAS BEDİİ ÖZDEMİR

  3. Tez No

    523294

    Numerical analysis of subsonic turbulent jets

    Başlık çevirisi yok

    MEHMET ONUR ÇETİN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Makine MühendisliğiRheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

    Dr. WOLFGANG SCHRÖDER

    Dr. PETER JESCHKE

  4. Tez No

    251865

    Flow around a plunging airfoil in a uniform flow

    Uniform bir akım alanı içerisinde akıma dik doğrultuda salınım yapan bir kanat etrafındaki akış

    MUSTAFA PERÇİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2009

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYDIN MISIRLIOĞLU

    PROF. DR. MEHMET FEVZİ ÜNAL

  5. Tez No

    325601

    Numerical investigation of polymer additive effects on the flow around immersed bodies

    Polimer katkısının batırılmış cisimler etrafı akışa etkisinin sayısal olarak incelenmesi

    ONUR ÇETİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Makine MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. KUNT ATALIK

Geri Dön