Loosely coupled numerical modeling of carbon-based ablative material response in propulsion applications
İtki uygulamalarında karbon bazlı aşınan malzeme tepkisinin gevşek bağlantılı sayısal modellemesi
- Tez No: 978075
- Danışmanlar: PROF. DR. AHMET YOZGATLIGİL, PROF. DR. İSKENDER GÖKALP
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Ablatif malzemeler, yüksek entalpili yanma gazlarının termokimyasal ve mekanik etkilerden lüle yapısal malzemelerini korumak için itki uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Ablatif soğutma üzerine açık literatür, çok az istisna dışında, atmosferik yeniden giriş uygulamaları veya durağan durum lüle aşınması ile sınırlıdır. Tasarım çalışmaları için gerekli hızı, altta yatan fiziği yakalamak için gereken doğrulukla birleştiren itki uygulamalarında zamana bağlı aşınma için sayısal araçlar ise nadirdir. Bu tezde, itki uygulamalarında pirolize uğrayan ve pirolize uğramayan karbon bazlı malzemelerin aşınma ve ısıl tepkisini tahmin etmek için bir benzetim aracı geliştirilmiştir. Her iki durumda da malzeme tepkisi, malzeme içindeki ısı iletimi ile sonlu hızdaki yüzey kimyası tarafından yönlendirilen yüzey gerilemesinin modellenmesini gerektirirken, pirolize uğrayan aşınan malzemeler ayrıca ısıl bozunum ve gözenekli kömür tabakası içerisindeki piroliz gazlarının taşınım modellemesini gerektirmektedir. İç akış ve malzeme tepkisi hesaplamaları arasında geometri, akış ve ısıl verilerinin sınırlı iki yönlü değişimine imkân tanıyan gevşek bağlantılı bir strateji uygulanmış olup, gelişen ısıl ve fiziksel duruma uyumlu sınır koşullarının korunması sağlanmakta, böylelikle geleneksel ayrık yöntemlere kıyasla daha yüksek doğruluk, tam bağlı simülasyonların getirdiği hesaplama maliyeti olmaksızın elde edilmektedir. Analitik çalışmalar, açık kaynaklı kodlar ve lüle ateşleme testi verilerine karşı yapılan doğrulama, yüzey gerilemesi, sıcaklık dağılımı ve kömür tabakası oluşumundaki deneysel eğilimleri yakalama yeteneğini doğrulamaktadır. Sonuç olarak geliştirilen araç, ısıl koruma sistemlerinin hızlı ve fiziksel olarak doğru karakterizasyonu ve optimizasyonuna olanak tanımaktadır.
Özet (Çeviri)
Ablative materials are extensively employed in propulsion applications to protect nozzle structural materials from the thermochemical and mechanical effects of high enthalpy combustion gases. The open literature on ablative cooling is, with very few exceptions, limited to atmospheric re-entry applications or steady-state nozzle erosion. Computational tools for transient ablation in propulsion applications that combine the speed needed for design tasks with the fidelity required to accurately capture the underlying physics are scarce. In this thesis, a simulation tool for the estimation of the ablative and thermal response of carbon-based pyrolyzing and non-pyrolyzing materials in propulsion applications was developed. The material response in both cases requires modeling heat conduction within the material together with surface recession driven by finite-rate surface chemistry, while pyrolyzing carbon-based materials additionally require modeling thermal decomposition and the transport of pyrolysis gases within the porous char layer. A loosely coupled strategy was employed, which allowed for a limited bidirectional exchange of geometry, flow and thermal data between internal flow and material response calculations to maintain boundary conditions consistent with the evolving thermal and physical state, thereby achieving higher fidelity than conventional decoupled methods without the computational cost of fully coupled simulations. Validation against analytical cases, publicly available codes and nozzle firing test data confirmed the ability to capture experimental trends in surface recession, temperature distribution and char formation. The tool thus enables rapid, yet physically accurate, characterization and optimization of thermal protection systems.
Benzer Tezler
- Implementation of turbulence models on 2d hybrid grids using an explicit/implicit multigrid algorithm
Türbülans modellerinin iki boyutlu çok katmanlı melez çözüm ağları üzerinde açık/örtülü algoritma kullanılarak uygulanması
ALİ EMRE YILMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Havacılık ve Uzay MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL HAKKI TUNCER
- Çok-doğruluklu temsili modelleme ile aeroelastik tasarım optimizasyonu uygulaması
Implementation of an aeroelastic design optimization with multi-fidelity surrogate modelling
ENES ÇAKMAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELİKE NİKBAY
- Multidisciplinary design optimization of aerospace structures with static aeroelastic criteria
Uçak-uzay yapılarının statik aeroelastik kriter ile çok disiplinli tasarım optimizasyonu
LEVENT ÖNCÜ
- Fluid structure coupled analysis of an aerodynamic surface
Aerodinamik bir yüzeyin akışkan katı etkileşimli analizi
BÜLENT SÜMER
Yüksek Lisans
İngilizce
2004
Havacılık ve Uzay MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. MEHMET AKGÜN
PROF.DR. İSMAİL TUNCER
- Implicit lattice Boltzmann method for laminar/turbulent flows
Laminer/türbülanslı akışlar için örtük kafes Boltzmann yöntemi
FATİH ÇEVİK
Doktora
İngilizce
2016
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KAHRAMAN ALBAYRAK