Theses supervised by Prof. Dr. Selin Aradağ Çelebioğlu
11 theses · TOBB Economics and Technology University
Bir francis türbin performansının, hesaplamalı akışkanlar dinamiği ve saha verimlilik ölçümleriyle incelenmesi
Hidroelektrik santrallerde elde edilen elektrik enerjisi, öncelikle akan suyun enerjisinin hidrolik türbin yardımıyla mekanik enerjiye çevrilmesi sonrasında jeneratör yardımıyla bu mekanik enerjisinin elektrik enerjisine döndürülmesiyle elde edilir. Hidrolik türbinler ile ilgili literatüre bakıldığında Francis tipi, Kaplan tipi ve Pelton tipi başta olmak üzere çeşitli hidrolik türbin tipleri bulunduğu görülür. Debi, düşü ve enerji üretim büyüklüğü gibi santral çalışma koşulları belirlendikten sonra bu değerlere uygun türbin tipi seçilir. Günümüzde en yaygın olarak kullanılan türbinler Francis tipi türbinlerdir. Karmaşık kanat geometrisi olan çark, Francis tipi türbinlerdeki en önemli parçadır. Suyu yönlendirebilmesi ve istenen performans değerini sağlaması açısından çark kanatları dönüşlü ve değişken üç boyutlu bir profile sahiptir. Karmaşık yapıdaki çark kanadı profili ve genelde bu profillerin şirketlerin gizli bilgisi olması, bu profillere erişimi kısıtlar. Teknik resim verilerinden ise çarkın tüm geometrisi elde edilemez. Dolayısıyla, hidroelektrik santrallerde yapılacak olan rehabilitasyon çalışmalarında mevcut çark, tarama yardımıyla tersine mühendislik yapılarak çark geometrisi elde edilmeye çalışılır. Bunun yanında, geometri elde edildikten sonra meridyonel görünüm, kanat açılarının dağılımı ve kanat kalınlık dağılımı gibi kanat tasarım değişkenlerinin de elde edilmesi gerekir. Bu parametreler elde edildikten sonra ortaya çıkan kanat yapısıyla Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ile doğrulama analizlerinin de yapılması gerekmektedir. Bu çalışmada, Altınkaya Hidroelektrik Santralinde, Romer Absolute Arm portatif lazer tarayıcı ile sahada türbin parçalarının taranması, 3 boyutlu nokta bulutunun elde edilmesi, bu nokta bulutundan katı modellerin elde edilmesi, çark ve diğer aksamların matematiksel modelinin oluşturulması, tüm türbine ait kararlı ve kararsız HAD analizlerinin yapılarak, verim tepe diyagramı ile diğer çalışma özelliklerinin belirlenmesi ilk aşaması olarak belirlenmiş ve bu işlemler sırasıyla gerçekleştirilmiştir. Daha sonra saha verim ölçümü yapılarak, yapılan bu ölçümler Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemiyle elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Sayısal yöntemlerle elde edilen tepe diyagramı ile saha ölçümlerinin karşılaştırılmıştır.
Uçak kanadı üzerindeki akışın aerodinamik performans analizi ve kontrolü
Cisimlerin dış akış altında aerodinamik performansı Akışkanlar Mekaniğinde önemli bir araştırma dalıdır. Havacılık ve otomotiv gibi sektörlerde dış akışlarda performansın artırılması ve enerji verimliliği sağlanması için aerodinamik karakteristiklerin iyileştirilmesi gerekmektedir. Katı cisimler üzerindeki akışın yüzeyden kopması neticesinde meydana gelen perdövitesin ve akışa zıt yönde oluşan sürükleme kuvvetinin etkilerini azaltmak, taşınım ile ısı transferini desteklemek veya akış alanında herhangi bir fiziksel etkinin çıktılarını artırmak adına akış kontrol yöntemleri uygulanır. Bu tez çalışması kapsamında NACA 0012 kanat profili üzerindeki Mach 0.15 hızında sıkıştırılamaz akış, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizleri yardımıyla incelenmiştir. Deneysel veriler ile doğrulanan kontrolsüz analizler yardımıyla perdövitesin meydana geldiği açı belirlendikten sonra kontrol döngüsü içermeyen, önceden belirlenmiş akış aktif akış kontrol yöntemlerinden sınır tabaka içerisine akışın yüzeyden kopma noktasının önü ve arkasından hava üfleme ve emme uygulanmıştır. Üfleme ve emme ile sınır tabakasının değiştirilmesinin edilmesi akış kopmasını geciktirirken kaldırma katsayısında artış ile sürükleme katsayısında azalmaya sebep olarak aerodinamik performansın iyileştirilmesini sağladığı görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Aerodinamik, HAD, Akış ayrılması, Perdövites, Akış kontrolü, Jet üfleme, Emme.
Uçak kanadı üzerindeki akışın aerodinamik performans analizi ve kontrolü
Cisimlerin dış akış altında aerodinamik performansı Akışkanlar Mekaniğinde önemli bir araştırma dalıdır. Havacılık ve otomotiv gibi sektörlerde dış akışlarda performansın artırılması ve enerji verimliliği sağlanması için aerodinamik karakteristiklerin iyileştirilmesi gerekmektedir. Katı cisimler üzerindeki akışın yüzeyden kopması neticesinde meydana gelen perdövitesin ve akışa zıt yönde oluşan sürükleme kuvvetinin etkilerini azaltmak, taşınım ile ısı transferini desteklemek veya akış alanında herhangi bir fiziksel etkinin çıktılarını artırmak adına akış kontrol yöntemleri uygulanır. Bu tez çalışması kapsamında NACA 0012 kanat profili üzerindeki Mach 0.15 hızında sıkıştırılamaz akış, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizleri yardımıyla incelenmiştir. Deneysel veriler ile doğrulanan kontrolsüz analizler yardımıyla perdövitesin meydana geldiği açı belirlendikten sonra kontrol döngüsü içermeyen, önceden belirlenmiş akış aktif akış kontrol yöntemlerinden sınır tabaka içerisine akışın yüzeyden kopma noktasının önü ve arkasından hava üfleme ve emme uygulanmıştır. Üfleme ve emme ile sınır tabakasının değiştirilmesinin edilmesi akış kopmasını geciktirirken kaldırma katsayısında artış ile sürükleme katsayısında azalmaya sebep olarak aerodinamik performansın iyileştirilmesini sağladığı görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Aerodinamik, HAD, Akış ayrılması, Perdövites, Akış kontrolü, Jet üfleme, Emme.
Uçak kanadı üzerindeki akışın aerodinamik performans analizi ve kontrolü
Cisimlerin dış akış altında aerodinamik performansı Akışkanlar Mekaniğinde önemli bir araştırma dalıdır. Havacılık ve otomotiv gibi sektörlerde dış akışlarda performansın artırılması ve enerji verimliliği sağlanması için aerodinamik karakteristiklerin iyileştirilmesi gerekmektedir. Katı cisimler üzerindeki akışın yüzeyden kopması neticesinde meydana gelen perdövitesin ve akışa zıt yönde oluşan sürükleme kuvvetinin etkilerini azaltmak, taşınım ile ısı transferini desteklemek veya akış alanında herhangi bir fiziksel etkinin çıktılarını artırmak adına akış kontrol yöntemleri uygulanır. Bu tez çalışması kapsamında NACA 0012 kanat profili üzerindeki Mach 0.15 hızında sıkıştırılamaz akış, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizleri yardımıyla incelenmiştir. Deneysel veriler ile doğrulanan kontrolsüz analizler yardımıyla perdövitesin meydana geldiği açı belirlendikten sonra kontrol döngüsü içermeyen, önceden belirlenmiş akış aktif akış kontrol yöntemlerinden sınır tabaka içerisine akışın yüzeyden kopma noktasının önü ve arkasından hava üfleme ve emme uygulanmıştır. Üfleme ve emme ile sınır tabakasının değiştirilmesinin edilmesi akış kopmasını geciktirirken kaldırma katsayısında artış ile sürükleme katsayısında azalmaya sebep olarak aerodinamik performansın iyileştirilmesini sağladığı görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Aerodinamik, HAD, Akış ayrılması, Perdövites, Akış kontrolü, Jet üfleme, Emme.
Mach 1.5 süpersonik kavite akışının açık kaynak yazılımla hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri ve sonuçların ticari yazılım simülasyonları ile karşılaştırılması
Bu çalışmanın odak noktası açık kavite üzerindeki yüksek hızlı akışların anlaşılmasıdır. Uçakların mühimmat taşıması için kullanılan, gövdenin iç kısmında yer alan depolama bölgeleri simülasyonlarda dikdörtgen kavite boşluğu olarak modellenmiştir. Bu bölgeler mühimmatı içte taşımaya olanak sağlayarak uçağın radar görünürlüğünü, sürüklenme kuvvetini ve aerodinamik ısınmayı azalttır. Bu nedenle mühendislik uygulamaları açısından ses üstü kavite akışının anlaşılması büyük önem taşır. Açık kavite üzerindeki ses üstü akışlar düzensiz, sıkıştırılabilir ve tübülanslı olması nedeniyle son derece karmaşık özelliklere sahiptir. Akışın fiziğini ve doğasını anlamak, zaman içerisinde akışın özelliklerinde meydana gelen değişiklikleri tahmin edebilmek ve çoğunlukla uçuş sırasında bu akışı kontrol edebilmek son derece kritik olduğu için havacılık uygulamalarında bu karmaşıklığın çözülmesi ciddi önem taşımaktadır. Bu çalışmada ses üstü hızlarda açık kavite üzerindeki akışın simülasyonları açık kaynak kodlu bir yazılım olan OpenFOAM kullanılarak gerçekleştirilmiştir. OpenFOAM yazılımının bu problemi çözmedeki kabiliyeti ve limitlerini belirleyebilmek amacıyla simülasyon sonuçları, ticari bir yazılım olan ANSYS-Fluent yazılımı simülasyon sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Simülasyonlarda akış koşulları düzensiz, sıkıştırılabilir ve türbülanslı olarak belirlenmiş ve sonuçlar kavite duvarlarındaki ses basınç seviyeleri, hızlı Fourier dönüşümü (FFT) ve zamana bağlı değişkenlik gösteren basınç salınımları cinsinden yorumlanmıştır. Elde edilen simülasyon sonuçları, kavite geometrisinin taban duvarındaki ses basınç seviyeleri açısından deneysel veriler ile de kıyaslanmıştır. Deneysel veriler sayesinde, hem açık kaynak kodlu yazılımın güvenilirliği hem de iki yazılım türünün birbiri ile kıyaslanması durumundaki becerileri üzerine yorum yapmak mümkün olmuştur. OpenFOAM yazılımını daha iyi anlamak adına kullanılan sayısal şemalar, zaman ayrıklaştırma metotları, tolerans ve ardışık iterasyonlar arasındaki farkın kısıtlamaları gibi çalışmalar da yapılmıştır. Simülasyon sonuçlarına göre OpenFOAM ses üstü hızlarda açık kavite üzerindeki akış probleminde deneysel bulgulara ANSYS-Fluent yazılımından daha çok yaklaşmıştır. Ancak OpenFOAM çok daha ince atılmış ağ yapısı gerektirmektedir. OpenFOAM'un üçüncü boyut etkilerini yakalama yeteneğini de incelemek adına üç boyutlu kavite geometrisi simülasyonu yapılmıştır.
Mach 1.5 süpersonik kavite akışının açık kaynak yazılımla hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri ve sonuçların ticari yazılım simülasyonları ile karşılaştırılması
Bu çalışmanın odak noktası açık kavite üzerindeki yüksek hızlı akışların anlaşılmasıdır. Uçakların mühimmat taşıması için kullanılan, gövdenin iç kısmında yer alan depolama bölgeleri simülasyonlarda dikdörtgen kavite boşluğu olarak modellenmiştir. Bu bölgeler mühimmatı içte taşımaya olanak sağlayarak uçağın radar görünürlüğünü, sürüklenme kuvvetini ve aerodinamik ısınmayı azalttır. Bu nedenle mühendislik uygulamaları açısından ses üstü kavite akışının anlaşılması büyük önem taşır. Açık kavite üzerindeki ses üstü akışlar düzensiz, sıkıştırılabilir ve tübülanslı olması nedeniyle son derece karmaşık özelliklere sahiptir. Akışın fiziğini ve doğasını anlamak, zaman içerisinde akışın özelliklerinde meydana gelen değişiklikleri tahmin edebilmek ve çoğunlukla uçuş sırasında bu akışı kontrol edebilmek son derece kritik olduğu için havacılık uygulamalarında bu karmaşıklığın çözülmesi ciddi önem taşımaktadır. Bu çalışmada ses üstü hızlarda açık kavite üzerindeki akışın simülasyonları açık kaynak kodlu bir yazılım olan OpenFOAM kullanılarak gerçekleştirilmiştir. OpenFOAM yazılımının bu problemi çözmedeki kabiliyeti ve limitlerini belirleyebilmek amacıyla simülasyon sonuçları, ticari bir yazılım olan ANSYS-Fluent yazılımı simülasyon sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Simülasyonlarda akış koşulları düzensiz, sıkıştırılabilir ve türbülanslı olarak belirlenmiş ve sonuçlar kavite duvarlarındaki ses basınç seviyeleri, hızlı Fourier dönüşümü (FFT) ve zamana bağlı değişkenlik gösteren basınç salınımları cinsinden yorumlanmıştır. Elde edilen simülasyon sonuçları, kavite geometrisinin taban duvarındaki ses basınç seviyeleri açısından deneysel veriler ile de kıyaslanmıştır. Deneysel veriler sayesinde, hem açık kaynak kodlu yazılımın güvenilirliği hem de iki yazılım türünün birbiri ile kıyaslanması durumundaki becerileri üzerine yorum yapmak mümkün olmuştur. OpenFOAM yazılımını daha iyi anlamak adına kullanılan sayısal şemalar, zaman ayrıklaştırma metotları, tolerans ve ardışık iterasyonlar arasındaki farkın kısıtlamaları gibi çalışmalar da yapılmıştır. Simülasyon sonuçlarına göre OpenFOAM ses üstü hızlarda açık kavite üzerindeki akış probleminde deneysel bulgulara ANSYS-Fluent yazılımından daha çok yaklaşmıştır. Ancak OpenFOAM çok daha ince atılmış ağ yapısı gerektirmektedir. OpenFOAM'un üçüncü boyut etkilerini yakalama yeteneğini de incelemek adına üç boyutlu kavite geometrisi simülasyonu yapılmıştır.
Mach 1.5 süpersonik kavite akışının açık kaynak yazılımla hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri ve sonuçların ticari yazılım simülasyonları ile karşılaştırılması
Bu çalışmanın odak noktası açık kavite üzerindeki yüksek hızlı akışların anlaşılmasıdır. Uçakların mühimmat taşıması için kullanılan, gövdenin iç kısmında yer alan depolama bölgeleri simülasyonlarda dikdörtgen kavite boşluğu olarak modellenmiştir. Bu bölgeler mühimmatı içte taşımaya olanak sağlayarak uçağın radar görünürlüğünü, sürüklenme kuvvetini ve aerodinamik ısınmayı azalttır. Bu nedenle mühendislik uygulamaları açısından ses üstü kavite akışının anlaşılması büyük önem taşır. Açık kavite üzerindeki ses üstü akışlar düzensiz, sıkıştırılabilir ve tübülanslı olması nedeniyle son derece karmaşık özelliklere sahiptir. Akışın fiziğini ve doğasını anlamak, zaman içerisinde akışın özelliklerinde meydana gelen değişiklikleri tahmin edebilmek ve çoğunlukla uçuş sırasında bu akışı kontrol edebilmek son derece kritik olduğu için havacılık uygulamalarında bu karmaşıklığın çözülmesi ciddi önem taşımaktadır. Bu çalışmada ses üstü hızlarda açık kavite üzerindeki akışın simülasyonları açık kaynak kodlu bir yazılım olan OpenFOAM kullanılarak gerçekleştirilmiştir. OpenFOAM yazılımının bu problemi çözmedeki kabiliyeti ve limitlerini belirleyebilmek amacıyla simülasyon sonuçları, ticari bir yazılım olan ANSYS-Fluent yazılımı simülasyon sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Simülasyonlarda akış koşulları düzensiz, sıkıştırılabilir ve türbülanslı olarak belirlenmiş ve sonuçlar kavite duvarlarındaki ses basınç seviyeleri, hızlı Fourier dönüşümü (FFT) ve zamana bağlı değişkenlik gösteren basınç salınımları cinsinden yorumlanmıştır. Elde edilen simülasyon sonuçları, kavite geometrisinin taban duvarındaki ses basınç seviyeleri açısından deneysel veriler ile de kıyaslanmıştır. Deneysel veriler sayesinde, hem açık kaynak kodlu yazılımın güvenilirliği hem de iki yazılım türünün birbiri ile kıyaslanması durumundaki becerileri üzerine yorum yapmak mümkün olmuştur. OpenFOAM yazılımını daha iyi anlamak adına kullanılan sayısal şemalar, zaman ayrıklaştırma metotları, tolerans ve ardışık iterasyonlar arasındaki farkın kısıtlamaları gibi çalışmalar da yapılmıştır. Simülasyon sonuçlarına göre OpenFOAM ses üstü hızlarda açık kavite üzerindeki akış probleminde deneysel bulgulara ANSYS-Fluent yazılımından daha çok yaklaşmıştır. Ancak OpenFOAM çok daha ince atılmış ağ yapısı gerektirmektedir. OpenFOAM'un üçüncü boyut etkilerini yakalama yeteneğini de incelemek adına üç boyutlu kavite geometrisi simülasyonu yapılmıştır.
Bir francis türbin performansının, hesaplamalı akışkanlar dinamiği ve saha verimlilik ölçümleriyle incelenmesi
Hidroelektrik santrallerde elde edilen elektrik enerjisi, öncelikle akan suyun enerjisinin hidrolik türbin yardımıyla mekanik enerjiye çevrilmesi sonrasında jeneratör yardımıyla bu mekanik enerjisinin elektrik enerjisine döndürülmesiyle elde edilir. Hidrolik türbinler ile ilgili literatüre bakıldığında Francis tipi, Kaplan tipi ve Pelton tipi başta olmak üzere çeşitli hidrolik türbin tipleri bulunduğu görülür. Debi, düşü ve enerji üretim büyüklüğü gibi santral çalışma koşulları belirlendikten sonra bu değerlere uygun türbin tipi seçilir. Günümüzde en yaygın olarak kullanılan türbinler Francis tipi türbinlerdir. Karmaşık kanat geometrisi olan çark, Francis tipi türbinlerdeki en önemli parçadır. Suyu yönlendirebilmesi ve istenen performans değerini sağlaması açısından çark kanatları dönüşlü ve değişken üç boyutlu bir profile sahiptir. Karmaşık yapıdaki çark kanadı profili ve genelde bu profillerin şirketlerin gizli bilgisi olması, bu profillere erişimi kısıtlar. Teknik resim verilerinden ise çarkın tüm geometrisi elde edilemez. Dolayısıyla, hidroelektrik santrallerde yapılacak olan rehabilitasyon çalışmalarında mevcut çark, tarama yardımıyla tersine mühendislik yapılarak çark geometrisi elde edilmeye çalışılır. Bunun yanında, geometri elde edildikten sonra meridyonel görünüm, kanat açılarının dağılımı ve kanat kalınlık dağılımı gibi kanat tasarım değişkenlerinin de elde edilmesi gerekir. Bu parametreler elde edildikten sonra ortaya çıkan kanat yapısıyla Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ile doğrulama analizlerinin de yapılması gerekmektedir. Bu çalışmada, Altınkaya Hidroelektrik Santralinde, Romer Absolute Arm portatif lazer tarayıcı ile sahada türbin parçalarının taranması, 3 boyutlu nokta bulutunun elde edilmesi, bu nokta bulutundan katı modellerin elde edilmesi, çark ve diğer aksamların matematiksel modelinin oluşturulması, tüm türbine ait kararlı ve kararsız HAD analizlerinin yapılarak, verim tepe diyagramı ile diğer çalışma özelliklerinin belirlenmesi ilk aşaması olarak belirlenmiş ve bu işlemler sırasıyla gerçekleştirilmiştir. Daha sonra saha verim ölçümü yapılarak, yapılan bu ölçümler Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemiyle elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Sayısal yöntemlerle elde edilen tepe diyagramı ile saha ölçümlerinin karşılaştırılmıştır.
Süpersonik kavite akışının aktif ve pasif yöntemlerle kontrolü
Hava araçlarının içinde mühimmatın taşındığı dikdörtgen boşluklar olan kaviteler üzerindeki yüksek hızlı akışların zamana bağlı değişen, düzensiz ve karmaşık akış özellikleri havacılık uygulamalarında pratik olarak önemli bir sorun teşkil eder. Kavite içi akış alanı türbülansı ve beraberinde basınç dalgalanmaları, yüksek akustik etkiler ile kararsızlıkları barındırmaktadır. Kavite akışının yapısının anlaşılması, basınç salınımlarının ve yüksek akustik etkilerin hafifletilmesi için akışın doğru biçimde simülasyonlarının yapılıp modellenmesi ve uygun kontrol yöntemlerinin uygulanması gereklidir. Bu tez çalışması kapsamında 1.5 Mach serbest akış hızına sahip dikdörtgensel bir kavite üzerindeki akış Hesaplamalı Akışkanlar Mekaniği metotları ile incelenmiştir. Uzunluğun derinliğe oranı 5.07 olan geometride açık kavite akışı özellikleri gözlenmektedir. Yapılan sayısal çalışma literatürdeki deneysel bir çalışma ile doğrulanmıştır. Kavite akışındaki yüksek basınç değerlerini ve salınımları düşürmek, yüksek akustik etkileri hafifletmek amacıyla pasif ve aktif kontrol yöntemleri uygulanmıştır. Pasif yöntemlerin uygulanması kapsamında kavite arka duvarına eğim verilmesi, kavite girişine plaka eklenmesi ve kavite duvarlarına engeller konulması olmak üzere geometride değişiklikler yapılmıştır. Aktif yöntemler ise mikrojetler ve jetler ile hava üfleme bazlı akış kontrolüdür. Akış fiziğinin daha detaylı incelenmesi adına kontrolsüz ve kontrollü akışlarda kavite içinden elde edilen hız verilerine Dikgen Ayrıştırma Yöntemi uygulanmış, akışlardaki mekansal kipler ortaya çıkarılıp düşük mertebeli sistem modellemeleri gerçekleştirilmiştir. Son olarak kontrolsüz ve kontrollü simülasyonlarda kavite duvarlarından elde edilen basınç verilerine bir boyutlu dikgen ayrıştırma uygulanıp gerçek zamanlı akış kontrolü için uygun sensör yerleri belirlenmiştir. Pasif yöntemler ile kavite duvarlarında yüksek ses basınç seviyesi düşürümleri elde edilmiştir ve en etkili sonuçlara arka duvara eğim verilen çalışmada ulaşılmıştır. Arka duvara verilen eğim açısı arttıkça kayma tabakası ile arka duvarın etkileşimi zayıflatılarak basınç salınımlarının genliği düşürülmüştür. Aktif kontrol yöntemleri uygulanarak akış özelliklerinde değişimler meydana getirilmiştir. Mikrojetler ve jetler ile hava üflemede en etkin sonuçlar kavite girişinden uygulama yapıldığında elde edilmiştir. Kavite girişinde sisteme dışarıdan enerji verilerek kayma tabakasının yapısı değiştirilmiştir. Pasif kontrol yöntemlerine nispeten daha az etkili olan aktif kontrol yöntemleri akış koşullarına göre değiştirilebilir olduğu için gerçek zamanlı akış kontrolü için oldukça elverişlidir. Anahtar Kelimeler: Süpersonik kavite akışı, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği, Akış kontrolü, Dikgen Ayrıştırma Yöntemi
Süpersonik kavite akışının aktif ve pasif yöntemlerle kontrolü
Hava araçlarının içinde mühimmatın taşındığı dikdörtgen boşluklar olan kaviteler üzerindeki yüksek hızlı akışların zamana bağlı değişen, düzensiz ve karmaşık akış özellikleri havacılık uygulamalarında pratik olarak önemli bir sorun teşkil eder. Kavite içi akış alanı türbülansı ve beraberinde basınç dalgalanmaları, yüksek akustik etkiler ile kararsızlıkları barındırmaktadır. Kavite akışının yapısının anlaşılması, basınç salınımlarının ve yüksek akustik etkilerin hafifletilmesi için akışın doğru biçimde simülasyonlarının yapılıp modellenmesi ve uygun kontrol yöntemlerinin uygulanması gereklidir. Bu tez çalışması kapsamında 1.5 Mach serbest akış hızına sahip dikdörtgensel bir kavite üzerindeki akış Hesaplamalı Akışkanlar Mekaniği metotları ile incelenmiştir. Uzunluğun derinliğe oranı 5.07 olan geometride açık kavite akışı özellikleri gözlenmektedir. Yapılan sayısal çalışma literatürdeki deneysel bir çalışma ile doğrulanmıştır. Kavite akışındaki yüksek basınç değerlerini ve salınımları düşürmek, yüksek akustik etkileri hafifletmek amacıyla pasif ve aktif kontrol yöntemleri uygulanmıştır. Pasif yöntemlerin uygulanması kapsamında kavite arka duvarına eğim verilmesi, kavite girişine plaka eklenmesi ve kavite duvarlarına engeller konulması olmak üzere geometride değişiklikler yapılmıştır. Aktif yöntemler ise mikrojetler ve jetler ile hava üfleme bazlı akış kontrolüdür. Akış fiziğinin daha detaylı incelenmesi adına kontrolsüz ve kontrollü akışlarda kavite içinden elde edilen hız verilerine Dikgen Ayrıştırma Yöntemi uygulanmış, akışlardaki mekansal kipler ortaya çıkarılıp düşük mertebeli sistem modellemeleri gerçekleştirilmiştir. Son olarak kontrolsüz ve kontrollü simülasyonlarda kavite duvarlarından elde edilen basınç verilerine bir boyutlu dikgen ayrıştırma uygulanıp gerçek zamanlı akış kontrolü için uygun sensör yerleri belirlenmiştir. Pasif yöntemler ile kavite duvarlarında yüksek ses basınç seviyesi düşürümleri elde edilmiştir ve en etkili sonuçlara arka duvara eğim verilen çalışmada ulaşılmıştır. Arka duvara verilen eğim açısı arttıkça kayma tabakası ile arka duvarın etkileşimi zayıflatılarak basınç salınımlarının genliği düşürülmüştür. Aktif kontrol yöntemleri uygulanarak akış özelliklerinde değişimler meydana getirilmiştir. Mikrojetler ve jetler ile hava üflemede en etkin sonuçlar kavite girişinden uygulama yapıldığında elde edilmiştir. Kavite girişinde sisteme dışarıdan enerji verilerek kayma tabakasının yapısı değiştirilmiştir. Pasif kontrol yöntemlerine nispeten daha az etkili olan aktif kontrol yöntemleri akış koşullarına göre değiştirilebilir olduğu için gerçek zamanlı akış kontrolü için oldukça elverişlidir. Anahtar Kelimeler: Süpersonik kavite akışı, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği, Akış kontrolü, Dikgen Ayrıştırma Yöntemi
Süpersonik kavite akışının aktif ve pasif yöntemlerle kontrolü
Hava araçlarının içinde mühimmatın taşındığı dikdörtgen boşluklar olan kaviteler üzerindeki yüksek hızlı akışların zamana bağlı değişen, düzensiz ve karmaşık akış özellikleri havacılık uygulamalarında pratik olarak önemli bir sorun teşkil eder. Kavite içi akış alanı türbülansı ve beraberinde basınç dalgalanmaları, yüksek akustik etkiler ile kararsızlıkları barındırmaktadır. Kavite akışının yapısının anlaşılması, basınç salınımlarının ve yüksek akustik etkilerin hafifletilmesi için akışın doğru biçimde simülasyonlarının yapılıp modellenmesi ve uygun kontrol yöntemlerinin uygulanması gereklidir. Bu tez çalışması kapsamında 1.5 Mach serbest akış hızına sahip dikdörtgensel bir kavite üzerindeki akış Hesaplamalı Akışkanlar Mekaniği metotları ile incelenmiştir. Uzunluğun derinliğe oranı 5.07 olan geometride açık kavite akışı özellikleri gözlenmektedir. Yapılan sayısal çalışma literatürdeki deneysel bir çalışma ile doğrulanmıştır. Kavite akışındaki yüksek basınç değerlerini ve salınımları düşürmek, yüksek akustik etkileri hafifletmek amacıyla pasif ve aktif kontrol yöntemleri uygulanmıştır. Pasif yöntemlerin uygulanması kapsamında kavite arka duvarına eğim verilmesi, kavite girişine plaka eklenmesi ve kavite duvarlarına engeller konulması olmak üzere geometride değişiklikler yapılmıştır. Aktif yöntemler ise mikrojetler ve jetler ile hava üfleme bazlı akış kontrolüdür. Akış fiziğinin daha detaylı incelenmesi adına kontrolsüz ve kontrollü akışlarda kavite içinden elde edilen hız verilerine Dikgen Ayrıştırma Yöntemi uygulanmış, akışlardaki mekansal kipler ortaya çıkarılıp düşük mertebeli sistem modellemeleri gerçekleştirilmiştir. Son olarak kontrolsüz ve kontrollü simülasyonlarda kavite duvarlarından elde edilen basınç verilerine bir boyutlu dikgen ayrıştırma uygulanıp gerçek zamanlı akış kontrolü için uygun sensör yerleri belirlenmiştir. Pasif yöntemler ile kavite duvarlarında yüksek ses basınç seviyesi düşürümleri elde edilmiştir ve en etkili sonuçlara arka duvara eğim verilen çalışmada ulaşılmıştır. Arka duvara verilen eğim açısı arttıkça kayma tabakası ile arka duvarın etkileşimi zayıflatılarak basınç salınımlarının genliği düşürülmüştür. Aktif kontrol yöntemleri uygulanarak akış özelliklerinde değişimler meydana getirilmiştir. Mikrojetler ve jetler ile hava üflemede en etkin sonuçlar kavite girişinden uygulama yapıldığında elde edilmiştir. Kavite girişinde sisteme dışarıdan enerji verilerek kayma tabakasının yapısı değiştirilmiştir. Pasif kontrol yöntemlerine nispeten daha az etkili olan aktif kontrol yöntemleri akış koşullarına göre değiştirilebilir olduğu için gerçek zamanlı akış kontrolü için oldukça elverişlidir. Anahtar Kelimeler: Süpersonik kavite akışı, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği, Akış kontrolü, Dikgen Ayrıştırma Yöntemi