Transonik hızda kavite akışına maruz kalan mühimmat ayrılmasının HAD analizi

Bu tez çalışmasında, yeni nesil avcı uçaklarında kullanılan içeriden mühimmat ayrılması Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ve altı serbestlik dereceli hareket denklemlerinin birlikte kullanılması ile çözülmüştür. Öncelikle, hareket denklemlerinin çözümünün doğrulanması amacı ile deneysel sonuçları literatürde yer alan dışarıdan mühimmat ayrılmasına örnek olan EGLIN çalışması sayısal olarak tekrar edilmiştir. Daha sonra, literatürde M219 adıyla anılan deneysel çalışması sayısal yöntem ile doğrulanmıştır. Doğrulama çalışmalarından sonra temiz ve pasif kontrol yöntemlerin uygulandığı kaviteden mühimmat ayrılması benzetimleri gerçekleştirilmiştir. EGLIN doğrulanmasında öncelikle deney düzeneğinde kullanılan tutucunun mühimmat yörüngesine olan etkisi incelenmiştir. Bunun için farklı ağ yoğunlukları için viskoz olmayan akış yaklaşımı ile mühimmat tutuculu ve tutucusuz kanat altından olan ayrılmanın sayısal benzetimi gerçekleştirilip sonuçlar karşılaştırılmıştır. Deney setinde kullanılan tutucunun, yörüngeye etki etmediği ortaya konmuş olup sonraki çalışmalarda tutucu kullanılmamıştır. Ağ yoğunluğunun etkilerinin incelenmesi için 600 bin, 1 milyon, 1,7 milyon, 3,8 milyon ve 5,4 milyon hücreye sahip ağlar için viskoz olmayan sayısal çözümler gerçekleştirilmiştir. 3,8 milyon hücreli ağın ağ yoğunluğu bakımından sınır değer olduğu, bu yoğunluktan sonra sonucun ağdan bağımsız hale geldiği bulunmuştur. Viskoz etkilerin incelenebilmesi için 2,8 milyon ve 5,9 milyon hücreli ağlar için SST k-ω türbülans modeli ile mühimmat ayrılması sayısal çözümü tekrar edilmiştir. Çalışmanın bu bölümünde dışarıdan mühimmat ayrılmasında her ne kadar viskoz olmayan akış yaklaşımın kullanılabileceği ortaya konulmuş olsa da, türbülanslı akış modeli çözümlerinin deneysel sonuçlar ile daha uyumlu olduğu gösterilmiştir. EGLIN doğrulama çalışmasında son olarak çözücü algoritmasının etkileri incelenmiştir. Bu kapsamda 5,8 milyon hücreli ağ yoğunluk tabanlı ve basınç tabanlı SST k-ω türbülans modeli çözümleri gerçekleştirilmiştir. Basınç tabanlı algoritma aynı ağ yapısı için deneysel sonuçlarla daha fazla uyumlu olmuştur. Sonuç olarak; sayısal çözüme ait sonuçların EGLIN deneysel çalışmasına ait sonuçlar ile hem öteleme hem de dönme değerleri bakımından uyum içinde olması neticesinde sayısal çözüm doğrulanmıştır. Kavite akışı doğrulama çalışması için literatürde M219 adıyla anılan uzunluk-derinlik (L/D) oranı 5 olan 0,85 Mach serbest akış hızındaki deneysel çalışma kullanılmıştır. Kavite akışı doğrulama çalışmasında kapaksız ve 90 derece kapak açısına sahip kapaklı iki temiz kavite çalışması gerçekleştirilmiştir. Her iki sayısal çalışmada Detached Eddy Simulation (DES) türbülans modeli kullanılmıştır. Sayısal çözümden elde edilen ortalama hız, türbülans kinetik enerji ve Reynolds gerilmesi gibi akış parametreleri referans Large Eddy Simulation (LES) değerleri ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca kavite tabanından elde edilen ortalama ses basınç düzeyi deneysel değerler ile karşılaştırılmıştır. Sayısal çözümden elde edilen değerlerin deneysel ve referans LES çalışması ile uyum içinde olduğu ortaya konulmuştur. İçeriden mühimmat ayrılması çalışmasında, M219 deneysel çalışmasındaki L/D oranı 5 olan ve serbest akış hızı 0,85 Mach olan kavite ile EGLIN deneysel çalışmasındaki jenerik mühimmat kullanılmıştır. Bu kapsamda gerçekleştirilen hem hareketli hem de hareketsiz tüm sayısal çözümlerde DES türbülans modeli kullanılmıştır. Kapak açısı 90 derece olan temiz kaviteye yerleştirilen jenerik mühimmat önce yerçekimi yönündeki kuvvetin maksimum ve minimum olduğu iki farklı fırlatma zamanında aynı fırlatma kuvvetleri ile bırakılmıştır. L/D oranı 5 olan temiz kaviteden 0,85 Mach hızında jenerik mühimmatın izlediği yörüngenin nicel olarak fırlatma zamanına bağlı olduğu görülse de temel olarak iki farklı fırlatma zamanında aynı yörünge elde edilmiştir. Kapak açısı 90 derece ve L/D oranı 5 olan temiz kaviteye sıkıca yerleştirilen jenerik mühimmat, iki farklı fırlatma zamanında da kaviteyi terk edecek iken mühimmatın arkasında bulunan aynı kanatçığın kavite kapağına aynı noktada çarptığı görülmüştür. Mühimmatın kavite kapağına çarpmaması için kavite kapağı dışa doğru 30 derece açılandırılarak kapak açısı 60 derece olacak şekilde temiz kaviteden mühimmat ayrılması benzetimi gerçekleştirilmiştir. Mühimmat kapak açısı 60 derece olan temiz kaviteden her hangi bir yere temas etmeden kaviteyi terk etmeyi başarmıştır. Fakat hücum açısı 20 dereceye kadar, açısal hızı ise 80 derece/saniye kadar çıkmasından ötürü kabul edilemez bir yörünge elde edilmiştir. Üç farklı pasif akış kontrol yöntemi uygulanarak mühimmatın izlediği bu yörünge iyileştirilmek istenmiştir. M219 deneysel çalışmasında arka duvarın eğimli hale getirilmesi ve kavite önüne dikdörtgen biçiminde spoyler yerleştirilmesi kavite içerisindeki ses basınç düzeyini düşürdüğü deneysel ve sayısal çalışmalar ile ortaya konulmuştur. Bu çalışmada da bu iki pasif yöntem ile birlikte kullanıldığı üçüncü pasif kontrol yöntemi içeriden mühimmat ayrılmasında denenmiştir. Sadece kavitenin firar kenarının kavite tabanı ile 45 derece açı yapacak şekilde eğilmesinin mühimmat üzerindeki maksimum ses basınç düzeyini iyileştirmek yerine 2 dB kadar artırdığı, fakat mühimmatın izlediği yörüngeyi hücum açısı ve açısal hız bakımından bir miktar iyileştirdiği tespit edilmiştir. Kavite önüne yerleştirilen dikdörtgen biçimindeki spoyler mühimmat üzerindeki maksimum ses basınç düzeyini 4 dB kadar düşürmüş ve mühimmatın izlediği yörüngede tüm açılarda ve açısal hızlarda en iyi iyileştirmeyi ortaya koymuştur. Kavite önüne spoyler yerleştirlmesi ve kavite firar kenarının eğimli hale getirildiği birleşik pasif kontrol yöntemi ise mühimmat üzerinde oluşan maksimum ses basınç düzeyini 7 dB kadar düşürerek akustik anlamda en iyi iyileştirmeyi yapan yöntem olmuştur. Bu pasif yöntem mühimmatın izlediği yörünge bakımından sadece önünde spoyler olan pasif kontrol yönteminden daha etkili olamamıştır. Son olarak genişlik-derinlik (W/D) oranı 1,25 ve kapak açısı 90 derece olan temiz kaviteden bırakma işlemi gerçekleştirilerek kavite genişliğinin mühimmat ayrılmasına etkisi incelenmiştir. Kavite genişliğinin artırılması hem mühimmat üzerinde oluşan ses basınç düzeyini artırmakta hem de mühimmatın izlediği yörüngeyi istenilenden uzaklaştırmaktadır. Kavite genişliğini artırmanın yerine kavite kapaklarını dışarı doğru açılandırmanın hem akustik açıdan hem de mühimmatın izlediği yörünge bakımından daha iyi sonuç verdiği ortaya konulmuştur. Anahtar Sözcükler: HAD, Hareketli Ağ, Mühimmat Ayrılması, Kavite Akışı, Pasif Akış Kontrol Yöntemleri