Düşük mach sayısında kavite içi akışın aeroakustik incelenmesi

Görece basit bir şekle sahip kavite, birçok mühendislik tasarımında karşılaşılabilir bir geometridir. Kavite akışlarına, askeri ve sivil uçakların iniş takımlarında ve yük mühimmat yuvalarında, otomobillerin kapı oyuklarında, otomobillerin ön ve arka cam boşluklarında, yüksek yapılar etrafındaki akışlarda karşılaşılabilmektedir. Basit bir geometriye sahip olmasına rağmen, kavite boyunca akış, içerisinde bulunduğu tasarım ve çevre için oldukça önemli olumsuz etkiler doğurabilmektedir. Daha yüksek sürtünme kuvvetleri, aşırı seviyelerdeki gürültü ve titreşimler, yapılar üzerinde oluşturduğu yüksek basınç kuvvetleri, kavite akışının sebep olduğu önemli problemlerdir. Örnek vermek gerekirse, uçakların iniş sırasında oluşturdukları gürültü, yükünü bırakmak için yük yuvasını açan uçağın içerisinden bırakılan cismin, kavite akışının, alan içerisinde oluşturduğu güçlü basınç, hız ve yoğunluk değişimlerinden kaynaklı yörüngesinden sapması, en önemli kavite akışı sorunlarından bazılarıdır. Kavite ön duvarında oluşmaya başlayan kayma tabakası girdap yapılarının, arka duvar ile etkileşimi, kavite içerisinde ve dışarısında ses basıncı yayılımlarına sebep olmaktadır. Arka duvarından ön duvara doğru ilerleyen ses basınç yayılımı, ön duvarda kayma tabakası ile etkileşmekte, Kelvin-Helmholtz kararsızlığının oluşturduğu akım kopma frekanslarını değiştirmektedir. Bu etkileşim, kayma tabakası kararsızlığını beslemektedir ve kavite rezonanslarının esas sebebini oluşturmaktadır. Bu fenomen Rossiter Mekanizması olarak bilinmektedir. Kendi kendini besleyen kavite salınımları oldukça popüler bir çalışma alanıdır ve hala üzerine çalışılmaya devam edilmektedir. Bu çalışmada, düşük Mach sayısında, açık bir kavite boyunca gerçekleşen akış, sayısal olarak incelenmiş ve aeroakustik analizi yapılmıştır. Akustik alan ile akış alanın etkileşimini ifade eden Rossiter mekanizması düşük Mach sayıları için anlaşılmaya çalışılmıştır. Akış, bir kanal içerisindeki kavite geometrisi boyunca gerçekleşmektedir. Doğrulama çalışmalarında kullanılan deneysel konfigürasyona uygun olarak Reynolds sayısı 4000, Mach sayısı ise 0.035'dir. Akış alanı Büyük Girdap Simülasyonu (LES) kullanılarak çözümlenmiş, sayısal sonuçlarımız deneysel veriler ile karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Doğrulanan akış alanı içerisindeki kaynak yüzeylerden alınan basınç değerleri akustik analojide girdi olarak kullanılmıştır. Ffowcs Williams-Hawking denkleminin basitleştirilmiş formu Curle denklemi kullanılarak elde edilen ses basınç değerleri FFT ile frekans alanına geçilmiş, SPL-Frekans spektrumu üzerinden ses seviyeleri incelenmiştir. Ayrıca bu çalışmalara ek olarak, kavite akışının sebep olduğu gürültünün azaltılması için 2 tip pasif kontrol metodu uygulanmıştır. Bunlardan ilki, kavite duvarlarına minör ölçülerde eğim verilmesi iken ikinci tip uygulama, kayma tabakasının muhtelif bölgelerine, kare kesitli küt bir cismin yerleştirilmesi olmuştur. Gerçekleştirilen analizlerin sonuçları, akustik ve akış alanı açısından karşılaştırılmış, akustik spektrumlardaki düşüşler veya artışlar incelenmiştir. Analizler ANSYS Fluent ticari yazılım kullanılarak yapılmıştır.