Hipersonik akışta şok-şok ve şok-sınır tabaka etkileşim mekanizmalarının incelenmesi ve ortaya çıkan yüzey isı transferi açısından değerlendirilmesi

Son zamanlarda atmosfer içerisinde hipersonik hızlara ulaşabilen uçak, roket vb. araçların geliştirilmesi için yoğun çalışmalar gerçekleştirilmektedir. Yüksek hızlarda şok dalgası etkileşimleri yapısal zararlar verebilecek yüksek ısınmalara sebep olduğundan bu tür araçların tasarımında karşılaşılan zorlukların en önemlilerinden birisidir. Bu çalışmada, hipersonik hızlardaki akışlarda karşılaşılan şok-şok ve şok-sınır tabaka etkileşimleri, bu etkileşimlerden kaynaklanan yüksek ısı transferi Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemleriyle incelenmiştir. Tez kapsamında literatürde deney sonuçları yer alan ve hipersonik araçların birçok elemanında görülen iki açılı rampa geometrisi kullanılmıştır. İlk olarak, iki rampa açısının sabit olduğu bir durumda sürtünmesiz, laminer ve türbülans modelleriyle analizler gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar deney ve diğer hesaplamalı çalışmalarla karşılaştırılarak hangi akış modelinin gerçeğe en yakın sonuç verdiği tespit edilmiştir. Daha sonra iki ve üç boyutlu hesaplama ağı kullanılarak laminer bir akış için iki açılı rampa geometrisinin ilk açısı sabit tutulup ikinci açısı parametrik olarak değiştirilmiştir. Farklı ikinci rampa açıları için kısa ve uzun dönemde akışın fiziği anlaşılmaya çalışılmış, rampa yüzeylerinde oluşan yüksek basınç ve sıcaklık değişiklikleri değerlendirilmiştir. Bu çalışmanın literatüre en önemli katkılarından birisi, hipersonik hızlarda ulaşılan deney sürelerinin sonrasında hesaplamalı sonuçların akışın zamana göre periyodik olduğunu göstermesidir. İlk olarak, hesaplama modeli ve çözücünün doğruluğunu tespit edebilmek için iki boyutlu hesaplama alanında iki açılı rampa geometrisi üzerinde sürtünmesiz, laminer ve türbülanslı akış modelleri için zamana bağlı HAD analizleri gerçekleştirilmiştir. Hesaplamalar açık kaynak kodlu bir sonlu hacimler yazılımı olan OpenFOAM ile yapılmıştır. Birçok farklı çözücü barındıran OpenFOAM yazılımı içerisinde yoğunluk temelli bir Navier-Stokes çözücüsü olan rhoCentralFoam kullanılmıştır. rhoCentralFoam çözücüsü zamanda ve uzayda sırasıyla 1. ve 2. mertebe doğruluğa sahip olup Kurganov ve Tadmor'un merkezi upwind şemalarını kullandığı için akış alanındaki şok ve benzeri süreksizlikleri salınımsız temsil edebilmektedir. Gazın termodinamik özelliklerini sıcaklığa bağlı olarak modellemek için 7 katsayılı NASA termodinamik bağıntıları kullanılmıştır. Seçilen iki açılı rampa geometrisi etrafında bu çözücü yardımıyla elde edilen sonuçlar deney ölçümleri ve başka hesaplamalı çalışmalarla karşılaştırılarak hem hesaplama modeli hem de çözücü doğrulanmıştır. Ayrıca bu çalışmanın dışında deney verisi bulunan farklı açılara sahip başka bir rampa geometrisi için de çözücü doğrulama çalışması yapılmıştır. Bu doğrulama çalışması sonucunda laminer akış kabulünün deney ölçümleriyle en tutarlı sonuçları verdiği tespit edilmiştir. İkinci olarak, iki açılı rampa geometrisinin ilk rampa açısı sabit tutulmuş, ikinci rampa açısı θ2=40° ile 60° arasında 5° aralıklarla sistematik olarak değiştirilmiştir. Düşük entalpiye sahip iki boyutlu bir akışta farklı θ2 açıları için ortaya çıkan şok etkileşim mekanizmaları, akışın fiziği ve ısı geçişinde meydana gelen değişimler t=327 µs için Mach konturları ve yüzey üzerindeki ortalama ısı akısı dağılımları yardımıyla incelenmiştir. İkinci rampa açısı arttıkça yay (BS) ve üçlü noktadan ikinci rampa yüzeyine doğru ilerleyen şok (TS) dalgalarının güçlendiği, ayrılma bölgesinin hücum kenarına doğru genişlediği, çok sayıda yeni şok dalgasının oluştuğu ve daha geniş bir alanda etkili ısınmalar olduğu gözlenmiştir. Şok etkileşim mekanizması olarak, sadece Edney Tip V ve onun oluşum aşamaları görülmüş ve θ2=50°, 55° ve 60°'de akımın daimi olmadığı gözlenmiştir. TS'nin çarpma açısı ve şiddetinin, TS'nin çarptığı noktada oluşan ayrılma baloncuğunun boyutlarını belirlediği ve diğer yandan ayrılma baloncuğu büyüklüğünün de BS'nin durma mesafesi ve dolayısıyla TS'nin şiddetini değiştirdiği gözlenmiştir. Yani bu iki mekanizma rampa yüzeyi üzerinde sınır tabaka ve BS arasında iki yönlü bir döngü oluşturmuştur. TS çarptığı noktada ters basınç gradyanına sebep olmuş, bu bozuntuların sınır tabaka içerisinde akımüstüne doğru yayılması ise θ2 açısı arttıkça karmaşık ve daimi olmayan bir akışı tetiklemiştir. Bunlara ek olarak, bu döngünün oluşabilmesi için θ2 açısı için bir eşik değeri olduğu ve bu değerin θ2=45°- 50° arasında yer aldığı tespit edilmiştir. Önceki bölümde t=327 µs için değerlendirilen sonuçlardan sonra aynı problem bu sürenin 50 katına kadar süren uzunluklarda analiz edilerek akış alanı içerisinde periyodik bir değişim olma ihtimali araştırılmıştır. Önceki bölümde tespit edilen iki yönlü döngüdeki eşik değerini bulmak için θ2=45°- 50° arası 1° aralıklarla uzun dönemli çözülmüş ve eşik değerinin θ2=47° olduğu tespit edilmiştir. Bundan sonra ikinci rampa açısı θ2=50° ile 60° arasında 5° aralıklarla anlık ayrılma açısı, ayrılma şoku (SS) ve TS'nin anlık konumu, farklı istasyonlardaki anlık basınç ve ısı akısı takip edilmiş, yoğunluk gradyan ve girdap yapılarını görselleştirmede yardımcı olan Q kriteri konturlarıyla şok etkileşim mekanizması ve akış fiziği tarif edilmiştir. Uzun dönemli sonuçlar, θ2=47° eşik değeri altında iki açılı rampa üzerindeki akışın daimi olduğunu, bu eşik değerinin üzerinde ise akışın zamana göre periyodik olduğunu göstermiştir. θ2 açısı arttıkça akış alanı içerisinde şu değişiklikler gözlenmiştir: rampa köşesi civarında girdap sayısı artar, hücum kenarından ayrılma noktasına olan mesafe kısalır, ayrılma bölgesi kalınlaşarak uzar ve TS'nin rampa yüzeyine çarpma süresi kısalır. Elde edilen sonuçlar θ2=60°'nin periyodik akış için bir limit olduğunu göstermiş ve zamana göre periyodik davranış ile ikinci rampa uzunluğu arasında bir ilişki bulunabileceği belirtilmiştir. Son olarak, akışın iki boyutluluğunu koruyup korumadığı ve üç boyutluluğun getirdiği etkilerin incelenmesi için üç boyutta θ2=55° için analizler gerçekleştirilmiştir. Elde edilen üç boyutlu sonuçlar t=327 µs için deney ve başka hesaplamalı çalışmalarla karşılaştırılmış ve iki boyutlu hesaplama alanından elde edilen sonuçlarla arasındaki farklar değerlendirilmiştir. İki ve üç boyutlu sonuçların ikisinde de akışın daimi olmadığı görülmüştür. Hem iki hem de üç boyutlu sonuçlar için yoğunluk gradyan konturları analiz süresinin başlarında Schlieren görüntüleriyle birebir örtüşmektedir. Ancak ilerleyen zamanlarda üç boyutlu sonuçlardaki yoğunluk gradyan konturları Schlieren görüntülerinden uzaklaştığı gözlenmiştir ve sebebinin üç boyuttaki rahatlama etkileri olduğu gösterilmiştir. İki ve üç boyutlu ısı akısı dağılımları karşılaştırıldığında, üç boyutlu sonuçların deney ölçümleriyle daha uyumlu olduğu fakat TS çarpma noktasının akımaltına doğru kaydığı gözlenmiştir. Üç boyutlu sonuçların yer aldığı bölümde θ2=55° değerlendirmesinden sonra, iki açılı rampa geometrisi önceki bölümlerde olduğu gibi ikinci rampa açısı θ2=45° ile 60° arasında 5° aralıklarla değiştirilmiştir. İki boyutlu sonuçlara benzer olarak, θ2=50°, 55° ve 60°'de akımın daimi olmadığı gözlenmiştir. İki ve üç boyutlu sonuçlar karşılaştırıldığında aralarında şu değişiklikler gözlenmiştir: θ2=45° açısında bütün anlarda hemen hemen aynı şok yapıları görülürken θ2>45° açılarında sadece yaklaşık ilk 100 µs'de aynı şok etkileşim mekanizmaları görülmüş, θ2=50° açısında 150 µs sonrasında SS ve BS'nin konumları iki boyutlu sonuçlara göre akımaltında kalmış, θ2 açısı arttığında bu iki şok dalgasının iki ve üç boyutlu sonuçlardaki konumları arasındaki mesafe daha da artmıştır. Bu sebeple, θ2=55° ve 60°'de TS çarpma noktasının konumu iki boyutlu sonuçlara göre önemli ölçüde farklılaşmıştır. İki boyutlu sonuçlarda ayrılma bölgesi içerisinde ayrılma balonlarından dolayı birçok ek şok dalgası oluşurken üç boyutlu sonuçlarda daha az ayrılma baloncuğu ve bu ayrılma baloncuğu kaynaklı daha az şok dalgası oluştuğu gözlenmiştir. θ2=45° haricinde bütün θ2 durumlarında akış tamamen üç boyutludur. Üç boyutlu rahatlama etkisi sebebiyle bütün θ2 açılarında rampa kenarlarına doğru BS'nin akımaltındaki sesaltı bölgenin küçüldüğü, SS'nin akımaltına doğru çekildiği, ayrılma bölgesinin akımaltına doğru daraldığı ve inceldiği ve TP'nin rampa yüzeyine doğru yaklaştığı gözlenmiştir. Özellikle θ2=55° ve 60°'de TS'nin çarpma hattında ayrık yapılar oluşturan akımaltına doğru uzanan Görtler tipi girdapsı yapılar tespit edilmiştir. En yüksek sıcaklıklar TS'nin çarpma hattında meydana gelirken Görtler tipi girdapsı yapılar θ2=55° ve 60°'de TS çarpma hattındaki yüksek ısınmaların akımaltı veya akımüstüne doğru taşınmasına neden olmaktadır. Özetle, üç boyutlu hesaplama alanından elde edilen sonuçlar, özellikle θ2=55° ve 60°'de görülen akışların daimi olmayan, Görtler tipi girdapsı yapıların yer aldığı üç boyutlu doğasını ortaya çıkarmıştır. Sonuç olarak, ikinci rampa açısı arttıkça karmaşık ve daimi olmayan bir akışı tetikleyen sınır tabaka ile BS arasındaki iki yönlü bir döngünün olduğunu ortaya çıkarması bu çalışmanın literatüre sağladığı ana katkılardandır. Ayrıca bu döngünün oluşabilmesi için bir eşik değerinin olduğu, bu eşik değerinin de θ2=47° olduğu tespit edilmiştir. Literatüre yapılan katkıların en önemlilerinden birisi de hipersonik hızlarda ulaşılan deney sürelerinin sonrasında hesaplamalı sonuçların akışın zamana göre periyodik olduğunu göstermesidir. Görülen zamana bağlı periyodik hareketin hipersonik bir araç tasarımında kısıtlayıcı bir faktör olabileceği ve bu sebeple bu çalışmanın bulgularının hipersonik hava araçlarının tasarımında dikkate alınmasını önemli kılmaktadır. Literatüre yapılan katkıların bir diğeri de üç boyutlu akışlarda tespit edilen Görtler tipi girdapsı yapıların yüksek ısınma bölgelerini akımaltına veya akımüstüne taşıyabilmeleridir. Bu sonuç, yüksek hızlı araçların tasarımında akış içerisindeki girdap yapılarının tespit ve takibinin yapılmasını önemli hale getirmektedir.