Scramjet motorlarda alev tutucu geometrisinin hava-yakıt karışımına etkisinin sayısal olarak araştırılması

Scramjet motorları, havayı süpersonik hızlara sıkıştırmak ve daha sonra bu hızda yanma gerçekleştirmek için tasarlanmış jet motorlarıdır. Geleneksel jet motorlarından farklı olarak, scramjetler içerisinde dönen bir fan veya kompresör bulunmaz. Bunun yerine, sabit parçalarla hava hızlandırılıp, sıkıştırılır ve yakıt püskürtülerek yanma işlemi gerçekleştirilir. Yapılan araştırmalar, scramjet motorlar için en uygun yakıtın içerdiği enerji bakımından hidrojen olduğunu ortaya koymuştur. Literatür çalışmalarında scramjet motorlarda yüksek hızdaki hava ile hidrojenin daha verimli bir şekilde karıştırılarak yanmasını sağlamak amacı ile farklı yöntemler denenmiştir. Farklı geometriye sahip alev tutucu kullanımı, farklı hidrojen enjeksiyon yöntemleri ve şok dalgası üretme mekanizmaları bu yöntemler arasındadır. Bu tez çalışmasında ise temel geometrik şekilllerin birleşiminden oluşan hibrit geometrili bir alev tutucu tasarımı gerçekleştirmesi ve resirkülasyon bölgelerinin genişletilerek hava-yakıt karışımının artırılması hedeflenmiştir. Bu doğrultuda yamuk, dikdörtgen, üçgen ve daire geometrilerinin birleşiminden faydalanılmıştır. Oluşturulan alev tutucu geometrileri için arka duvar açısı ve alev tutucu derinliği değişken parametreler olarak belirlenmiştir. Tez çalışmasında farklı derinliğe (H=14 mm, 22 mm, 30 mm ve 35 mm) ve arka duvar açılarına (α=50°, 70° ve 90°) sahip alev tutucu geometrisinin hava-hidrojen karışımına, sıcaklığa ve basınca etkisi sayısal olarak araştırılmıştır. Alev tutucu derinliğinin artışı, alev tutucu içerisinde daha büyük boyutta ve uniform dağılımlı girdap akımları oluşturarak hava-hidrojen karışımının daha homojen olmasını sağlamıştır. Arka bölge açısının artışı hava-hidrojen karışımının, alev tutucunun çıkış bölgesinde yoğunlaşmasına neden olmuştur. Düşük arka bölge açısında ise (α=50°) hava ile hidrojenin daha homojen şekilde karıştığı anlaşılmıştır. Aynı derinlik ve arka duvar açısı değerleri için yamuk+üçgen geometrisinde hem daha uniform hem de daha yüksek konsantrasyonda hidrojen dağılımı elde edilmiştir. Diğer yandan dikdörtgen geometrili alev tutucu için düşük derinlik değerinde alev tutucu duvarlarındaki basıncın da düştüğü, diğer hibrit geometrili alev tutuculardaki derinlik ve arka duvar açısı değişiminin basınçta ihmal edilebilir düzeyde etki oluşturduğu gözlenmiştir. Yamuk ve yamuk+üçgen geometrilerinde alev tutucu içerisinde derinlik ve arka duvar açısına bağlı olarak uniform bir sıcaklık dağılımı elde edilebilirken, dikdörtgen alev tutucu geometrisi tüm parametre değerleri için uniform olmayan bir sıcaklık dağılımı sergilemiştir. Elde edilen tüm bulgular dikkate alındığında alev tutucunun taban yüzey geometrisinin akışı yönlendiren bir etkisinin olduğu sonucuna varılmıştır. Ayrıca boyut ve malzeme cinsi gibi tasarım kriterlerine bağlı olarak hem alev tutucu derinliğinin hem de arka duvar açısının optimize edilmesi verimli bir yanma ve itki gücü açısından önem arz etmektedir.