Yüksek basınç gradyanlı akışın sayısal modellenmesi

Akışkanların hareketlerinin ön görülmesi için hesaplamalı yöntemlerin kullanılması bilgisayar teknolojisinin gelişmesinin etkisiyle günümüzde gittikçe yaygınlaşan bir çalışma alanıdır. Bu konu son derece karmaşık geometriler için ve deney imkanı olmayan olaylar ya da tasarımlar için öngörü imkanı sunmakla beraber, deneysel çalışmaların maliyetini azaltmaya yönelik olarak da kullanılabilmektedir. Bu tez kapsamında yüksek basınç gradyanlı akış problemi deney imkanı son derece kısıtlı ve pahalı olan su altı patlaması probleminin çözümüne öncü olması amacıyla ele alınmıştır. Su altı patlaması problemi askeri endüstride su üstü ya da su altı gemisi tasarımından, torpido tasarımına kadar geniş bir yelpazede ele alınmaktadır. Tasarımlara yön göstermesi açısından endüstride yapılan simulasyonlar ise genellikle mukavemet hesaplamalarına uygulamasının doğruluğu açısından ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) yöntemi kullanılarak, açık (explicit) çözücüler yardımı ile yapılmaktadır. Ancak bu yöntem su altı patlamasına bağlı deformasyon probleminin ön aşaması olan patlama sonucu oluşan şok dalgasının yayılımı simulasyonları konusunda hem çözümün doğruluğu açısından hem de sayısal çözümün stabilitesi açısından zorluklar ve dezavantajlar içermektedir. Bahsi geçen zorlukların çözümü için yüksek sayıda eleman içeren çözüm ağları ve düşük zaman adımları kullanılmaktadır. Bu nedenle sayısal analizin çözümü görece uzun sürmekte ve çözüm için gerekli bilgisayar konfigurasyonu, dolayısıyla maliyet artmaktadır. Konunun önemi, elde edilen sonuçların doğruluk oranları ve çözüm süreleri göz önüne alınarak endüstride kullanılan mevcut yöntemlerden daha efektif bir yöntem arayışına girişilmiştir. Bu kapsamda uygunluğu ve avantajları Hirch ve Anderson tarafından ifade edilen Sonlu Hacimler Yöntemi ile fiziksel fenomeni temsil edebilme yeteneği Monaghan ve Liu tarafından tarif edilen İPH yöntemi örnek bir probleme uygulanmıştır. İki yöntemde kendi içlerinde uygulama metodolojileri açısından literatür incelemeleri ile optimize edilerek doğruluk oranları arttırılmıştır. Uygulama metodolojileri belirlenirken litertürde bulunan örnek problemin doğasına uygun olarak hareketi tanımlayan denklemlerin ayrıklaştırılması yapılmış, çözüm adımları ve ortam parametreleri ve sınır koşulları ona göre belirlenmiştir. Ancak tez kapsamında sunulmuş olan metodolojiler bazı değişiklikler uygulanılarak su altı patlaması problemine uygun hale getirilebilir. Bu değişikliklere ihtiyaç duyulması büyük oranda örnek çalışmanın ideal gaz tanımına uyan bir ortamda yapılması ile ilişkilidir. Bu nedenle literatürde bolca bulunan sıkıştırılabilir sıvı tanımlamalarından biri kullanılarak denklemler revize edilerek metodoloji su altı patlamalarına uygulanabilir. Bu tez çalışması kapsamında sonlu hacimler yönteminin uygulamasında ANSYS FLUENT programı kullanılmış, İPH yöntemi için ise Fortran programlama dili kullanılarak iki boyutlu şok dalgasının ilerlemesini hesaplayan bir kod yazılmıştır. Sonuçlar literatürde bulunmuş olan bir çalışma ile karşılaştırılarak doğrulanmış ve yöntemlerin uygunluk miktarı incelenmiştir. Elde edilmiş olan sonuçlar, kullanılmış olan sayısal yöntemlerin ve uygulama metodolojilerinin yüksek basınç gradyanının ilerlemesi probleminin çözümü açısından uygun olduklarını göstermekle birlikte, literatürde bahsedilmiş olan dezavantajlarını da göstermiştir.