Yüksek hızlı akışlarda asimetrik üç boyutlu şok tahmin algoritması geliştirilmesi

Şok dalgaları, ses üstü hızlarda hareket eden araçlar etrafında bozuntuların birleşimi sonucu oluşmaktadır. Bu dalgalar genelde ortamda ani ve süreksiz basınç, sıcaklık ve yoğunluk değişimleri ile karakterize edilmektedir. HAD uygulamaları şok fenomeni gibi yüksek gradyan barındıran karmaşık problemlerin çözümünde sıklıkla kullanılmaktadır. Günümüzde ise HAD temel odaklarından biri analiz doğruluklarını muhafaza ederek, minimum zamanda karmaşık çözümlemeler yapabilmektir. Bu kapsamda ses üstü hızlar içeren problemlerde en etkili yöntemlerden biri şok fenomeni gibi yüksek gradyan barındıran bölgelerde uygun çözüm ağı boyutunun kullanılması ve çözüm ağının uygun şekilde hizalanmasıdır. Buna ek olarak şok şeklinin doğru tahmini, tasarım problemlerinde sıklıkla kullanılan hızlı akış tahmin metotlarının kullanılabilmesi için gereklidir. Bu doğrultuda literatürde şok şeklinin belirlenmesi amacıyla farklı yaklaşımlar geliştirilmiştir. Yaklaşımlardan bazıları sadece basit geometriler için kullanılabilen analitik denklemler tabanlı yöntemler, basitleştirilmiş korunum denklemlerinin tersine çözümüne dayalı yöntemler ve önceden belirlenmiş çözümlere dayalı çözüm ağı adaptasyonu yöntemleri olarak örneklendirilebilir. Bu tez çalışması, herhangi bir pahalı HAD simülasyonu ve inceleme maliyeti olmadan, yüksek hızlı hava araçları etrafında durağan şok dalgalarını doğru ve literatürde tanımlı yöntemlerden daha hızlı tahmin edebilecek bir model oluşturulmasını amaçlamaktadır. Çalışmalar kapsamında öncelikle HAD uygulamalarında kullanılan açık kaynaklı SU2 v7.1.1 yazılımı doğrulama çalışmaları, küresel küt burunlu geometriler üzerinde farklı hücum açılarında (0, 5, 10.25) yapılmıştır. Spalart-Allmaras ve SST k-w türbülans modelleri kullanılarak, çözüm ağından bağımsız sonuçlar elde edilmiştir. Hesaplamalar sonucunda analiz sonuçlarının deneysel veriler ile uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. İki ve üç boyutlu şok şekli tahmin algoritmaları tez kapsamında detaylı olarak incelenmiştir. 2B şok şekli tahmin yöntemi temel olarak Billig deneysel hiperbol eğrileri ile ayrık şok tahmini, analitik şok-genişleme denklemleri ile bitişik şok tahmini ve HAD düzeltme faktörü kullanımı ile sonik çizgi ve Mach dalgaları düzeltme işlemlerinden oluşmaktadır. 3B şok tahmini yöntemi ise temelde 2B tahmin yönteminin yüzey akım çizgileri üzerinde uygulanması sonucu oluşturulmaktadır. Yüzey akım çizgilerinin hesaplanabilmesi için geometri yüzey çözüm ağı ile ifade edilmektedir. Ardından serbest akış hızı yüzey üzerine yansıtılarak, çözüm ağı üzerinden akışkan kinematik denklemleri çözümlenmektedir. Hesaplanan şok noktaları 3B bir yüzey haline getirilerek, şok şekli tahmin edilmektedir. 2B ve 3B şok şekli tahmin algoritmaları üzerinde doğrulama çalışmaları yapılmıştır. Çalışmalar kapsamında 2B ve 3B algoritmalar, ogive geometrisi ve küresel küt burunlu konik geometriler kullanımı ile HAD analiz sonuçları ve deneysel veriler ile karşılaştırılarak, incelenmiştir. Bu kapsamda kurgulanan HAD analizleri ogive için Mach 5; küt burunlu konik geometriler için ise Mach 3, 5, 8'de yapılmıştır. Serbest akış koşulları, 0, 5, 10 derece hücum açılarında incelenmiştir. HAD analizleri sonucunda elde edilen şok şekli ve algoritma sonucunda elde edilen şok geometrisinin, akışa maruz kalan geometri ile dik mesafeleri karşılaştırılmıştır. 2B ve 3B karşılaştırmalarda ogive geometrisinde neredeyse fark gözlemlenmezken, konik geometri karşılaştırmalarında yüzde farkların hücum açısı arttıkça arttığı gözlemlenmiştir. 2B geçerleme çalışmalarında maksimum fark yaklaşık %1 olarak hesaplanırken, 3B çalışmalarda fark %4 değerine kadar çıkabilmektedir. HAD çözümleri ile karşılaştırmalara ek olarak, 3B şok şekli tahmin yöntemi deneysel şok şekliyle karşılaştırıldığında ise benzer şekilde hücum açısı ile birlikte hatalar artmaktadır. Deneysel veriler ile geliştirilen algoritma arasındaki maksimum hata değeri %3 'tür.