LEE- Isı Akışkan Lisansüstü Programı- Yüksek Lisans
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Son Başvurular
1 - 5 / 35
-
ÖgeDizel bir motorun rakım performansının turboşarj kompresörü optimizasyonuyla arttırılması(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-05-20)Teknolojinin sürekli olarak gelişmesiyle birlikte, 19. yüzyıldan bu yana hayatımızı kolaylaştıran içten yanmalı motorların performansı da artmaktadır. Bununla birlikte trafikteki araç sayısı arttıkça, kısıtlı fosil yakıt rezervleri sebebiyle motorların yakıt verimliliğinin artması günümüzde önemli hale gelmiştir. Buna ek olarak motorlardan yayılan emisyonların hem sera gazı etkisi yaratması hem de insan sağlığına olan olumsuz etkileri sebebiyle bir aracın emisyon performansı dikkate alınmaya başlanmış ve özellikle 21. yüzyıl itibariyle emisyon standartlarıyla ilgili birtakım kritik önemler alınmıştır. Emisyon salınımıyla ilgili ilk önemli adım 1992 yılında yayınlanan Euro 1 emisyon standartlarıyla birlikte dizel motorların karbonmonoksit, partikül madde emisyonlarına sınır getirilmiştir. İlerleyen yıllarda devreye alınan Euro 3 standartıyla azot oksit ve hidrokarbon emisyonlarına da sınırlama getirilmiştir. Bu emisyon kısıtlamaları her geçen gün daha da artmaktadır ve 2025 itibariyle Euro 7 emisyon standardının uygulamaya başlanması hedeflenmektedir [1]. İçten yanmalı motorlarda hem yakıt verimliliği arttırmak, hem de uygulanan emisyon standartlarına uyabilmek için birçok teknoloji geliştirilmiştir. Bunlardan en önemlisi turboşarj adı verilen aşırı doldurma sistemidir. Turboşarj sistemi, temel olarak türbin, kompresör ve bunlar arasında güç aktarımı sağlayan mil komponentlerinden oluşmaktadır. Egzoz gazları sahip olduğu hız ve sıcaklıkla yüksek bir termal enerjiye sahiptir. Türbin komponenti, bu termal enerjiyi kullanarak mekanik güç üretir ve şafta bu gücü aktarır. Şaftın diğer tarafındaki kompresör komponenti şafttan aldığı güçle dönmeye başlar ve motor girişindeki hava kompresörden geçerek basıncı arttırılır. Kompresör havanın basıncını arttırırken aynı zamanda sıcaklığını da arttırmaktadır. Motor içerisinde daha verimli bir yanmanın gerçekleştirilmesi için basınçlı hava bir ara soğutucudan geçirilir ve silindir içerisine portlar aracılığıyla alınır. Silindirlerdeki yanma sonucu egzoz gazları tekrardan türbine gönderilir ve böylece bir çevrim tamamlanmış olur. Turboşarj kompresörleri havanın basıncını arttırırken aynı zamanda hava sıkıştırılabilir bir gaz olduğu için silindirlere alınan hava miktarı da arttırılmaktadır. Böylelikle motor içerisinde daha verimli bir yanma gerçekleşir ve daha küçük hacimli bir motorla atmosferik motorların ürettiği güçlere çıkılabilir. Ayrıca bu sayede motorun hem yakıt verimi, hem de emisyon performansında iyileşme sağlanır. Kompresör girişindeki havanın atmosferik koşullarına göre kompresörün çalışma şartları değişmektedir. Günümüz turboşarjlarında, kompresör çıkışında hedeflenen basıncı yakalamak adına tahliye kapağı bulunur. Temel olarak çalışma prensibi şöyledir: Tahliye kapağı türbin girişinde bulunmaktadır. Kompresörün talep ettiği güçten fazla egzoz gazı enerjisi olması durumunda fazlalık egzoz gazlarının tahliyesinde kullanılmaktadır. Kompresör çıkışına bir yay bağlanır ve basınç kuvveti hedeflenen değere ulaştığında yay aktive edilir. Yayın aktivasyonu tahliye kapağını açar ve fazlalık enerji türbine girmeden baypas edilir. Motor kalibrasyonları, bu hedeflenen kompresör çıkış basıncına göre yapılmaktadır. Bir diğer deyişle, kompresör sabit bir basınç hedefine göre çalışmaktadır. Ancak operasyonel olarak rakım arttığında kompresör girişindeki basınç düşmekte ve basınç hedefi sabit olduğu için kompresörün basınç oranı artmaktadır. Basınç oranının artması, kompresör çıkış sıcaklıklarını da arttırmakta; ancak malzeme teknolojisi sebebiyle belirli bir sıcaklıktan sonra kompresör mekanik zarara uğramaktadır. Bu limit sıcaklık değerine ulaşınca, malzemenin zarara uğramaması için kompresörün basınç oranı daha fazla arttırılmaz ve silindirlere alınan hava sınırlandırılır. Havanın azalmasıyla birlikte silindirlere enjekte edilen yakıt miktarı da azaltılmak zorunda kalınır ve motor bu rakım seviyesinden daha yükseklerde deniz seviyesinden daha az güç üretir. Kompresörün çalışma veriminin artması, kompresörün şafttan aldığı gücü daha az kayıpla kullanmasına ve kompresör çıkışındaki gazın sıcaklığının daha düşük seviyelere çıkmasını sağlamaktadır. Böylelikle sadece kompresörün veriminin arttırılmasıyla, içten yanmalı motorun güçten düşmeye başladığı rakım seviyesi daha yükseklere çekilebilir. Bu tez kapsamında, 3.4 litre bir dizel motorunun rakım performansı, turboşarj kompresörü aracılığıyla incelenmiştir. Bu dizel motorunun sağladığı güç, deniz seviyesinde motor isterlerini karşılasa da motorun operasyonel konseptinde yer alan 1500 metre rakım seviyesinde daha az güç ürettiği gözlemlenmiştir. Buna sebep olarak motorda kullanılan kompresörün çalışma verimlerinin düşük olduğu görülmüş ve burada yapılabilecek bir iyileşmeyle motorun operasyonel konseptine uygun şekilde 1500 metre rakımda istenilen gücü sağlayabileceği kanaatine varılmıştır. Bu kapsamda öncelikli olarak HAD analiz modelinin doğrulanması adına mevcut kompresör geometrisi üzerinde CFX yazılımı kullanılarak HAD analizleri gerçekleştirilmiş ve HAD analiz sonuçları test verisi kullanılarak doğrulanmıştır. Buna ek olarak bu dizel motora ait dinamometre verileri de mevcuttur. Motorun komponentlerinin 1 boyutlu olarak modellenebildiği GT-Suite yazılımı kullanılarak motora ait 1 boyutlu bir model geliştirilmiş ve bu model dinamometre verileri kullanılarak doğrulanmıştır. Bir sonraki aşamada, mevcut kompresör geometrisi literatür taramasına göre parametrize edilmiştir ve geometri kompresör tasarım noktasında optimize edilmiştir. Hedeflenen optimizasyon çıktıları benzer basınç oranları ve yüksek verim değerleri olmuştur. Optimizasyon sonucu elde edilen kompresöre ait tüm bir kompresör haritası çıkartılmış ve kompresör haritası GT-Suite yazılımına gömülmüştür. GT-Suite kullanılarak hem deniz seviyesinde, hem de 1500 metre rakım seviyesinde bir boyutlu analizler koşulmuş ve optimize edilmiş kompresörün performansı ortaya koyulmuştur. Kompresörde kullanılan malzeme özelliklerine göre kompresörün dayanabileceği maksimum sıcaklığın 200 °C olduğu bilinmektedir. Yapılan optimizasyon çalışmasıyla, mevcut kompresörün tasarım noktasındaki toplam-toplam izantropik verimi 0.7'den, 0,795 seviyesine çıkartılarak çalışma verimi %7.4 mertebesinde arttırılmıştır. Ayrıca mevcut kompresör 1500 metre rakım seviyesinde çalışırken maksimum 214 °C sıcaklıklara ulaşırken optimize edilmiş kompresör maksimum 188 °C kompresör çıkış sıcaklığına ulaşmaktadır ve bu sayede motor deniz seviyesiyle aynı gücü verecek duruma ulaştırılmıştır. Bunu yaparken kompresörün basınç oranlarında düşük değişiklerin olması hedeflenmelidir. Optimize edilmiş geometri haritası incelendiğinde aynı çalışma noktalarında basınç oranlarında ortalama %1-2'lik farklılıklar olduğu gözlemlenmiş, bu optimizasyon hedefi de başarıyla geçekleştirilmiştir.
-
ÖgeClosed-loop flow separation control in the backward facing step flow using fuzzy-based PID controller(Graduate School, 2022)Fluid flow around solid bodies from rudimentary to sophisticated, is one of the spotlights in fluid dynamic analysis which includes various phenomena such as flow separation. Flow separation is an important engineering topic which has been considered in various internal and external flow problems leading to pressure drag, loss of lift, stall, pressure recovery losses and vortex shedding leading to significant failure in the resonance frequency domain. The problem which has become benchmark regarding the flow separation and reattachment length is the Backward Facing Step. Despite of having tremendous theoretical, numerical, and experimental studies related to this problem, there have been less value of research regarding the flow control in this geometry. Having reattachment after separation of the flow in this geometry increases the unsteadiness, pressure fluctuations, vibrations and noise disturbances. Among the various actuators employed for ameliorating aforementioned issue, the synthetic jet known actuator has been notified. In the beginning of this study, the sinusoidal synthetic configuration has been investigated, and related equations have been extracted. In order of comparing the results, two cases of studies including without and with jet were studied. In the first part of study, the numerical analysis has been conducted to validate the gathered results from the reference studies in the literature using ANSYS FLUENT. The results have concluded that simulation results had the acceptable agreement with the previously conducted reference studies. In the next step, the main Computational Fluid Dynamics simulation part of this study including the single sinusoidal synthetic jet over the step wall was carried out in three different Reynolds numbers as 200, 300, and 400. Having carried out the simulation related to the with-jet case, discrete transfer function was extracted using systemIdentification toolbox of MATLAB. The transfer function with 5 poles and 4 zeros reached the desirable agreement with the reference data. The achieved transfer function was utilized in the SIMULINK models being designed for testing the various Proportional-Integral-Differential (PID) controller configurations. Three types of conventional, Fuzzy and optimized fuzzy PID controllers were considered for investigation and comparison. Three gains including proportional (Kp ′), integral (α) and derivative (Kd ′) of the PID controller were tuned based on classical Ziegler–Nichols and Fuzzy Inference System (FIS). The results revealed that the fuzzy-PID controller has better efficiency regarding the overshoot, rising time and settling time criteria in comparison with conventional PID controller. To reach the better performance of the fuzzy-PID controller, two methods of genetic algorithm and particle swarm optimization methods were employed. Subsequently, the optimized fuzzy inference system from this method was inserted in the SIMULINK model and optimized fuzzy PID controller was constructed. The comparison between three defined PID controllers (conventional, fuzzy, optimized fuzzy) were conducted using the designed SIMULINK model. The results showed that the least values of overshoot, rising time and settling was belonging to the optimized fuzzy PID controller based on defined cost function criteria. After that, instead of applying the extracted transfer function, ANSYS FLUENT was coupled with SIMULINK. The obtained results revealed that the designed PID controller was able to define a desirable amplitude for the jet where the fluctuation of the drag coefficient has been eliminated and the magnitude of the recirculation length became less than value of the without jet case of study by 17.35 %. Furthermore, eliminating the fluctuations of the drag coefficient leads to less consuming energy of the jet which is the another benefits of the applying optimized fuzzy-PID controller. Finally, the results are investigated in detail considering the underlying physical phenomena around the step wall. In the next step, the main CFD simulation part of this study including the single sinusoidal synthetic jet over the step wall was carried out in three different Reynolds numbers as 200, 300, and 400. Having carried out the simulation related to the with-jet case, discrete transfer function related to the 400 Reynolds number was extracted using systemIdentification toolbox of MATLAB. The transfer function with 5 poles and 4 zeros reached the desirable agreement with the reference data, and validated based on 200 and 300 Reynolds numbers. The achieved transfer function was utilized in the SIMULINK models being designed for testing the various upcoming Proportional-Integral-Differential (PID) controller configurations. Three types of conventional, Fuzzy and optimized fuzzy PID controllers were considered for investigation and comparison. Three gains including proportional (Kp ′), integral (α) and derivative (Kd ′) of the PID controller were tuned based on classical Ziegler–Nichols and Fuzzy Inference System (FIS). The results revealed that the fuzzy-PID controller has better efficiency regarding the overshoot, rising time and settling time criteria in comparison with conventional PID controller. To reach the better performance of the fuzzy-PID controller, two methods of genetic algorithm and particle swarm optimization methods were employed. The tournament selection method based on bisector defuzzification showed the least value of the cost function and Number of Function Evaluation with respect two other selection methods. Subsequently, the optimized fuzzy inference system from this method was inserted in the SIMULINK model and optimized fuzzy PID controller was constructed. The comparison between three defined PID controllers (conventional, fuzzy, optimized fuzzy) were conducted using the designed SIMULINK model. The results showed that the least values of overshoot, rising time and settling was belonging to the optimized fuzzy PID controller based on normalized cost function criteria. After that, instead of applying the extracted transfer function, ANSYS FLUENT was coupled with SIMULINK. The obtained results revealed that the designed PID controller was able to define a desirable amplitude for the jet where the fluctuation of the drag coefficient has been eliminated and the magnitude of the recirculation length became less than value of the without jet case of study by 17.35 %. Additionally, the results depicted that the designed SIMULINK model with considering the optimized fuzzy-PID controller is able to reach the defined drag coefficient being less than the sinusoidal jet without PID case of study. Furthermore, eliminating the fluctuations of the drag coefficient leads to less consuming energy of the jet which is the another benefits of the applying optimized fuzzy-PID controller. Finally, the dimensional analysis of the fluid physical phenomena around the step wall was conducted. The results concluded that the height and width of the secondary vortex for the with sinusoidal jet tuned by optimized fuzzy PID controller is higher than the without-jet case of study.
-
ÖgeExperimental investigation of heat transfer performance of fin-and-tube heat exchangers for dry and wet conditions(Graduate School, 2024-06-14)Bu çalışmada kanatlı borulu ısı değiştiriciler üzerinde deneysel bir çalışma yapılmıştır. Kanatlı borulu ısı değiştiricileri iklimlendirme sektöründe ortam şartlandırılması için kullanılan bir ısı değiştirici tipidir. En sık kullanıldığı yerler ofis, toplum merkezleri (alışveriş merkezleri, hastane vb.) , konut gibi yerlerdir. Bu yerlerin ortak özelliği insanların aktif halde bu yerlerde bulunmasıdır. İnsanların bulunduğu yerlerde daha rahat çalışması, bulunması veya yaşaması için termal konfor gereklidir. Termal konfor tanımı genel olarak ofislerde çalışanların ideal sıcaklık, nem ve hava akımının olduğu iklim koşullarında çalışmasını ifade eder. Farklı yerlerde bu tanımdaki sıcaklık, nem ve hava akımı değerlerinin sınırları değişse de tanımın kendisi değişmez. Klima santralleri insanların bulunduğu yerlerdeki termal konfor için kurulmuş sistemlerdir. Kanatlı borulu ısı değiştiricileri bu sistemin en önemli kısımlarından biridir. Kanatlı borulu ısı değiştiricileri temel olarak lamel ve borudan oluşmaktadır. Isı transfer yüzeyinin arttırmak amacıyla birçok kanadın arka arkaya belirli bir aralıklarla konulması ve düzenli olarak dizilmiş boru demetinin boru kanatların içerisinden sıkı geçmesiyle oluşturulmuş yapılardır. Kanatlı borulu ısı değiştiricilerindeki ısı transferi performansını etkileyen birçok parametre mevcuttur. Geometrik olarak bakıldığında boru dizilimi, kanat geometrisi ve kalınlığı, boru çapı, boru malzemesi en önemli etken parametrelerindendir. Isı değiştiricisinin hava tarafı giriş şartları da ısı transferi performansını etkileyen parametreler arasındandır. Literatürde kanatlı borulu ısı değiştiricilerinde boru içi akışının ısı transferine etkisini ve hava tarafındaki koşulların ısı transferine performansını inceleyen birçok çalışma bulunmaktadır. Yapılan çalışmalar neticesinde, literatürde boru içerisindeki akışın ısı transferine etkisi hava tarafının ısı transfer performansına etkisine kıyasla daha çok kabul edilmiş bilgiler mevcuttur. Hava tarafı ile ilgili çalışmalar hala devam edilmektedir. Kanatlı borulu ısı değiştiricilerinde hava şartlandırılmak için ısıtılır veya soğutulur. Nemli havanın ısıtıldığı yani yüzeylerde yoğuşma olmayan kuru şartlardaki çalışmalar literatürde mevcuttur. Nemli havanın soğutulduğu durumlar ile ilgili de literatürde çalışmalar mevcuttur. Bu durumda kanat yüzey sıcaklığı, havanın sıcaklığı ve nemi göz önüne alındığında o şartlardaki çiğ noktasından daha küçük olduğu durumlarda yoğuşma meydana gelmektedir. Bu tez kapsamında, kanatlı borulu ısı değiştiricisinin kuru ve ıslak şartlarda deneyleri yapılmıştır. Kuru şart ve ıslak şartlardaki yapılan deneylerde hava sıcaklığı aynıdır. Deneyler aynı sıra sayısı, aynı kanat aralığı ve aynı geometrik boru dizilimi olmak üzere tek bir ısı değiştiricisi üzerinden yapılmıştır. Hava tarafı giriş bağıl nemi ve hava hızı değişken parametre olarak kabul edilmiştir. Sırası ile %90,%80 ve %70 giriş bağıl neminde deneyler yapılmıştır. Birinci bölümde tezin amacından ve literatür çalışmalarından bahsedilmiştir. Bu çalışmada, 4 sıralı ve 31.75 x 28 mm tüp düzenine sahip bir kanatlı ve borulu ısı eşanjörü farklı bağıl nemlerde test edilmiştir. Deneysel çalışmalar yoğuşmasız kuru koşullar ve yoğuşmalı ıslak koşullar için gerçekleştirilmiştir. Tezin amacı, kuru ve ıslak şartlarda yapılan ısı değiştiricisi deneylerinden elde edilen Colburn-j faktörünü literatürde kullanılan korelasyonlarla karşılaştırılmasıdır. Aynı zamanda kanatlı borulu ısı değiştiricileri ile ilgili bilgiler verilmiştir. Bölüm 2'de ise kanatlı borulu ısı değiştiricilerinin ısı transferi için teorik hesaplaması ile ilgili bilgiler verilmiştir. Elektrik benzeşim metotlarının özeti olarak toplam ısı geçiş katsayısının hem ıslak hem de kuru şartlarda teorik hesaplanması detaylı olarak anlatılmıştır. Kanat verimi ve yüzey verimi kavramlarının yanı sıra hava tarafı ve akışkan tarafı ısı taşınım katsayısının bulunması için literatürde kullanılan örnek korelasyonlar paylaşılmıştır. Bölüm 3'de tez çalışmasındaki deneysel çalışma anlatılmıştır. Deneysel çalışmanın gerçekleştiği laboratuvar, deney koşulları ile ilgili bilgiler aktarılmıştır. Deneyler sırasında kullanılan kanatlı borulu ısı değiştiricisinin yapısal özellikleri ile ilgili bilgiler verilmiştir. Kuru şartlarda ve ıslak şartlarda deneylerin yapılma sürecini ve deney sonuçları detaylı olarak Bölüm'3 içerisinde paylaşılmıştır. Bölüm'4 de ise, Bölüm 3 kısmında deneysel verilerden alınan bilgiler kullanılarak deneysel çalışmadaki boyutlu bir parametre olan ısı taşınım katsayısı değeri elde edilmiştir. Elde edilen ısı taşınım katsayısı verisi hem kuru şart hem de ıslak şart içinde kullanılarak boyutsuz bir parametre olan Colburn-J faktörü bulunmuştur. Bölüm 5 içerisinde ise yapılan çalışmanın bir özeti ve sonuçların değerlendirilmesi yapılmıştır. Kuru şartlardaki testler literatürdekiler ile karşılaştırılırken ıslak şartlardaki testler kendi içinde değerlendirilmiştir. Sonuç kısmında ise kuru ve ıslak şartlardaki deney sonuçları kendi içerisinde yorumlanmıştır. Kuru koşullarda, hava hızı arttıkça, ısıl kapasite ve hava tarafı basınç kaybı değeri artmaktadır. Hava hızı iki katına çıktığında hava tarafı basınç kaybı değeri 2.85 kat artmaktadır. Kuru koşullarda, Reynolds sayısı arttıkça kanatçık verimi düşmektedir. Reynolds sayısı iki katına çıktığında kanatçık verimi %6.2 oranında azalmaktadır. Reynolds sayısı arttığında Colburn j-faktörü azalmaktadır. Isı transfer katsayısı Colburn j-faktörünün tamamen tersi bir davranış gösterir. Reynolds sayısı arttıkça ısı transfer katsayısı da artar. Reynolds sayısı iki katına çıktığında Colburn j-faktörü %30.5 oranında azalırken ısı transfer katsayısı değeri %35.5 oranında artmaktadır. Deneysel sonuçlardan elde edilen ısı transfer katsayısı ve Colburn j faktörü değerleri literatürde VDI Heat Atlas (2010) korelasyonuna benzemektedir. Düşük Reynolds sayılarında %10'luk bir fark varken, Reynolds sayısı arttıkça bu fark %1'e düşmüştür. Rich (1973) korelasyonunda ise düşük Reynolds sayılarında sonuçlar oldukça benzer iken Reynolds sayısı arttıkça sonuçların ayrıştığı gözlemlenmiştir. Islak koşullarda aynı Reynolds sayısı ve farklı bağıl nemlerde sonuçlar %3 ile %10 arasında değişmektedir. Kuru ve ıslak koşulların hava tarafı basınç kaybı değerleri aynı Reynolds sayısında karşılaştırıldığında, minimum %56 ve maksimum %80 fark ile ortalama %71 fark vardır. Isı transfer katsayısı ve Colburn j-faktörü değerleri birbiriyle uyumludur. Islak ve kuru şartlarda ısı transfer katsayısı değeri düşük bağıl nemde yaklaşık 2.5 kat daha fazla iken, %90 bağıl nemde bu oran 3.1 kata kadar çıkmaktadır.
-
ÖgeSıvı yakıtlı turbopompa beslemeli roket motoru tasarım aracı geliştirme(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-08-20)Bu çalışmada sıvı yakıtlı roketlerin turbopompa sistemlerinin ve bileşenlerinin tasarım ve performans analizlerine yönelik bir yazılım geliştirilmiştir. Sıvı yakıtlı roketler, genellikle uzay uygulamaları amaçlı roketlerin son modülleri olup, nihai görevi gerçekleştirme amaçlıdır. Bu roketlerde tahrik sistemi başlıca basınçlı yanıcı ve oksitleyici içeren depolar, yanıcı pompası, oksitleyici pompası, ön yanma odası, ana yanma odası, türbin ve lüleden oluşur. Bu sistem bir mil üzerinde değişik biçimlerde tasarlanabilir. Turbopompa sisteminin yüksek güç yoğunluğuna sahip olması istenir. Bu nedenle pompalar ve türbin yüksek devir hızlarında çalışırlar. Bu ise klasik tasarım yöntemlerine ilave olarak, önemli birikimlere ihtiyaç duyan farklı yöntemlerin geliştirilmesini ve güncel mühendislik araçlarının aktif kullanımını gerektirir. Bu çalışma turbopompa sisteminin geliştirilmesi ve optimize edilmesine bu bakış açısıyla yaklaşmaktadır. Gerçekleştirilen çalışmada literatürde yer alan yayınlar ve çeşitli kitaplar yardımıyla bir yüksek hızlı pompanın tasarımı ve boyutlandırılması için gerekli olan eşitlikler ve yaklaşımlar bir araya getirilerek bir tasarım kılavuzu oluşturulmuştur ve bu tasarım kılavuzu python kodlama dili kullanılarak kullanıcı arayüzüne sahip bir tasarım aracı geliştirilmiştir. Tasarım aracı yardımıyla turbopompa tasarlamak isteyen bir kullanıcının çeşitli isteklerine göre hızlı bir biçimde pompa tasarımı yapabilmesi ve tasarım sürecinin kısaltılması amaçlanmıştır. Gerçekleştirilen çalışmada kullanıcı için yüksek hızlı bir pompanın alt bileşenleri olan önçark, çark ve salyangoz tasarımı gerçekleştirilmektedir. Ayrıca motor bütünü ele alındığında tasarım aracı aracılığıyla yanma odası ve lüle tasarımı da gerçekleştirilebilmektedir. Gerçekleştirilen tasarımın ardından ise meridyenel kesitleri program aracılığıyla çizilmektedir. Önçark ve çark tasarımlarının sonucunda meridyenel kesitte bir ağ yapısı oluşturulmakta ve oluşturulan bu meridyenel kesit ağ yapısında akım fonksiyonun çözdürülmesi sonucunda akış analizi gerçekleştirilmektedir. Bu sayede meridyenel kesitte hız alanları tespit edilebilmekte ve kullanıcılara sunulmaktadır. Programda bir boyutlu kayıp korelasyonları yardımıyla basma yüksekliği bulunabilmektedir. Bir boyutlu kayıp korelasyonları tasarlanan önçark, çark ve salyangoz bileşenlerinde kullanılmaktadır. Ayrıca bir başka çalışma ile gerçekleştirilen yapay zeka modülü yardımıyla çark için performans tahmini gerçekleştirilmektedir. Bu tahmin modülü gerçekleştirilen hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleriyle eğitilmiş olup tasarım aracına eklenme nedeni kullanıcıların tasarladıkları yüksek hızlı pompaları analiz etme isteğine karşın daha az analiz ile istedikleri sonuçlara ulaşabilmeleridir. Yanma odası ve lülenin tasarlanması için gereken kimyasal reaksiyonlar NASA tarafından geliştirilen Chemical Equilibrium Analysis (CEA) yazılımı örnek alınarak geliştirilen bir kimyasal reaksiyon modülü kullanılarak belirlenmektedir. Geliştirilen bu modül yardımıyla belirlenen oksitleyici ve yakıt çifti için yanma odasında gerçekleşen yanma tepkimesi simüle edilmektedir. Tasarım aracının tüm modülleri kullanıcı arayüzüne eklenerek kullanıcıların zorlu olabilecek bu tasarım sürecini daha kolay ilerletebilmeleri sağlanmıştır. Ayrıca yapılan yayınlar ile tavsiye edilen değerler ile özellikle tasarım aşamasında kullanıcılar bilgilendirilmeye çalışılmıştır. Sonuç olarak deneyimlediğim ticari yazılımlarda eksik olan kayıp korelasyonları ve motorun tamamının tasarlanmasına olanak sağlayan bu tasarım aracı kullanıcıların tasarım süreçlerini kolaylaştırmak ve tasarım süreci ile ilgili deneyimsiz kullanıcılara bilgi vermek amacıyla gerçekleştirilmiştir.
-
ÖgeComputational fluid dynamics modeling the store separation from a jet trainer aircraft(Graduate School, 2024-11-08)The issue of ensuring the safe and predictable separation of munitions from aircraft has become an area of growing interest in recent years. This highlights the necessity of eliminating potential risks associated with the interaction between munitions and the aircraft, while ensuring the safe and effective execution of operational missions. Solutions to this problem include flight tests, wind tunnel experiments, and Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses. The Captive Trajectory System (CTS) and grid methods are wind tunnel techniques designed to solve the store separation problem. In this thesis, both CTS and grid methods were modeled using CFD. Furthermore, a new method called the 'Captive Carry with Flow-Field' was developed as an alternative to the conventional grid method. The primary objective of this research is to validate the munition trajectory calculated through the developed CFD methodology with experimental results, and to compute the trajectory of the munition separating from a jet trainer aircraft using the CTS, grid, and Captive Carry with Flow-Field methods. Furthermore, a comprehensive investigation was conducted to assess the impact of mach number and angle of attack on store separation analyses. The results of simulations performed at various mach numbers and angles of attack clearly illustrated the effect of these parameters on the munition's trajectory behavior. The CFD studies related to store separation were conducted using the commercial software Simcenter Star-CCM+. In the first phase of this thesis, a Computational Fluid Dynamics (CFD) methodology was developed for the Captive Trajectory System (CTS) using the Eglin geometry, a widely employed configuration in store separation studies, along with its corresponding wind tunnel test data. The methodology development included selecting an appropriate turbulence model, conducting a mesh independence study, and determining a suitable time step to ensure the accuracy of unsteady simulations for store separation analyses. Unsteady analyses were carried out using the Spalart Allmaras, Realizable K-ε, and K-ω SST turbulence models, with the munition's trajectory computed for each model. The simulation results were then validated against wind tunnel data. After identifying the optimal turbulence model, a detailed mesh independence study was performed to confirm that the numerical results remained unaffected by variations in mesh density. This study tested five different mesh with varying densities, during which aerodynamic forces along the X, Y, and Z axes acting on the munition were calculated. The evaluation of these results led to the selection of the most accurate and efficient mesh for store separation analyses. Subsequently, the determination of an appropriate time step, a key factor in unsteady simulations, was undertaken. Using four different time steps, unsteady simulations were conducted, and the munition's trajectory was compared to wind tunnel results to identify the optimal time step. These unsteady CFD analyses were performed at a mach number of 0.95 and an altitude of 26,000 feet. For the trajectory calculation, the overset mesh algorithm was employed in unsteady analyses. The trajectory was calculated by solving the RANS equations under the assumption of compressible and viscous flow. The developed CFD methodology was validated by comparing the computed trajectory with wind tunnel results. In the second phase of the study, different methods were modeled using CFD to calculate the trajectory of the munition separating from the jet trainer aircraft. Initially, the CTS methodology developed in the first phase was employed to model the separation process. The K-ω SST turbulence model and a time step of 0.001 seconds, identified during the validation phase, were used in the CFD simulations of the munition separation. A thorough mesh independence study was conducted to enhance the reliability and accuracy of the CFD analyses by assessing the influence of mesh density on numerical results. As part of this study, five different mesh configurations were tested, and the aerodynamic forces acting on the munition along the X, Y, and Z axes were evaluated. The results demonstrated that the numerical outcomes remained consistent regardless of changes in mesh density. Following the identification of the optimal mesh density, the trajectory of the munition separating from the jet trainer aircraft was computed for various flight conditions. Another approach used for trajectory calculation was the grid method. Two aerodynamic databases were generated for this method. The first was the freestream aerodynamic database for the munition, which contained force and moment coefficients derived from CFD analyses under various flight conditions. The second was the aerodynamic database for the aircraft-munition configuration, developed by placing the munition in different positions and attitudes under the aircraft and performing CFD analyses. After developing both the aircraft-munition configuration and freestream databases, a 6-DOF model was created in MATLAB Simulink. The aerodynamic data from the CFD analyses were used as inputs in this model to calculate the munition's displacements and Euler angles under different flight conditions. An alternative approach to the grid method, the 'Captive Carry with Flow-Field' method, was developed to calculate the munition's trajectory. This method enables a rapid assessment of separation analyses for newly designed munitions across various aircraft configurations. The Captive Carry with Flow-Field approach models the non-uniform flow field experienced by the munition due to aerodynamic disturbances caused by the aircraft during separation. For this method, a freestream database was created through CFD analyses of the munition under different flight conditions, and a flow-field database for the jet trainer aircraft (without the munition attached) was also generated using CFD. These databases were utilized in a 6-DOF model in MATLAB Simulink to calculate the munition's displacements and Euler angles under different flight conditions. In the third and final phase of this thesis, the trajectory of the munition separating from the jet trainer aircraft was computed under various flight conditions using the CTS, grid, and Captive Carry with Flow-Field methods, and the results were compared. The Captive Carry with Flow-Field method demonstrated a significant advantage in its ability to rapidly compute the munition's trajectory. The developed method has been proven to serve as an efficient and rapid solution for the design and evaluation processes of new munitions. Furthermore, a detailed investigation was conducted into the effects of mach number on store separation analyses. In this context, the trajectory of the munition separating from the jet trainer aircraft was evaluated under various flight conditions using different Computational Fluid Dynamics (CFD) methods, and the results were systematically compared. Additionally, the influence of the angle of attack on store separation analysis was thoroughly examined. To this end, the munition's trajectory was simulated under a range of flight conditions employing various CFD approaches, and the effects of this parameter on the munition's behavior were meticulously analyzed.In the third and final phase of this thesis, the trajectory of the munition separating from the jet trainer aircraft was computed under various flight conditions using the CTS, grid, and Captive Carry with Flow-Field methods, and the results were compared. The Captive Carry with Flow-Field method demonstrated a significant advantage in its ability to rapidly compute the munition's trajectory. Additionally, the effects of mach number and AoA on store separation analyses were examined in detail.