Deniz üzeri alçak irtifa askı uçuşlarında helikopterde oluşan tuzlu su spreyi kirlenmesinin sayısal incelenmesi

Abstract

Helikopterler çeşitli manevra kabiliyetleri nedeniyle kara ve deniz operasyonlarında sıklıkla kullanılan gelişmiş hava araçlarıdır. Arama kurtarma, dikey ikmal ve yangın söndürme gibi görevler deniz üstü koşullarda uçma gerekliliği getirmektedir. Bu koşullarda gerçekleşen uçuşlar çeşitli çevresel ve uçuş performansı zorlukları yaratmaktadır. Özellikle uçuş irtifasının azaldığı durumlarda helikopter rotorunun aşağı yönlü yüksek hızlarda bir akış alanı yaratması (downwash), su yüzeyindeki kararsız deformasyonun da etkisiyle uçuş stabilitesini olumsuz etkilemesinin yanında su yüzeyinden kopan taneciklerin oluşturduğu sprey bulutunun helikopteri kirletmesi operasyonel risklere neden olmaktadır. Deniz suyundan oluşan sprey bulutunun helikopter gövdesinde birikerek bir sıvı filmi oluşturması ve helikopterin motor alıkları veya filtre girişleri gibi açıklıklardan girerek çeşitli iç aksamlara nüfuz etmesi bu kirliliğin tanımıdır. Deniz suyuyla taşınan tuzun su buharlaştıktan sonra sprayin ulaştığı bölgelerde tortu şeklinde birikmesi malzeme korozyonu tehlikesini beraberinde getirmektedir. Özellikle motor bölmesinde oluşan kirlenmeler ciddi performans kayıplarına ve gerekli yıkamaların yapılma zorunluluğunu beraberinde getirmektedir. Literatürdeki çalışmalar helikopterlerin deniz üstü alçak irtifa uçuşlarında rotor kaynaklı oluşan bulutun oluşturduğu kirlenmeleri ve etkilerini çeşitli testlerle ortaya koymuşlardır. Bunun yanında Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ile sayısal modelleme yaklaşımını kullanan çalışmalar sadece küçük ölçekli rotorlar için aerodinamik etkilerin incelenmesi ile sınırlı kalmıştır. Bu çalışmalarda, su yüzeyine yakın konumlandırılan rotorların oluşturduğu momentumun durgun yüzeyi parçalayarak sıçrama oluşturması gözlemlenmiş olup yüzeyler üzerinde birikim ve dağılımları gibi çıktılar bulunmamaktadır. Bu karmaşık fizik zamana bağlı olarak Reynolds Ortalamalı Navier-Stokes (RANS) denklemleri kullanılarak modellenmiştir. Hacimsel Akışkan (VOF) yaklaşımı ile iki fazlı akışkanın etkileşimi modellenmiş olup, helikopter yüzeyinde oluşan birikimin ele alınması için Akışkan Filmi modeli kullanılmıştır. Helikopterin ana ve kuyruk rotorları, Star CCM+ ortamında Blade Element temelli Sanal Disk (Virtual Disk) yaklaşımıyla modellenmiştir. Gerçekleştirilen simülasyonlar 10, 20 ve 30 ft irtifalarında hover koşulları ile rüzgarlı ve rüzgarsız senaryolar için yürütülmüştür. Elde edilen sonuçlar, irtifanın kirliliğin şiddeti üzerindeki belirleyici etkisini ortaya koymuştur. En kritik irtifa olarak 10 ft belirlenmiş olup bu irtifada gövde üzerinde en yoğun sıvı filmi birikimi gözlemlenmiş, motor alıkları ve filtre girişlerinden ölçülen su kütlesel debi değerleri diğer irtifalara kıyasla belirgin şekilde yüksek çıkmıştır. Açıklıklardan içeri giren su fazının kütlesel debisi, her bir motor alığı ve filtre girişi için simülasyon süresi boyunca zamana bağlı olarak ayrı ayrı izlenmiş; raporlanan değerler, çözümün son saniyelerinde elde edilen ortalama debilere karşılık gelmektedir. Sağ motor alığına giren ortalama su debisi yaklaşık 0,42 g/s, sol motor alığına giren ise yaklaşık 0,14 g/s olarak hesaplanmıştır. Aynı irtifada arka filtre girişlerinde sol tarafta ortalama 0.12 g/s, sağ tarafta ise 0.022 g/s debi ölçülmüş; ön filtre girişlerinin her iki tarafında ise birbirine yakın ve yaklaşık 0.09 g/s düzeyinde değerler elde edilmiştir. Bu asimetrik dağılımın önden gelen rüzgar ile rotor dönüş yönünün birleşik etkisinden kaynaklandığı değerlendirilmektedir. İrtifa 20 ft'ye çıktığında kütlesel debi değerleri 10⁻⁵–10⁻⁷ g/s mertebesine gerilemiş, 30 ft'de ise gövde üzerindeki film dağılımı ve su fazı debileri ihmal edilebilir düzeyde kalmıştır. Rüzgar koşullarının etkisi incelendiğinde, önden gelen rüzgarın sprey bulutu morfolojisini ve gövde üzerindeki kirlenme bölgelerinin dağılımını değiştirdiği, ancak toplam kirlenme miktarları üzerindeki etkisinin sınırlı kaldığı görülmüştür. Motor alıkları ve filtre girişlerinden okunan kütlesel debiler giriş yüzey alanlarına göre normalize edildiğinde, küçük açıklıklara sahip filtre girişlerinde birim alan başına düşen su fazı miktarının motor alıklarına kıyasla belirgin şekilde yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Yüzeyden koparak taşınan tuzlu su damlacıkları ile taşınan tuz miktarının zamanla birikiminin tahmin edilebilmesi amacıyla deniz suyunun tuzluluk oranı sabit %3,5 olarak kabul edilmiştir. Tuzlu suyun ulaştığı bölgelerde su fazının tamamen buharlaştığı ve geriye yalnızca tuz kristallerinin kaldığı varsayımı esas alınarak yapılan hesaplamalar sonucunda, bir saatlik askı uçuşu süresince sağ motor alığında yaklaşık 53 g, sol motor alığında ise yaklaşık 18 g tuz birikeceği öngörülmüştür. Elde edilen bu değerler, korozyon oluşumu ve motor performansındaki olası kayıpların değerlendirilmesinde referans niteliği taşımaktadır.