Süpersonik hızlarda hareket eden bir cisimde mızrak ucun sürükleme kuvvetine etkisi

Abstract

Tarihte insanlar en eski dönemlerden bu yana bir yerden başka bir yere ulaşmaya çalışır. Yıllar geçtikçe yerleşim yerlerinin sayısının ve büyüklüğünün artmasıyla, bir yere ulaşmak için kat edilen mesafelerde artar. Mesafelerin artması ulaşım için gereken süreyi de arttırdığından hız insanlık için önemli bir hale gelir. Kara taşıtlarının bu ihtiyacı bir süre karşılasa da günümüzde hava araçları en hızlı ve en güvenli ulaşım araçları olma yolunda ilerler. Hava araçlarının daha hızlı ve daha verimli çalışmasını sağlamak amacıyla sayısız araştırma ve geliştirme projesi yürütülür. Hava araçları dediğimizde artık sadece ulaşım için kullanılan uçaklar ve helikopterler değil, aynı zamanda savunma ve keşif amaçlı kullanılan İHA, SİHA, roket ve füze gibi birçok araç aklımıza gelir. Her birinin karşılaştığı temel sorunlardan birisi dış ortamındaki hava sebebiyle maruz kaldığı sürükleme kuvvetidir. Atmosferimiz içerisinde hareket eden cisimler etraflarında bulunan hava sebebiyle hareket ettiklerinde sürükleme kuvvetine maruz kalır. Bu kuvvet hareket eden cisim ne kadar hızlı olursa o denli artar. Sürükleme kuvveti artan cisim hareket etmekte zorlandığından hızını koruyabilmek veya arttırmak için daha fazla enerjiye ihtiyaç duyarak daha fazla yakıt kullanır. Uçaklarda bu durum yakıt verimliliği konusunu ön plana çıkarır. Roketler ise yüksek hızlara çıkarken uçaklara göre çok yüksek sürükleme kuvvetlerine maruz kalırlar. Bunun yanında ses üstü hızlara ulaşan roketler diğer bir sorun olan şok dalgaları ile karşılaşır. Roketlerin yüksek hızlara ulaşmasını ve yakıt verimliliğini sağlamak için üzerine etki eden sürükleme kuvvetini düşürmek önemli bir araştırma konusudur. Sürükleme kuvveti teorisi gereği cismin geometrisi, hızı, kesit alanı ve içinde bulunduğu ortamın yoğunluğu ile alakalıdır. Bu tezde cismin hızı, kesit alanı ve akışkanın yoğunluğu sabittir. Geometrinin yüzeyi değiştirildiği gibi aynı zamanda geometri önüne mızraklar eklenmiştir. Mızrakların uç geometrileri değiştirilmiştir. Geometride yapılan değişikliklerin sürükleme kuvveti üzerinde yaptığı etki incelenecektir. Ayrıca cismin hızı ses üstü bir hıza sahip olduğu için şok dalgaları oluşur. Oluşan şok dalgalarının sürükleme kuvvetini etkilediği bilindiğinden geometri de yapılan değişikliklerin şok dalgalarını nasıl etkilediği de bu çalışmada yer bulmaktadır. Son olarak akışkan sıcaklığının değişiminin sürükleme kuvvetini nasıl etkilediği de tez kapsamında incelenmiştir. Analizler sonucunda elde edilen sürükleme katsayıları birbirleri ile karşılaştırılıp minimum sürükleme katsayısına sahip olan geometriler belirlenmiştir. Düz yüzeyli küt mızraklı geometrinin sürükleme katsayısı mızrak olamayan geometriye göre 58,8 % azalarak iyileştiği görülmüştür. Buna ek olarak mızrağın küt yüzeye sahip geometrisine oranla küt uçlu mızrak takılan küt yüzeyli cisimin sürükleme katsayısı 56,2% daha azalmıştır. Her iki geometride de sürükleme katsayısında iyileşme görülmüştür. En düşük sürükleme katsayısına sahip geometri olarak küt yüzeyli ve küt uçlu mızrağı olan geometri seçilmiştir. Bu geometrilerde neden düşük sürükleme katsayısı olduğu tartışılıp geometrilerin akışı nasıl etkilediği incelenmiştir. Mızrak uçlarının şekli değiştikçe bu değişimin şok dalgalarını nasıl etkilediği görülür. Son olarak ne gibi yeni geometriler kullanılabileceği tartışılır.