Serbest halka sızdırmazlık elemanlarının performans analizi için test verisiyle kalibre edilmiş 1b iteratif çözücü geliştirilmesi ve sayısal doğrulaması

Abstract

Gelişmiş sıvı yakıtlı roket motorlarının (SYRM) geliştirilmesinde, turbopompa sistemleri yakıtların yanma odasına son derece yüksek basınçlarda iletilmesinden sorumlu en kritik bileşenlerdir. Bu yüksek hızlı dönen sistemler içerisinde, ikincil akışların kontrolü için serbest halka sızdırmazlık elemanları yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu sızdırmazlık elemanları, sızdırmazlık performansını kaybetmeden termal genleşmeleri ve yüksek frekanslı şaft titreşimlerini dinamik olarak tolere edebilmeleri nedeniyle özellikle tercih edilmektedir. Ancak bu sızdırmazlık elemanları; genellikle 50000 dev/dak'a ulaşan dönme hızları, yaklaşık 240°C sıcaklıklar ve yüksek basınç farkları gibi son derece zorlu koşullar altında çalışmak zorundadır. Bu tür sert çalışma koşulları için optimum bir serbest halka sızdırmazlık elemanı tasarlamak, farklı boşluk (clearance) değerleri, çalışma basınçları ve geometriler altında oluşan kaçak kütlesel debilerini belirlemek amacıyla binlerce yinelemeli hesaplama yapılmasını gerektirir. Geleneksel olarak mühendisler, bu performans parametrelerini öngörebilmek için üç boyutlu Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizlerine ve fiziksel testlere başvurmaktadır. HAD simülasyonları, karmaşık akış fiziğini yüksek doğrulukla ve detaylı biçimde görselleştirebilse de, her bir tasarım iterasyonu için kullanılması; yüksek hesaplama süresi, iş gücü ve maliyet açısından ciddi yükler oluşturmaktadır. Benzer şekilde, her tasarım varyasyonu için prototip üretimi ve test edilmesi de ekonomik açıdan sürdürülebilir değildir. Bu nedenle, hızlı, güvenilir ve hesaplama maliyeti düşük bir performans tahmin aracına yönelik kritik bir mühendislik ihtiyacı ortaya çıkmaktadır. Bu tezin temel amacı, serbest halka sızdırmazlık elemanlarının performans değerlendirmesi için yüksek verimli tek boyutlu (1B) analitik bir çözücü geliştirmek, kalibre etmek ve doğrulamaktır. Yalnızca yüksek hesaplama maliyetine sahip HAD analizlerine dayanmak yerine, bu çalışma geliştirilen analitik kodun operasyonel üstünlüğünü ve pratik avantajlarını ortaya koymaya odaklanmaktadır. Bu 1B aracın güvenilirliğini kanıtlamak amacıyla, farklı çalışma koşulları altında ampirik kaçak verileri toplamak için bir deney düzeneği kurulmuştur. Elde edilen bu deneysel veriler, özel kod içerisinde yer alan kayıp katsayısının (K) sistematik olarak kalibre edilmesinde kullanılmıştır. Ardından, akış karakteristiklerini detaylı şekilde incelemek ve temel fiziksel davranışı doğrulamak amacıyla ANSYS Fluent yazılımı kullanılarak kapsamlı iki boyutlu eksenel simetrik dönel akış (swirl) HAD simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak, bu tezin önemi karşılaştırmalı doğrulama metodolojisinde yatmaktadır. Geliştirilen 1B analitik kodun tahminleri, hem yüksek doğruluk içeren ANSYS HAD simülasyonları hem de deneysel veriler ile karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Bu çalışma, geliştirilen kodun yinelemeli tasarım süreçleri için son derece verimli, maliyet etkin ve yeterli doğruluğa sahip bir alternatif sunduğunu ve kapsamlı 3B simülasyonlara sürekli duyulan ihtiyacı büyük ölçüde ortadan kaldırabileceğini göstermeyi amaçlamaktadır.