Transonik kavite akışının aeroakustik incelemesi

Abstract

Bu çalışmanın temelinde bulunan kavite yapıları mühendislik alanında çeşitli tasarımlarda karşımıza sıklıkla çıkan geometrilerdir. Kavite akışları ise bu geometrilerin etkilediği veya bu geometrileri etkileyen akış alanlarını konu alan akış türleri olarak tanımlanabilmektedir. Kavite akışları farklı mühendislik alanlarının ilgisini çeken, geometrilerinin basitliğine rağmen zamana bağlı olarak oluşturduğu değişken etkileşimlerinin düzensiz ve rastgeleliği yüksek akış alanları oluşturması sebebiyle üzerinde sıklıkla durulan önemli mühendislik problemlerinden biridir. Kavite akışları üzerine araştırmalar, 20 yüzyıl ortalarında askeri şirketler öncülüğünde, savaş uçaklarının silah bölmeleri ve bu bölmeler içindeki ekipmanların üzerindeki etkilerini incelemek için başlanmış olup, hava araçları iniş takımları ve taarruz uçaklarındaki mühimmat yuvaları başta olmak üzere otomotiv sanayisinden inşaat sektörüne kadar geniş bir yelpazede irdelenmektedir. Beşinci nesil olarak adlandırılan taarruz tipi hava araçlarında faydalı yükler radar görünürlüğünü düşürmek başta olmak üzere çeşitli nedenlerden dolayı gövde içinde taşınmaya başlanmıştır. Savaş uçaklarının gövde içinde mühimmat taşıdıkları bu yuvalar havacılıkta kavite olarak isimlendirilmektedir. Basitliğine rağmen kavite akışları irdelenmesi gereken olumsuz etkiler doğurabilmektedir. Bu geometriler akış alanı içerisinde sürüklenme kuvvetleri, basınç kuvvetleri, titreşim sorunları ve gürültü gibi istenmeyecek sorunların kaynağı olabilmektedir. Kavite geometrileri oluşturdukları akış alanları ile aerodinamik yüzeyi bozarak güçlü akustik etkiler, rastgelelik ve türbülans oluşturmaları sebebiyle incelenmeye ve araştırılmaya açık yapılardır. İyi bilindiği üzere hava araçlarının uçabilmesi için gerekli kaldırma kuvvetinin eldesi yüksek hızlara çıkmasıyla sağlanır. Yüksek hızlarda, kavite gibi aerodinamik yapıyı bozan ortamlar son derece zorludur. Mühimmat ayrımı tutarsızlığı, kararsız akış alanı, şiddetli basınç salınımları, bu çalışmanın da konusu olan istenmeyen akustik yükler gibi olumsuz sonuçlara yol açabilir. Dolayısıyla bu etkilerin kontrol altına alınması veya en azından en aza indirilmesi büyük önem taşımaktadır. Yankının bilimi olarak adlandırılan akustik maddeselliğin bulunduğu alanlarda dalgaların yayılmasını konu edinen bilim dalına denir. Aeroakustik ise havanın akustik etkisine verilen isimdir. Bir başka ifadeyle aeroakustik aerodinamik temelli ses oluşumunun konu edinildiği bilim dalıdır. Aerodinamik temelli ses oluşumu istenmeyen şekillerde olduğunda gürültü adını alır. Gürültü olgusu akışın düzensizliklerinden ve akışkanın cisimler ile aerodinamik olarak etkileşmesinden kaynaklanabilir. Günlük hayatımızda taşıtlardan havalandırma sistemlerine temizlik aletlerinden bilgisayarlarımızda dahi bulunan fan sistemlerine kadar her alanda sıklıkla karşımıza çıkan aerodinamik gürültü mühendislik temel bilimleri için üstünde durulması ve giderilmesi gereken önemli bir problemdir. Sunulan bu çalışmada, savaş uçaklarında mühimmat saklama kısımlarındaki gibi mühendislik çalışmalarında ve tasarımlarında fazlaca karşımıza çıkan kavite olarak betimlenen basit geometrilerin oluşturduğu aeroakustik etki üzerine çalışılmıştır. Kavite akışlarında aerodinamik temelli ses oluşum fenomenini temel ve basit bir şekilde açıklayacak olursak, serbest akış ön duvara gelip çarpar. Serbest akışın barındırdığı sınır tabaka ön duvarda kopar ve kayma tabakası ayrılmasını, başka bir ifade ile kesme tabakasını, oluşturur. Bu oluşan kayma tabakasının ayrılması olayı zaman geçtikçe kavite geometrisi içerisinde girdaplı yapı oluşmasına neden olur. Meydana gelen girdaplar arka duvara çarparak basınç dalgalanmaları oluşturur. Bu basınç salınımları akustik dalgalanmaların oluşumunu tetiklemektedir. Oluşan girdaplı yapının arka duvarla buluşması ses oluşumunun gerçekleşmesine yol açmaktadır. Arka duvara akışın çarpması ve yansıyarak ön duvara yol almasının ardından ön duvardan ayrılan kesme tabakasıyla etkileşir. Bu durum kayma tabakası tarafından yeni girdaplı yapılar oluşmasını besler. Kavite bölgesi akış fiziğini aydınlatmada önemli katkıları bulunan Rossiter, bu amaçla çeşitli deneyler yapmıştır ve bu kavite akış fenomeni Rossiter mekanizması olarak tanımlanmaktadır. Kavite akışlarının işleyişini ve akış parametrelerini nasıl etkilediğini açıklayabilmek için başlayan çalışmalar daha sonraları kavite akışlarının oluşturduğu istenmeyen etkileri azaltmak veya tamamen ortadan kaldırmak amacıyla belirli kontrol teknikleri geliştirilmesi çalışmalarıyla devam etmiştir. Bu kontrol teknikleri aktif akış kontrol yöntemleri ve pasif akış kontrol yöntemleri olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Pasif yöntemlerin en önemli artısı harici bir güce ihtiyaç duymadan akışın istenilen özelliğine etki edebilmesidir. Genellikle tasarım aşamasında akış alanına uygulanan biçimsel değişikliklerle uygulanırlar. Pasif akış kontrol yöntemlerinin müdahaleye açık olmaması, tasarım şartları dışında istenilen verimliliği sağlamaması ve gereksiz sürüklenme kuvveti doğurmaları gibi olumsuzlukları beraberinde getirmektedir. Pasif yöntemlere göre aktif yöntemler daha verimli çalışıyor olmasına rağmen harici enerji ihtiyacı sebebiyle avantajını yitirmektedir. Bu çalışmada, transonik hız alanında bulunan kavite akışının sayısal yöntemlerle aeroakustik incelemesi yapılmıştır. İncelenen ve deneysel sonuçlarla doğrulanan açık kavite akışı çalışmasının devamında akış alanına uygulanan pasif kontrol tekniklerinin kavite geometrisi üzerindeki zamanla değişen akış alanı parametrelerinin akustik oluşuma etkisi incelenmiştir. Çalışmada üç boyutlu kavite geometrisinde aerodinamik etkiler nedeniyle oluşan gürültü seviyesi akustik analoji yaklaşımı yardımıyla hesaplanacaktır. Çalışmada kullanılan kavite, literatürde M-219 olarak bilinen, uzunluk/derinlik oranı 5, genişlik/derinlik oranı 1 olan geometrik ölçülere sahiptir. Çalışmalar ticari sonlu hacim çözücüsü Fluent kullanılarak incelenmiştir. Analizlerde IDDES (Geliştirilmiş Gecikmeli Ayrılmış Girdap Benzeşimi) türbülans modeli akışı simüle etmek için kullanılmıştır. Hesaplama koşulları test koşullarıyla aynı kalacak şekilde çalışılmıştır. Bu koşullar Sıcaklık(T)=267K,Basınç(P)=6.21×104𝑃𝑎,Re=13.5x106/𝑚 ve (𝑀∞)=0.85 olacak şekilde tasarlanmıştır. Hesaplamalarda zaman adımı 2×10−5 𝑠 ve örnekleme zamanı 0.2 s olarak tanımlanmıştır. Deneysel çalışmada kavite içine yerleştirilenler ile aynı konumda olacak şekilde konumlandırılan mikrofonlar yardımıyla Ffowcs Williams-Hawking denklemi kullanılarak genel ortalama ses basıncı seviyesi (Overall Sound Pressure Level (OASPL)) ve Ses Basınç Seviyesi (SPL) belirlenmiştir. SPL-Frekans grafikleri üzerinden de ses seviyeleri karşılaştırılmıştır. Ayrıntılı ölçümlerle deneysel anlamda geniş çapta belgelenmiş transonik kavite akışı, M219, mevcut sayısal yöntemler ve türbülans çözme modelinin verileri ile karşılaştırmak ve doğrulamak için kullanılmıştır. Çalışmada önerilen sayısal çözüm yönteminin doğrulama çalışması Rossiter modları cinsinden, OASPL değerleri kıyaslamasından ve SPL-Frekans spektrumu çıktıları karşılaştırmaları sonucu ortaya konulmuştur. Mevcut yaklaşımın, kavite fiziğinin etkilediği akış alanında aerodinamik temelli ses oluşumu incelenmiş olup, deneysel verileri başarıyla yakalayabildiği gösterilmiştir. Hesaplamadan elde edilen basınç numunesindeki frekans ve karakter özellikleri, deneysel sonuç ölçümleriyle iyi bir uyum göstermektedir. OASPL değerleri, ölçümler ve simülasyonlar arasında 3 dB'den daha az farklılık göstermektedir. Yapılan analizler sonucunda temiz kavite için akış alanını 2.5×10^6 nokta sayısında ayrıklaştırmak, deneysel verilerle uyum açısından tutarlı sonuçlar vermektedir. Ağ sayısından bağımsızlık çalışması yapılmasından sonra ağ yapısının kalite açısından sorun teşkil etmemesi amacıyla 𝑦+ değeri çalışması üzerinde durulmuştur. Yapılan çalışmalarda bulunan sonuçlar ışığında ve daha önceki çalışmalardan da yola çıkarak 𝑦+=200 değerinde karar kılınmıştır. Çalışmanın ikinci kısmında kavite akışına 16 farklı pasif kontrol yöntemi uygulanmadan önce ayrıklaştırmanın daha kolay şekilde sağlanabilmesi için yapısal ve yapısal olmayan ayrıklaştırma kıyaslaması yapılmıştır. Bütün değerler aynı tutularak yapılan karşılaştırma sonucu yapısal olmayan ağ ayrıklaştırması kabul edilebilir sonuçlar vermiştir. Çalışmanın her aşamasında deneysel sonuçlar referans olarak alınmıştır. Analizler sonucu elde edilen veriler deneysel sonuçlarla kıyaslanmış ve doğrulanmıştır. Çalışmanın ikinci kısmında temiz kavite geometrisinden yola çıkılarak kavite geometrisine 16 farklı pasif kontrol yöntemi uygulamaları yapılmıştır. Bu pasif kontrol yöntemleri kavite ön duvarına ve arka duvarına eğimler verilmesini ve bu iki duvarın belirli ölçülerde kısaltılmasını kapsamaktadır. Bu kontrol yöntemlerinin akustik etkileri irdelenmiştir. Beklendiği üzere ön duvara yakın konumlandırılan mikrofondan alınan SPL değerleri ile arka duvara yakın konumlandırılan mikrofondan alınan verilerine göre 15 dB daha az olduğu saptanmıştır. Ayrıca kavite arka duvarına verilen eğimlerin, kavite ön duvarına verilen eğimlerine göre gürültü seviyesini düşürmede daha başarılı oldukları ortaya konulmuştur. Bu çıktılara göre ses oluşumunda arka duvar etkisinin önemini, diğer bir ifade ile arka duvara çarpan akışın daha fazla gürültüye sebep olduğunu ortaya koymaktadır. Bu sonuçlar arka duvara eğim verilerek gürültü seviyesini azaltılabileceği sonucuna varmamızı sağlamaktadır. Bütün durumlar irdelendiğinde en kötü sonuçları kavite ön duvarına verilen 30 ve 60 derecelik eğimlere sahip olan durum 5 ve durum 7'nin verdiği, en iyi sonucu ise iki farklı kontrol yönteminin birleşimi olan kavite ön duvar 1 inç boyunca kesildiği ve arka duvar tabanından 60 derece eğim verildiği durumun sağladığı söylenebilmektedir. Bu pasif kontrol yöntemi, yaklaşık 13 dB'lik bir aerodinamik temelli gürültü seviyesindeki azaltıcı yönde çalışıyor olması bu hususta uygulanan kontrol yöntemleri arasında öne çıkmasını sağlamaktadır. Genel itibariyle aerodinamik temelli gürültüyü azaltıcı yönde etki gösteren durumların tamamında arka duvar eğim etkisinin önemi açığa çıkmaktadır.