ATMOSFERİK GEÇİŞ YAPAN ARAÇ ETRAFINDA NAVIER-STOKES DENKLEMLERİ İLE ÜÇ BOYUTLU HİPERSONİK AKIŞ ANALİZİ



Benzer belgeler
TAŞINIMIN FİZİKSEL MEKANİZMASI

YALOVA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ UYGULAMALI MÜHENDİSLİK MODELLEMESİ

AKIŞKANLAR MEKANİĞİ. Doç. Dr. Tahsin Engin. Sakarya Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü

BÖLÜM 6 GERÇEK AKIŞKANLARIN HAREKETİ

Numerical Investigation of the Effect of Needle Tilting Angle on Irrigant Flow Inside the Tooth Root Canal

Şekil 1:Havacılık tarihinin farklı dönemlerinde geliştirilmiş kanat profilleri

İ çindekiler. xvii GİRİŞ 1 TEMEL AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ BERNOULLİ DENKLEMİ 68 AKIŞKANLAR STATİĞİ 32. xvii

BİR OFİS İÇİN TERMAL KONFOR ANALİZİNİN HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ YÖNTEMİ İLE MODELLENMESİ VE SAYISAL ÇÖZÜMÜ

ERCİYES ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ISI TRANSFERİ LABORATUARI

Akışkan Kinematiği 1

Kompozit Malzemeler ve Mekaniği. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

Kompozit Malzemeler ve Mekaniği. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

Kompozit Malzemeler ve Mekaniği. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

ÇEV-220 Hidrolik. Çukurova Üniversitesi Çevre Mühendisliği Bölümü Yrd. Doç. Dr. Demet KALAT

BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAK MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI DENEY 4

Momentum iletimi. Kuvvetin bileşenleri (Momentum akısının bileşenleri) x y z x p + t xx t xy t xz y t yx p + t yy t yz z t zx t zy p + t zz

Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD)

5. Boyut Analizi. 3) Bir deneysel tasarımda değişken sayısının azaltılması 4) Model tasarım prensiplerini belirlemek

JFM 301 SİSMOLOJİ ELASTİSİTE TEORİSİ Elastisite teorisi yer içinde dalga yayılımını incelerken çok yararlı olmuştur.

Elastisite Teorisi Hooke Yasası Normal Gerilme-Şekil değiştirme

5. Boyut Analizi. 3) Bir deneysel tasarımda değişken sayısının azaltılması 4) Model tasarım prensiplerini belirlemek

ÇEV207 AKIŞKANLAR MEKANİĞİ KİNEMATİK-1. Y. Doç. Dr. Güray Doğan

T. C. GÜMÜŞHANE ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK VE DOĞA BİLİMLERİ FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ DENEYLER 2

HİDROLİK. Yrd. Doç. Dr. Fatih TOSUNOĞLU

BİLECİK ŞEYH EDEBALİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE VE İMALAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

DÜZLEMDE GERİLME DÖNÜŞÜMLERİ

ELASTİSİTE TEORİSİ I. Yrd. Doç Dr. Eray Arslan

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

ÇEV207 AKIŞKANLAR MEKANİĞİ KİNEMATİK-1. Y. Doç. Dr. Güray Doğan

Anlatım-sunum-laboratuar

DÜZ FLAPLI POZİTİF KAMBURA SAHİP NACA 4412 KANAT PROFİLİNİN AERODİNAMİK PERFORMANSININ BİLGİSAYAR DESTEKLİ ANALİZİ

EŞANJÖR (ISI DEĞİŞTİRİCİSİ) DENEYİ FÖYÜ

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ AKIŞKANLAR MEKANİĞİ II FİNAL SINAVI Numara: Adı Soyadı: SORULAR-CEVAPLAR

AKM 202. Akışkanlar Mekaniği. Ders Notları. 9.Bölüm. Sıkıştırılamaz Viskoz Dış Akış İTÜ. Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi.

Yrd. Doç. Dr. Fatih TOSUNOĞLU Erzurum Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü

KAYMA GERİLMESİ (ENİNE KESME)

CASA CN 235 UÇAĞININ DIŞ AERODİNAMİK YÜKLERİNİN HESAPLANMASI

FÜZE KANADININ SES-ÜSTÜ UÇUŞ KOŞULUNDAKİ AEROELASTİK ANALİZİ

Mühendislik Mekaniği Statik. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

BÜYÜK ORANDA ŞEKİL DEĞİŞTİREBİLEN KANATLARIN ÖN TASARIM SÜRECİNDE AERODİNAMİK VE YAPISAL ANALİZLERİNİN EŞLENMESİ

Diferensiyel denklemler sürekli sistemlerin hareketlerinin ifade edilmesinde kullanılan denklemlerdir.

Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. BÖLÜM 7. Adi Diferansiyel Denklemlerin Sayısal Çözümü

İKİ LEVHA ARASINDAKİ LAMİNER AKIŞTA DEĞİŞKEN DUVAR KALINLIĞININ ISI TRANSFERİNE ETKİSİNİN SAYISAL ANALİZİ

Denklem (3.1) deki ikinci dereceden diferensiyel denklemin çözüm fonksiyonun + ve, gibi iki tane keyfi sabit vardır. Bu keyfi

AERODİNAMİK KUVVETLER

Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği ile Üç-Boyutlu Karmaşık Akış Problemlerinin Yüksek Başarımlı Hesaplamaları. Nilay Sezer-Uzol

Uluslararası Yavuz Tüneli

ÜÇ BOYUTLU SINIR TABAKA AKIŞLARININ KARARLILIK ÖZELLİKLERİNİN DOĞRUSAL KARARLILIK TEORİSİ YAKLAŞIMI İLE BELİRLENMESİ

DİNAMİK - 7. Yrd. Doç. Dr. Mehmet Ali Dayıoğlu Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi. Tarım Makinaları ve Teknolojileri Mühendisliği Bölümü

QUANTILE REGRESYON * Quantile Regression

TÜMLEŞİK KANAT ELEMANI - HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ YÖNTEMİ İLE DİKEY RÜZGAR TÜRBİNİ PERFORMANSININ HESAPLANMASI

AKDENİZ ÜNİVERSİTESİ. Anten Parametrelerinin Temelleri. Samet YALÇIN

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

HAVA ARAÇLARINDAKİ ELEKTRONİK EKİPMANLARIN SOĞUTULMASINDA KULLANILAN SOĞUTMA SIVILARININ PERFORMANSA BAĞLI SEÇİM KRİTERLERİ

Kompozit Malzemeler ve Mekaniği. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

İNSANSIZ HAVA ARACI PERVANELERİNİN TASARIM, ANALİZ VE TEST YETENEKLERİNİN GELİŞTİRİLMESİ

3. AKIŞKANLARDA FAZ DEĞİŞİKLİĞİ OLMADAN ISI TRANSFERİ

BASINÇLI KAPLAR Endüstride kullanılan silindirik veya küresel kaplar genellikle kazan veya tank olarak görev yaparlar. Kap basınç altındayken

Kompozit Malzemeler ve Mekaniği. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

BİLGİSAYAR DESTEKLİ TASARIM HAFTA 6 COSMOSWORKS İLE ANALİZ

NACA VE NREL S 809 KANAT KESİTLERİNİN HAD İLE ANALİZİ ANALYSING OF NACA AND NREL S 809 AIRFOILS BY CFD

Pervane 10. PERVANE TEORİLERİ. P 2 v 2. P 1 v 1. Gemi İlerleme Yönü P 0 = P 2. Geliştirilmiş pervane teorileri aşağıdaki gibi sıralanabilir:

BİLGİSAYAR DESTEKLİ TASARIM HAFTA 6 COSMOSWORKS İLE ANALİZ

DUBLEKS EV GEOMETRİSİNE SAHİP KAPALI ORTAMLARDA FARKLI ISITMA YÖNTEMLERİNİN DOĞAL TAŞINIMLA ISI TRANSFERİ ÜZERİNE ETKİLERİNİN SAYISAL ANALİZİ

2. Basınç ve Akışkanların Statiği

İçindekiler 1 GENEL KAVRAM ve TANIMLAR 2 TEMEL YASALAR ve KORUNUM DENKLEMLERİ vii

ÇÖZÜM AĞLARI ÜZERİNDE PARALEL OLARAK HESAPLANMASI. Murat ILGAZ. İsmail H. TUNCER

ATARDAMAR DARALMALARININ BASINÇ KAYBINA OLAN ETKİSİ THE EFFECT OF THE ARTERIAL STENOSES TO THE PRESSURE LOSS

DENEYSAN EĞİTİM CİHAZLARI SANAYİ VE TİCARET LTD. ŞTİ.

Sürekli Rejimde İletim Çok Boyutlu 77. Giriş 1. Sürekli Rejimde İletim Bir Boyutlu 27. Geçici Rejim Isı İletimi 139

BİLECİK ŞEYH EDEBALİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE VE İMALAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

DEĞİ KEN KAMBURA SAHİP NACA 4412 KANAT KESİTİNİN 2-BOYUTLU AERODİNAMİK ANALİZİ

DEÜ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ FEN ve MÜHENDİSLİK DERGİSİ Cilt: 1 Sayı: 3 sh Ekim 1999

ANOVA MÜHENDİSLİK LTD. ŞTİ.

FLOWING FLUIDS and PRESSURE VARIATION

Soru 1: Şekil-1 de görülen düzlem gerilme hali için: b) elemanın saat yönünde 30 0 döndürülmesi ile elde edilen yeni durum için elemana tesir

RÜZGAR YÜKÜNÜN BİR TİCARİ ARAÇ SERVİS KAPISINA OLAN ETKİLERİNİN İNCELENMESİ

UÇAK MÜHENDİSLİĞİ MÜFREDATI

KONVANSİYONEL VE KONVANSİYONEL OLMAYAN KONTROL YÜZEYLERİNE SAHİP İNSANSIZ HAVA ARACIN KANATLARININ AERODİNAMİK ÖZELLİKLERİNİN DEĞERLENDİRİLMESİ

GERİLME ANALİZİ VE MOHR ÇEMBERİ MUKAVEMET

1.1. Giriş GİRİŞ ve TEMEL KAVRAMLAR

Bölüm 2: Akışkanların özellikleri. Doç. Dr. Tahsin Engin Sakarya Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü

Yrd. Doç. Dr.Yiğit Aksoy

TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR

ÇÖZÜM 1) konumu mafsallı olup, buraya göre alınacak moment ile küçük pistona etkileyen kuvvet hesaplanır.

DENİZ HARP OKULU TEMEL BİLİMLER BÖLÜM BAŞKANLIĞI DERS TANITIM BİLGİLERİ

BİLECİK ŞEYH EDEBALİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE VE İMALAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAK 402 MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI DENEY 9A GERİNİM ÖLÇER KULLANARAK GERİLİM ANALİZİ YAPILMASI

ASKI VE İLERİ UÇUŞTAKİ BİR HELİKOPTER GÖVDESİNİN AERODİNAMİK KATSAYILARININ FLUENT KULLANILARAK HESAPLANMASI

ELYAF TAKVİYELİ KOMPOZİT MALZEMELER İÇİN MİKROMEKANİK ESASLI KIRIM KISTASI EMRE FIRLAR KAAN BİLGE MELİH PAPİLA 0º 90º 90º 0º

Fiziksel bir olayı incelemek için çeşitli yöntemler kullanılır. Bunlar; 1. Ampirik Bağıntılar 2. Boyut Analizi, Benzerlik Teorisi 3.

GERİ BASAMAK AKIŞININ NÜMERİK ANALİZİ

MATEMATİK ÖĞRETMENLİK ALAN BİLGİSİ - DENEME SINAVI DENEME. Diğer sayfaya geçiniz.

ÖZGEÇMİŞ. 1. Adı Soyadı: Bahaddin SİNSOYSAL 2. Doğum Tarihi: Ünvanı: Doç. Dr. 4. Öğrenim Durumu:

Plazma İletiminin Optimal Kontrolü Üzerine

Bölüm 8: Borularda sürtünmeli Akış

Çok Ölçekli Malzeme Modellemesi ve c-bn Film Büyütmenin Moleküler Dinamik Simülasyonu

BÜYÜK ORANDA ŞEKİL DEĞİŞTİREBİLEN KANAT YÜZEYLERİNİN AERODİNAMİK YÜKLER ALTINDAKİ DAVRANIŞLARI

Transkript:

DOI 0.7603/s40690-04-006-y Atmosferik Geçiş Yaan Araç Etrafında Naier-Stokes Denklemleri İle Üç Boyutlu Hiersonik Akış Analizi HAVACILIK VE UZAY TEKNOLOJİLERİ DERGİSİ TEMMUZ 204 CİLT 7 SAYI 2 (7-77) ATMOSFERİK GEÇİŞ YAPAN ARAÇ ETRAFINDA NAVIER-STOKES DENKLEMLERİ İLE ÜÇ BOYUTLU HİPERSONİK AKIŞ ANALİZİ Muharrem ÖZGÜN * ODTÜ, Haacılık e Uzay Mühendisliği Bölümü muharrem.ozgun@metu.edu.tr Sinan EYİ ODTÜ, Haacılık e Uzay Mühendisliği Bölümü seyi@metu.edu.tr Geliş Tarihi: 30 Mayıs 204, Kabul Tarihi: 30 Haziran 204 The Author(s) 204. This article is ublished with oen access by Aeronautics and Sace Technologies Institute ÖZET Bu çalışmada hiersonik akışlar için kullanılabilecek isabetli e etkin bir hesalamalı akışkanlar dinamiği kodu geliştirilmesi amaçlanmaktadır. Akış analizi üç boyutlu Naier-Stokes denklemlerini temel almaktadır. Bu denklemler Newton metoduyla çözülmekte e Jacobian matrislerini hesalamak için analitik metot kullanılmaktadır. Model olarak alınan AS-202 Aollo uzay aracı geometrisi üzerinde akış arametreleri e taşınımla ısı transferi analiz edilecektir. Ayrıca nümerik olarak stabil olan e genelde hiersonik akış uygulamalarında iyi tahminler sağlayan Salart-Allmaras türbülans modeli kullanılarak hiersonik akış için türbülanslı akış analizi yaılacaktır. Anahtar Kelimeler: Hiersonik Akış, Taşınımla Isı Transferi, Türbülans Modellemesi, Hesalamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD). ANALYSIS OF THREE DIMENSIONAL HYPERSONIC FLOW AROUND RE-ENTRY VEHICLE USING NAVIER-STOKES EQUATIONS ABSTRACT The urose of this study is to deelo an accurate and efficient CFD code that can be used in hyersonic flows. The flow analysis is based on the three dimensional Naier-Stokes equations. These equations are soled by using Newton s method and the analytical method is used to calculate the Jacobian matrix. Flow arameters and conectie heat transfer are analyzed on Aollo AS-202 Sace Casule. Also, one-equation Salart- Allmaras turbulence model is used to analyze hyersonic turbulent flow since this turbulence model is numerically robust and generally gies good redictions in hyersonic alications. Keywords: Hyersonic Flow, Conectie Heat Transfer, Turbulence Modeling, Comutational Fluid Dynamics.. GİRİŞ Hiersonik akış, saunma e haacılık endüstrisinin fark etmesi sonucu zamanla oüler bir araştırma alanı haline gelmiştir. HAD ise geçmiş birçok uzay rogramının başarısında anahtar bir rol üstlenmiştir. İki farklı araştırma alanı HAD cemiyeti içerisinde zamanla önem arz etmiştir. Bunlardan biri özellikle matematiksel noktalarda yoğunlaşan uwind şemaları, diğeri ise türbülans modellemesidir. Türbülans, klasik fizikteki en karmaşık konulardan biridir e hiersonik biliminin özel bir araştırma alanını oluşturmaktadır.[] Türbülanslı akışlar birçok hiersonik uygulamasında mecut olmasından dolayı türbülans modellemesi hiersonik akışlar için önemli bir yere sahitir. [2] * Sorumlu Yazar 7 Laboratuar e uçuş testlerinden eri elde edilmesi büyük maliyetler gerektirmektedir. Bununla birlikte hiersonik uçuş koşullarının deneysel ortamda oluşturulması ciddi bir roblemdir. Nümerik hesalamalar ise daha az maliyetlidir e deneysel imkanlarla oluşturulamayacak birçok uçuş koşulunu üretmemize olanak tanır. Böylelikle deneysel eriler sayısal simülasyonlarla aktarılabilir. Atmosferik giriş yaan araçları dizayn ederken karşılaşılan önemli roblemlerden biri, hiersonik uçuş boyunca araç yüzeyindeki yüksek taşınımlı ısı akılarının doğru tanımlanmasıdır. Böyle bir aracın üzerindeki akış arametreleri e ısı transferine ait analizler, Naier- Stokes denklemlerinin yoğun bir atmosfere nümerik entegrasyonu ile gerçekleştirilebilir. Problemlerin karmaşıklığı artarken, hesalanan sonuçların deneysel

erilerle karşılaştırılması büyük önem taşımaktadır. Bu sonuçların başarısı kullanılan fiziksel modeller e nümerik tekniklerle ilişkilidir.[3] Bu çalışmanın amaçlarından biri hiersonik akışlar için güenilir e kararlı bir analiz kodu oluşturmaktır. Akış analizi eksenel-simetrik Euler denklemlerini temel almaktadır. Bu denklemler eş zamanlı olarak Newton yöntemi ile çözülmektedir. Newton yöntemi, kalan ektörün akış değişken ektörüne göre türei olan Jacobian matrislerini kullanmaktadır. Jacobian matrisi eldesi için analitik fark kullanılmaktadır. Ayrık Jacobian matrisi LU yöntemiyle faktörize edili, çözüm UMFPACK ayrık matris çözücüsüyle elde edilmektedir. Akış arametreleri e taşınımlı ısı transferinin analizi için Naier-Stokes denklemlerinin nümerik entegrasyonu kullanılmaktadır. Son olarak akıştaki türbülans etkileri incelenecektir. 2. TÜRBÜLANS MODELLEMESİ Türbülans, hiersonik araçlarda aerodinamik kuetleri e ısınmayı belirlemek için önem arz etmektedir. Bununla birlikte türbülans modelini doğrulamak için deneysel eri elde etmek oldukça zordur. Literatürde sadece birkaç uçuş testi bulunmakta e bu testler de genelde yeterli eri sağlamamaktadır. Çoğunlukla küçük ölçekli geometriler üzerinde uygulanmış rüzgar tüneli testleri mecuttur. Bu testler daha çok eri elde etmemizi sağlamaktadır. Ancak, hiersonik rüzgar tüneli testleri genelde uçuş şartlarındakiyle aynı tolam entali e düşük serbest akım türbülansı değerlerini ermemektedir. Bundan dolayı kullanılan türbülans modellerinin rüzgar tüneli erileriyle doğrulaması yaılırken, uçuş şartlarındaki entali değerleri göz önüne alınarak extraolasyon yaılmaktadır.veri elde etmedeki tüm bu zorluklardan ötürü tasarımcılar HAD e türbülans, kimya, ablasyon gibi önemli konular için bazı modeller kullanmaktadır. [4] Bazı uwind şemalarının e türbülans modellerinin hiersonik akış analizindeki erformansını gösteren [] no lu referansta blok yaılı e açık bir sonlu hacim akış çözücüsü kullanılarak Wilcox s k ω, Salart Allmaras, Menter s Suersonic Transort (SST) e açık, cebirsel bir Reynolds gerilme modeli (EARSM) olmak üzere dört farklı türbülans modeli incelenmiştir. Yüzey basıncı genelde tüm modeller tarafından doğru tahmin edilmiştir. Yine, yüzey sürtünmesi e ısı transferi açısından basit roblemler için tatmin edici sonuçlar elde edilmiştir. Ancak ana roblemler daha komleks akışlar için ortaya çıkmaktadır. Akışın hiersonik sıkıştırma raması boyunca çok yüksek sıkıştırmaya maruz kalması buna örnek gösterilebilir. Bu durumda akış ayrılmasını e yüzey basıncındaki yükselmeyi doğru tahmin eden tek model Salart-Allmaras modelidir. Ayrıca iterasyon başına düşen hesalama maliyeti dikkate alındığında Salart-Allmaras modeli diğer modellere göre daha az CPU zamanı gerektirmektedir. Bir başka çalışmada, düz leha e siri koni üzerinde hiersonik geçiş akışı incelenmiş e dört farklı türbülans modeli kullanılmıştır. Bunlar; Salart- Allmaras çerinti iskozitesi taşınım modeli, küçük Reynolds sayılı bir k-ε modeli, Menter k-ω modeli e Wilcox k-ω modeli dir. Salart-Allmaras modeli hassaslık e isabet bakımından en iyi erformansı göstermektedir. Menter k-ω modeli de sıfır basınç gradyenli sınır tabaka akışları için iyi sonuçlar ermektedir. [5] [6] no lu referansta hiersonik modeller için laminar, geçiş e türbülanslı akış bölgelerinde tek e iki denklemli türbülans modelleri incelenmiştir. Bu modeller; Salart-Allmaras, küçük Reynolds sayılı k-ε, Menter k-ω, Wilcox k-ω dır. Türbülans modelleri, ses hızının 20 katında atmosferik geçiş yaan F aracı için uygulanmıştır. Sonuçta Salart- Allmaras e k-w modelleri ısı akısı için k-ε modelinin aksine mecut uçuş erileriyle uyuşma göstermiştir. Türbülans modellerinin hiersonik akışlar için değerlendirmesinin yaıldığı [4] no lu çalışmada 7 farklı roblem için tolam 8 tane tek e iki denklemli türbülans modeli kullanılmıştır. Bazı türbülans modelleri yüzey basıncı için iyi tahminler sağlasa da, yüzey ısı akısı tahminleri genelde zayıftır. Salart- Allmaras türbülans modeli dört roblem için kullanılmış e genelde yüzey ısınması, yüzey basıncı, akış ayrılması tahminlerinde başarılı olmakla birlikte küçük sayısal hatalar ermiştir. İncelenen çalışmalar sonucunda Salart-Allmaras türbülans modelinin hiersonik uygulamalarında genelde isabetli tahminler erdiği görülmüş e kullanılmasına karar erilmiştir. 3. YÖNTEM Çalışmada AS-202 Aollo uzay aracı model olarak alınmıştır e aşağıda metre cinsinden ölçüleriyle beraber gösterilmektedir. Şekil. Aollo AS-202 kasülü ölçüleri. 72

Aracın oluşturulan üç boyutlu katı modeli şekil-2 de görülmektedir. 3. Naier-Stokes Denklemleri Üç boyutlu, sıkıştırılabilir e zamanla değişmeyen Naier-Stokes denklemleri genelleştirilmiş koordinat sisteminde aşağıdaki gibi yazılabilir. Fˆ(W) ˆ Fˆ (W) ˆ Gˆ(W) ˆ Gˆ (W) ˆ Hˆ (W) ˆ Hˆ (W) ˆ Rˆ(W) ˆ = + + = 0 () ξ η ζ Şekil 2. Aollo AS-202 kasülü katı modeli. Akış analizi için oluşturulan yaısal çözüm ağının ilk hali aşağıdaki gibidir. R, artık ektördür. Akış değişken ektörü, ρ ρu Wˆ = ρ J ρw ρe t iskoz olmayan akı ektörleri, (2) ρu ρuu + ξ x Fˆ ρu ξ y = + J ρwu + ξ z ( ρe t + )U, ρv ρuv + η x Gˆ ρv η y = + J ρwv + η z ( ρe t + )V, ρw ρuw + ζ x Hˆ ρw ζ y = + J ρww + ζ z ( ρe t + )W (3) Şekil 3. Aollo AS-202 modülü için oluşturulan çözüm ağı. Daha sonra Naier-Stokes denklemleri için daha uygun olan bir çözüm ağı düşünülmüş e şekil-4 teki çözüm ağı geliştirilmiştir. Sonuçlar x-y düzlemine göre simetrik olduğundan 80 yi kasayacak şekilde yarım çözüm ağı kullanılması yeterli olmaktadır. Oluşturulan bu çözüm ağları yalnızca kodun doğruluğunu hızlı bir şekilde test etmek için kullanılmakta olu, sonrasında çok daha yoğun bir çözüm ağı üzerinde çalışılacaktır. Çözüm ağı oluşturulurken [7,8] e [9] no lu referanslardan yararlanılmaktadır. koordinat dönüşümü için kullanılacak Jacobian matrisi, ( ξ, η, ζ ) J = x, yz, (4) ( ) yukarıdaki gibi tanımlanmışlardır. Burada, ρ yoğunluğu; u, e w hız bileşenlerini; basıncı; e t birim hacimdeki tolam enerjiyi; U, V e W kontraaryant hız bileşenlerini belirtmektedir. Kontraaryant hız bileşenleri aşağıdaki gibi tanımlanır. U = ξ u+ ξ + ξ u, x y z V = η u+ η + η u, (5) x y z W = ζ u+ ζ + ζ u x y z Viskoz akı ektörleri için geçerli denklemler aşağıdaki gibi yazılabilir. Fˆ = 0 ξ τ + ξ τ + ξ τ x xx y xy z xz ξ τ + ξ τ + ξ τ x xy y yy z yz, (6) J ξ τ + ξ τ + ξ τ x xx y yz z zz ξ b + ξ b + ξ b x x y y z z Şekil 4. Aollo AS-202 kasülü için oluşturulan üç boyutlu Naier-Stokes çözüm ağı (Ölçü:32x64x8). 73

Gˆ Hˆ 0 η τ + η τ + ητ x xx y xy z xz = η τ + η τ + ητ x xy y yy z yz, J η τ + η τ + ητ x xx y yz z zz η b + η b + η b x x y y z z (7) 0 ζ τ + ζ τ + ζ τ x xx y xy z xz = ζ τ + ζ τ + ζ τ x xy y yy z yz J ζ τ + ζ τ + ζ τ x xx y yz z zz ζ b + ζ b + ζ b x x y y z z (8) Burada, kayma gerilmesi, M u u i j uk τ = xx μ + + λ δij i j Re x x x ısı akısı, j i k xi j xixj xi (9) b = uτ q (0) μ ( γ ) 2 M a q x i = () RePr x şeklinde tanımlanmıştır. Yukarıdaki denklemlerde M, Re e Pr arametreleri sırasıyla Mach, Reynolds e Prandtl sayılarını göstermektedir. Basınç değeri ideal gaz denklemleri kullanılarak elde edilir. i u ' υ ' ν t = (3) du / dy Çerinti iskozitenin taşınımı aşağıdaki temel Salart- Allmaras denklemine göre yaılır: Df F = + ( u ) F = Diffusion+Production-Destruction Dt t (4) Bu terimleri belirledikten sonra, Salart-Allmaras modelinin esas denklemi aşağıdaki gibi olacaktır: D υ 2 [ (( ) ) ( ) 2 υ = c b S υ+ ν+ υ υ + c b2 υ ] c w f Dt σ wd (5) c b, c b2, c w sabit değerler olmak üzere, S çerinti şiddetini, türbülans randtl sayısını, ν moleküler iskoziteyi, f w boyutsuz bir fonksiyonu, υ çerinti iskozitesini e d duara olan uzaklığı belirtmektedir. Denklemin tam çıkarımı e açıklamalar referans [0] da görülebilir. Salart Allmaras modelinin nümerik olarak kararlı olduğu e çeşitli akış türleri için genelde iyi sonuçlar erdiği görülmüştür. [5] 3. 3 Çözüm Yöntemi Lineer olmayan ayrıştırılmış denklem sistemi aşağıdaki formda yazılabilir: RW ˆ( ˆ) = 0 (6) ˆR kalan ektördür e aşağıdaki gibi ifade edilir. = e ρ u + + w 2 2 2 2 ( γ ) t ( ) (2) ˆ( ˆ) ˆ ( ˆ) ˆ( ˆ ˆ ˆ F W G W H W) RW ( ) = + + ξ η ζ (7) 3.2 Salart-Allmaras Türbülans Modeli Kullandığımız model tek denklemli Salart-Allmaras türbülans modelidir. Özellikle bitişik akışlar için, iyi bir isabet e direnç kombinasyonuna sahitir. Bu türbülans modeli dış akışlar için ses altı, ses üstü e geçiş hızlarında Menter in SST modeliyle birlikte en sık kullanılan modeldir.[4] Ayrıca bu model, çerinti iskozitesi için temel bir taşınım denklemidir. İlk önce, akışın ortalama hareketi için gerekli denklemleri türetmek amacıyla Reynolds gerilme dağılımı belirlenmelidir. Reynolds gerilme denklemindeki terimler koneksiyon, difüzyon, üretim e yıkım olarak tanımlanabilir. Çerinti iskozitesi bağımlı bir değişkendir e Reynolds gerilmesiyle aşağıdaki gibi ilişkilidir. R (W) ˆ yi Taylor serisiyle genişletirsek; n ˆ ˆn+ ˆ ˆn ˆ R ˆ n R ( W) = R ( W) + ΔW Wˆ (8) Rˆ elde edilir. Burada, Jacobian matristir. Wˆ Yukarıdaki denklemi ˆn+ R ( Wˆ) = 0 için çözersek Newton metodu elde edilir: n Rˆ Wˆ ˆ n ( ˆ n Δ W = R W ) (9) 74

Akış değişken ektörü Ŵ nin, (n+). iterasyondaki yeni değerleri aşağıdaki gibi hesalanır: ˆ n ˆ n ˆ n W + = W +Δ W (20) Euler denklemlerinin Newton metoduyla çözümünde akılara ait Jacobian matrisleri gereklidir. Jacobian matrisinin girdileri, kalan ektörün akış değişken ektörüne göre türeleridir. Bu türeler sonlu fark yöntemiyle eya analitik olarak hesalanabilir e oluşan matrisler nümerik eya analitik Jacobianlar olarak adlandırılır. 4. SONUÇLAR Oluşturduğumuz HAD koduyla Euler denklemleri çözülerek, üç boyutlu atmosferik giriş yaan araç üzerindeki akış iskoz etkiler ihmal edilerek e başlangıç için Mach sayısı 5 kabul edilerek incelenmiştir. Aşağıda Aollo etrafındaki Mach sayısı dağılımı, oluşturulan ilk çözüm ağı kullanılarak, ilgili kesitler üzerinde görülmektedir. Şekil 7. Aollo AS-202 etrafında sıcaklık dağılımı Şekil-8 e 9 da aynı düzlem e Mach sayısı için sırası ile elde edilen yoğunluk e entroi dağılımı gösterilmiştir. Şekil 5. Aollo AS-202 aracı etrafında Mach sayısı dağılımı. Şekil 8. Aollo AS-202 etrafında yoğunluk dağılımı Şekil-6 da Mach sayısı 5 iken uzay aracı etrafında x-y düzleminde oluşan basınç dağılımı, Şekil-7 de ise aynı şartlarda sıcaklık dağılımı erilmiştir. Şekil 9. Aollo AS-202 etrafında entroi dağılımı Şekil 6. Aollo AS-202 etrafında basınç dağılımı HAD kodu daha sonra hiersonik şartlarda iskoz olarak çalışır hale getirilmiş, Mach sayısı 20 iken e akış doğrultusuyla x ekseni arasındaki açı -30 iken akış incelenmiştir. Bu analizde, iskoz akışlar için daha uygun olduğundan Şekil-4 teki çözüm ağı kullanılmıştır. Şekil-0 e de Aollo etrafında bu şartlarda elde edilen Mach sayısı e sıcaklık dağılımı görülmektedir. 75

Şekil 0. Aollo AS-202 etrafında Mach sayısı dağılımı Şekil 3. Aollo AS-202 etrafında yoğunluk dağılımı Şekil. Aollo AS-202 etrafında sıcaklık dağılımı Şekillerde gösterilen değerler normalize edilmiş değerlerdir. Şekil- deki sıcaklık dağılımına bakıldığında e gerçek değerler baz alındığında, burun kısmındaki maksimum sıcaklığın 20000-25000 K seiyesinde olduğu görülmektedir e bu değerler olması gerekenden oldukça yüksektir. Bunun sebebi hesalamalarda ideal gaz denklemlerinin kullanılması e henüz kimyasal reaksiyon etkilerinin koda dahil edilmemiş olmasıdır. Şekil-2, 3 e 4 te sırasıyla aynı şartlar altında Aollo etrafındaki basınç, yoğunluk e entroi dağılımı gösterilmektedir. Şekil 4. Aollo AS-202 etrafında entroi dağılımı Aşağıdaki şekilde, akış üzerinde aynı şartlarda hız ektörleriyle beraber sıcaklık dağılımı daha yakından görülmektedir. Şekil 5. Aollo AS-202 etrafında sıcaklık dağılımı e hız ektörleri Şekil 2. Aollo AS-202 etrafında basınç dağılımı Burada, aracın üst-arka bölümünde görülen yüksek sıcaklık dikkat çekmektedir. Bunun sebebinin bölgedeki duraklama noktası olduğu düşünülmektedir. Ayrıca, hız ektörlerinin sınır tabaka fiziğine uygun şekilde dağıldığı görülmektedir. 76

Asıl amaç robleme ait iskoz çözümlerin Aollo aracının gerçek göre şartlarında (Mach sayısı 30 e üzeri) elde edilmesidir. Bunun için, kodda iyileştirmeler yaıldıktan sonra daha yoğun e fazla sayıda elemana sahi, çözümün bağımsız olduğu bir yaısal çözüm ağı oluşturulacak e sonrası için bu çözüm ağı kullanılacaktır. Taşınımla ısı transferi arametreleri hesalanabilir hale geldikten sonra, Aollo AS-202 geometrisine ait iyileştirme yaılabilecektir. Özellikle ısı akısını minimize etmek için burun yarıçaında değişiklikler yaılabilmektedir. Benzer bir çalışma [] no lu referansta görülebilir. Son olarak, Salart-Allmaras modeli başta olmak üzere bir ya da birkaç türbülans modeli, hiersonik akış roblemine uygulanarak literatürle e kendi aralarında karşılaştırılarak incelenecektir. Oen Access: This article is distributed under the terms of the Creatie Commons Attribution License (CC-BY 4.0) which ermits any use, distribution, and reroduction in any medium, roided the original author(s) and the source are credited. 5. KAYNAKLAR [] Ballmann, J., Coratekin, T., Keuk, J. (2004) Performance of Uwind Schemes and Turbulence Models in Hyersonic Flows, AIAA Journal, Vol.42, No.5 [2] Paciorri R., Dieudonne W., Degrez G., Charbonnier J.M., Deconinck H. (998), Exloring the Validity of the Salart Allmaras Turbulence Model for Hyersonic Flows, Journal of Sacecraft and Rockets, Vol. 35, No. 2 [3] Gorshko, A.B. (20), Heat Transfer - Mathematical Modeling, Numerical Methods and Information Technology, ISBN 978-953-307-550- [4] Blottner, F.G., Roy, C.J. (2006) Reiew and assessment of turbulence models for hyersonic flows, Progress in Aerosace Sciences, 42 (2006) 469-530 [5] Blottner, F.G., Roy, C.J., (2003) Methodology for Turbulence Model Validation: Alication to Hyersonic Flows, Journal of Sacecraft and Rockets, Vol.40, No.3 [6] Blottner, F.G., Roy, C.J., (200) Assessment of One- and Two-Equation Turbulence Models for Hyersonic Transitional Flows, Journal of Sacecraft and Rockets, Vol.38, No.5 [7] Teramoto S., Hiraki K., Fujii K. (200) Numerical Analysis of Dynamic Stability of a Reentry Casule at Transonic Seeds, AIAA Journal, Vol.39, No.4 [8] Reddy D.S.K., Sinha K. (20) Effect of Chemical Reaction Rates on Aeroheating Predictions of Reentry Flows, Journal of Thermohysics and Heat Transfer, Vol.25, No. [9] Shang J.S., Surzhiko S.T., (200) Simulating Nonequlibrium Flow for Ablatie Earth Reentry, Journal of Sacecraft and Rockets, Vol.47, No.5 [0] Salart P.R., Allmaras S.R., (992) A One- Equation Turbulence Model for Aerodynamic Flows, AIAA Paer 92-0439 [] Cui K., Hu S.C., (203) Shae Design to Minimize the Peak Heat-Flux of Blunt Leading Edge, 5st AIAA Aerosace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerosace Exosition, Graeine (Dallas/Ft. Worth Region), Texas, AIAA 203-0233 ÖZGEÇMİŞLER Muharrem ÖZGÜN 202 yılında, tam burslu olarak kazandığı TOBB Ekonomi e Teknoloji Üniersitesi Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü nden mezun oldu. Halen ODTÜ Haacılık e Uzay Mühendisliği nde yüksek lisans eğitimine deam etmektedir. Hesalamalı akışkanlar dinamiği, hiersonik akış e türbülans, ilgili olduğu alanlar arasındadır. Doç. Dr. Sinan Eyi 982 yılında KTÜ Makine Mühendisliği Bölümü nden lisans dilomasını aldıktan sonra, Uniersity of Illinois Haacılık e Uzay Mühendisliği Bölümü nde 989 yılında yüksek lisans, 995 yılında doktora derecelerini elde etti. Hesalamalı akışkanlar dinamiği, aerodinamik, tasarım otimizasyonu e itki, ilgi duyduğu alanlar arasındadır. Halen ODTÜ Haacılık e Uzay Mühendisliği Bölümü nde öğretim üyesidir. 77