Transonik kavite akışının aeroakustik incelemesi
Aeroacustic investigation of transonic cavity flow
Yazar: HAYDAR İREY
Danışman: DOÇ. DR. BAHA ZAFER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı / Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies

Özet:
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.

Abstract:
Cavity structures, which are the basis of this study, are the geometries that are frequently encountered in various designs in the field of engineering. Cavity flows, on the other hand, can be defined as flow types that deal with the flow fields that these geometries affect or affect these geometries. Cavity flows are one of the most important engineering problems that attract the attention of different engineering fields, due to the simplicity of their geometry, and the fact that the variable interactions that occur depending on time create irregular and highly random flow areas. In order to examine the effects of warplanes on weapon compartments and the equipment contained in these compartments, research on void flows that began in the mid-20th century under the leadership of military companies has been examined in a wide range from the automotive industry to the construction sector, especially aircraft landing gear and ammunition slots in attack aircraft. In the fifth generation attack type aircraft, payloads have started to be carried inside the fuselage for various reasons, especially reducing the radar visibility. These slots in which warplanes carry ammunition in the fuselage are called cavities in aviation. Despite its simplicity, cavity flows can have negative effects that need to be addressed. These geometries can be the source of undesirable problems such as drag forces, pressure forces, vibration problems and noise in the flow area.
Cavity geometries are structures open to study and research because they create strong acoustic effects, randomness and turbulence by disrupting the aerodynamic surface with the flow fields they create. As it is well known, the necessary lifting force for aircraft to fly is achieved by accelerating to high speeds. At high speeds, environments that disrupt the aerodynamic structure such as cavity are extremely challenging. Ammunition separation inconsistency can lead to negative results such as unstable flow field, severe pressure swings, unwanted acoustic loads, which is also the subject of this study. Therefore, it is of great importance to control or at least minimize these effects.
It is called the science of reverberation, which deals with the propagation of waves in areas where acoustic materiality exists. Aeroacoustics is the name given to the acoustic effect of air. In other words, aeroacoustic is the science that deals with aerodynamic-based sound formation. When aerodynamically based sound formation is in an undesirable shape, it is called noise. The noise phenomenon can be caused by the irregularities of the flow and the aerodynamic interaction of the fluid with the bodies. Aerodynamic noise, which is frequently encountered in every field in our daily lives, from vehicles to ventilation systems, from cleaning tools to fan systems even in our computers, is an important problem that needs to be emphasized and eliminated for engineering fundamental sciences.
In this study, the aeroacoustic effect created by simple geometries described as cavities, which is frequently encountered in engineering studies and designs, as in the ammunition storage parts of warplanes has been studied. If we explain the aerodynamically based sound generation phenomenon in cavity flows in a basic and simple way, the free flow comes and hits the front wall. The boundary layer of the free flow seperates at the front wall and forms the shear layer. The separation of this shear layer causes the formation of a vortex shedding in the cavity geometry as time passes. The eddies that occur hit the back wall, creating pressure fluctuations. These pressure oscillations trigger the formation of acoustic fluctuations. The meeting of the formed swirl flow with the rear wall leads to the occurrence of sound formation. After the flow hits the rear wall and is reflected back to the front wall, it interacts with the shear layer separated from the front wall. This situation fosters the formation of new vortex sheddings by the shear layer. Rossiter, who has made important contributions to clarify the physics of cavity flow, has made various experiments for this purpose and this cavity flow phenomenon is defined as the Rossiter mechanism.
The studies that started to explain the operation of cavity flows and how they affect flow parameters continued with the development of certain control techniques in order to reduce or completely eliminate the undesirable effects of cavity flows. These control techniques are divided into two as active flow control methods and passive flow control methods. The most important advantage of passive methods is that they can affect the desired feature of the flow without the need for an external power. They are usually applied with formal changes applied to the flow field at the design stage. Passive flow control methods bring with them the negativities such as not being open to intervention, not providing the desired efficiency outside the design conditions and creating unnecessary drag force. Although active methods work more efficiently than passive methods, they lose their advantage due to the need for external energy.
In this study, aeroacoustic analysis of the cavity flow in the transonic velocity field was performed using numerical methods. In the continuation of the open cavity flow study, which was examined and confirmed by experimental results, the effect of the passive control techniques applied to the flow field on the cavity geometry and the time-varying flow field parameters on the acoustic formation was investigated. In the study, the noise level due to aerodynamic effects in the three-dimensional cavity geometry will be calculated with the help of acoustic analogy approach.
The cavity used in the study has geometric dimensions known as M-219 in the literature, with a length/depth ratio of 5 and a width/depth ratio of 1. Studies were examined using the commercial finite volume solvent Fluent. In the analyses, the IDDES (Improved Delayed Separated Eddy Simulation) turbulence model was used to simulate the flow. Calculation conditions were studied in such a way that they remained the same as the test conditions. These conditions are designed to be Temperature(T)=267K,Pressure(P)=6.21×104𝑃𝑎,Re=13.5x106/𝑚 and (𝑀∞)=0.85. In the calculations, the time step is defined as 2×10−5 𝑠 and the sampling time as 0.2 s. In the experimental study, the overall average sound pressure level (OASPL) and Sound Pressure Level (SPL) were determined by using the Ffowcs Williams-Hawking equation with the help of microphones positioned in the same position as those placed in the cavity. Sound levels were also compared over SPL-Frequency graphs. Experimentally widely documented transonic cavity flow with detailed measurements, M219 was used to compare and validate with data from existing numerical methods and turbulence resolution model. The validation study of the numerical solution method proposed in the study is presented in terms of Rossiter modes, from the comparison of OASPL values and the comparison of SPL-Frequency spectrum outputs. The aerodynamic-based sound generation in the flow area affected by the cavity physics of the current approach has been investigated and it has been shown that it can successfully capture the experimental data. The frequency and character properties in the pressure sample obtained from the calculation show good agreement with the experimental outcome measurements. OASPL values differ by less than 3 dB between measurements and simulations. As a result of the analyzes made, discretizing the flow field for a clean cavity at the number of 2.5×106 points gives consistent results in terms of agreement with the experimental data.
After the study of independence from the number of nets, the study of 𝑦+ value was emphasized so that the network structure would not pose a problem in terms of quality. In the light of the results of the studies and based on the previous studies, the value of 𝑦+=200 was decided. In the second part of the study, before applying 16 different passive control methods to the cavity flow, a comparison of structural and non-structural discretization was made in order to provide discretization more easily. As a result of the comparison made by keeping all values the same, the unstructured network discretization gave acceptable results. Experimental results were taken as reference at each stage of the study. The data obtained as a result of the analyzes were compared with the experimental results and verified.
In the second part of the study, 16 different passive control methods were applied to the cavity geometry, starting from the clean cavity geometry. These passive control methods include inclining the front wall and rear wall of the cavity and shortening these two walls to a certain extent. The acoustic effects of these control methods are examined. As expected, the SPL values obtained from the microphone positioned close to the front wall were found to be 15 dB less than the data obtained from the microphone positioned close to the rear wall. In addition, it has been revealed that the slopes given to the cavity rear wall are more successful in reducing the noise level than the slopes given to the cavity front wall. According to these outputs, it reveals the importance of the rear wall effect in sound formation, in other words, the flow hitting the back wall causes more noise. These results allow us to conclude that the noise level can be reduced by inclining the rear wall. When all cases are examined, it can be said that case 5 and case 7, which have 30 and 60 degree slopes given to the front wall of the cavity, give the worst results. In addition, it can be said that the best result is provided by the combination of two different control methods, where the front wall of the cavity is cut along 1 inch and a slope of 60 degrees is given from the base of the rear wall. The fact that this passive control method works in the direction of reducing an aerodynamic-based noise level of approximately 13 dB makes it stand out among the control methods applied in this study. In general, when all the cases are examined, the inclined structure of the cavity rear wall is important because it has an aerodynamic-based noise-reducing effect.