Hibrit roket motorlarında kare vida yakıt geometrisi kullanılarak yanma hızının arttırılması
Improving of regression rate by using square screw fuel geometry in hybrid rocket engines
Yazar: HAKAN KESKİN
Danışman: PROF. DR. AYDOĞAN ÖZDAMAR
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Hibrit roket motoru = Hybrid rocket motor

Özet:
Bu çalışmada, roket motorlarıyla ilgili genel bilgiler verilmiĢ, roket termodinamiği, nozul tasarımı, hibrit roket motorunda kullanılan yakıtlar ve yanma hızı kavramları anlatılmıştır. Tez çalışmasında ana hedef, hibrit roket motorunda yanma hızının arttırılması olmuştur. Yanma hızının arttırılması amacıyla geçmişte yapılan çalışmalar irdelenmiştir. Yanma hızının arttırılması için, "yanma odası içerisinde yüzey sürtünme katsayısının arttırılması" fikri esas alınmıştır. Bu amaçla, farklı çaplarda yakıt çekirdekleri içerisine farklı adımlarda kare vida dişleri oluşturulmuş, analitik ve nümerik analiz yapılmıştır. Yakıt olarak, hibrit roket motorlarında tercih edilen PMMA, HTPB, HDPE seçilmiĢtir. Yanma hızı, 5 farklı çap, 5 farklı vida adımında, 3 farklı akış tipinde çözümlenmiĢtir. Vida açılmamış silindirik yakıt profili, literatürde belirtilenin aksine, akış tipi doğrudan türbülanslı olarak ele alınmamış, konuma bağlı olarak her bir noktada akış tipi ve sürtünme katsayısı hesaplanmıştır. Akış alanı 2 ve 3 boyutlu olarak ele alınarak nümerik olarak yerel sürtünme katsayısı hesaplanmıştır. 2 ve 3 boyutlu nümerik olarak elde edilen yerel sürtünme katsayısı kullanılarak, 3 farklı yakıtın yanma hızı, düz silindirik yanma odası için hesaplanmış, elde edilen sonuçlar levha çözümünden elde edilen analitik sonuçlar ve literatür sonuçlarıyla kıyaslanmıştır. Daha sonra, akıĢ alanı içerisinde kare vida oluşturularak, yerel sürtünme katsayısı nümerik olarak hesaplanmış, elde edilen sonuçlar literatür değerleriyle kıyaslanmıştır. Elde edilen analitik sonuçlar nümerik ve analitik olarak irdelendiğinde, yanma hızının oksitleyici akısına bağlı olarak, %40 ila %156 arasında artış gösterdiği nümerik ve analitik olarak elde edilmiştir.

Abstract:
In this study, general information about rocket engines is given, rocket thermodynamics, nozzle design, fuels used in hybrid rocket engine and regression rate concepts are explained. In the thesis study, the main goal was to increase the regression rate in the hybrid rocket engine. In order to increase the regression rate, studies conducted in the past are examined. In order to increase the regression rate, the idea of "increasing the surface friction coefficient within the combustion chamber" was taken as the basis. For this purpose, square threads in different steps are created into fuel cores of different diameters, and calculated analytically and numerically. The preferred PMMA, HTPB and HDPE in hybrid rocket engines are selected as fuel. Regression rate is solved in 5 different diameters, 5 different screw steps, 3 different flow types. Contrary to what is stated in the literature, the flat cylindrical fuel profile is not handled with direct turbulence, flow type and friction coefficient are calculated at each point depending on the location. The numerical local friction coefficient was calculated by considering the flow area in 2 and 3 dimensions. The regression rate of 3 different fuels was calculated for the flat cylindrical combustion chamber by using the local friction coefficient obtained in 2 and 3 dimensions numerically, and the results were compared with the analytical results and literature results obtained from the plate solution. By creating a square screw in the flow area, the local friction coefficient was calculated numerically and the results obtained were compared with the literature values. When the analytical results obtained were examined, it was obtained numerically and analytically that the regression rate increased between 40% and 156% depending on the oxidizing flux.