Transonik hızda kavite akışına maruz kalan mühimmat ayrılmasının HAD analizi
The CFD analysis of the store separation subjected to the cavity flow at transonic speed
Yazar: SEYFETTİN TÜRK
Danışman: PROF. DR. KÜRŞAD MELİH GÜLEREN
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Uçak Gövde Motor Bakım Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, yeni nesil avcı uçaklarında kullanılan içeriden mühimmat ayrılması Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ve altı serbestlik dereceli hareket denklemlerinin birlikte kullanılması ile çözülmüştür. Öncelikle, hareket denklemlerinin çözümünün doğrulanması amacı ile deneysel sonuçları literatürde yer alan dışarıdan mühimmat ayrılmasına örnek olan EGLIN çalışması sayısal olarak tekrar edilmiştir. Daha sonra, literatürde M219 adıyla anılan deneysel çalışması sayısal yöntem ile doğrulanmıştır. Doğrulama çalışmalarından sonra temiz ve pasif kontrol yöntemlerin uygulandığı kaviteden mühimmat ayrılması benzetimleri gerçekleştirilmiştir.
EGLIN doğrulanmasında öncelikle deney düzeneğinde kullanılan tutucunun mühimmat yörüngesine olan etkisi incelenmiştir. Bunun için farklı ağ yoğunlukları için viskoz olmayan akış yaklaşımı ile mühimmat tutuculu ve tutucusuz kanat altından olan ayrılmanın sayısal benzetimi gerçekleştirilip sonuçlar karşılaştırılmıştır. Deney setinde kullanılan tutucunun, yörüngeye etki etmediği ortaya konmuş olup sonraki çalışmalarda tutucu kullanılmamıştır. Ağ yoğunluğunun etkilerinin incelenmesi için 600 bin, 1 milyon, 1,7 milyon, 3,8 milyon ve 5,4 milyon hücreye sahip ağlar için viskoz olmayan sayısal çözümler gerçekleştirilmiştir. 3,8 milyon hücreli ağın ağ yoğunluğu bakımından sınır değer olduğu, bu yoğunluktan sonra sonucun ağdan bağımsız hale geldiği bulunmuştur. Viskoz etkilerin incelenebilmesi için 2,8 milyon ve 5,9 milyon hücreli ağlar için SST k-ω türbülans modeli ile mühimmat ayrılması sayısal çözümü tekrar edilmiştir. Çalışmanın bu bölümünde dışarıdan mühimmat ayrılmasında her ne kadar viskoz olmayan akış yaklaşımın kullanılabileceği ortaya konulmuş olsa da, türbülanslı akış modeli çözümlerinin deneysel sonuçlar ile daha uyumlu olduğu gösterilmiştir. EGLIN doğrulama çalışmasında son olarak çözücü algoritmasının etkileri incelenmiştir. Bu kapsamda 5,8 milyon hücreli ağ yoğunluk tabanlı ve basınç tabanlı SST k-ω türbülans modeli çözümleri gerçekleştirilmiştir. Basınç tabanlı algoritma aynı ağ yapısı için deneysel sonuçlarla daha fazla uyumlu olmuştur. Sonuç olarak; sayısal çözüme ait sonuçların EGLIN deneysel çalışmasına ait sonuçlar ile hem öteleme hem de dönme değerleri bakımından uyum içinde olması neticesinde sayısal çözüm doğrulanmıştır. 
Kavite akışı doğrulama çalışması için literatürde M219 adıyla anılan uzunluk-derinlik (L/D) oranı 5 olan 0,85 Mach serbest akış hızındaki deneysel çalışma kullanılmıştır. Kavite akışı doğrulama çalışmasında kapaksız ve 90 derece kapak açısına sahip kapaklı iki temiz kavite çalışması gerçekleştirilmiştir. Her iki sayısal çalışmada Detached Eddy Simulation (DES) türbülans modeli kullanılmıştır. Sayısal çözümden elde edilen ortalama hız, türbülans kinetik enerji ve Reynolds gerilmesi gibi akış parametreleri referans Large Eddy Simulation (LES) değerleri ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca kavite tabanından elde edilen ortalama ses basınç düzeyi deneysel değerler ile karşılaştırılmıştır. Sayısal çözümden elde edilen değerlerin deneysel ve referans LES çalışması ile uyum içinde olduğu ortaya konulmuştur.
İçeriden mühimmat ayrılması çalışmasında, M219 deneysel çalışmasındaki L/D oranı 5 olan ve serbest akış hızı 0,85 Mach olan kavite ile EGLIN deneysel çalışmasındaki jenerik mühimmat kullanılmıştır. Bu kapsamda gerçekleştirilen hem hareketli hem de hareketsiz tüm sayısal çözümlerde DES türbülans modeli kullanılmıştır.  Kapak açısı 90 derece olan temiz kaviteye yerleştirilen jenerik mühimmat önce yerçekimi yönündeki kuvvetin maksimum ve minimum olduğu iki farklı fırlatma zamanında aynı fırlatma kuvvetleri ile bırakılmıştır. L/D oranı 5 olan temiz kaviteden 0,85 Mach hızında jenerik mühimmatın izlediği yörüngenin nicel olarak fırlatma zamanına bağlı olduğu görülse de temel olarak iki farklı fırlatma zamanında aynı yörünge elde edilmiştir. Kapak açısı 90 derece ve L/D oranı 5 olan temiz kaviteye sıkıca yerleştirilen jenerik mühimmat, iki farklı fırlatma zamanında da kaviteyi terk edecek iken mühimmatın arkasında bulunan aynı kanatçığın kavite kapağına aynı noktada çarptığı görülmüştür. Mühimmatın kavite kapağına çarpmaması için kavite kapağı dışa doğru 30 derece açılandırılarak kapak açısı 60 derece olacak şekilde temiz kaviteden mühimmat ayrılması benzetimi gerçekleştirilmiştir. Mühimmat  kapak açısı 60 derece olan temiz kaviteden her hangi bir yere temas etmeden kaviteyi terk etmeyi başarmıştır. Fakat hücum açısı 20 dereceye kadar, açısal hızı ise 80 derece/saniye kadar çıkmasından ötürü kabul edilemez bir yörünge elde edilmiştir. Üç farklı pasif akış kontrol yöntemi uygulanarak mühimmatın izlediği bu yörünge iyileştirilmek istenmiştir. M219 deneysel çalışmasında arka duvarın eğimli hale getirilmesi ve kavite önüne dikdörtgen biçiminde spoyler yerleştirilmesi kavite içerisindeki ses basınç düzeyini düşürdüğü deneysel ve sayısal çalışmalar ile ortaya konulmuştur. Bu çalışmada da bu iki pasif yöntem ile birlikte kullanıldığı üçüncü pasif kontrol yöntemi içeriden mühimmat ayrılmasında denenmiştir. Sadece kavitenin firar kenarının kavite tabanı ile 45 derece açı yapacak şekilde eğilmesinin mühimmat üzerindeki maksimum ses basınç düzeyini iyileştirmek yerine 2 dB kadar artırdığı, fakat mühimmatın izlediği yörüngeyi hücum açısı ve açısal hız bakımından bir miktar iyileştirdiği tespit edilmiştir. Kavite önüne yerleştirilen dikdörtgen biçimindeki spoyler mühimmat üzerindeki maksimum ses basınç düzeyini 4 dB kadar düşürmüş ve mühimmatın izlediği yörüngede tüm açılarda ve açısal hızlarda en iyi iyileştirmeyi ortaya koymuştur. Kavite önüne spoyler yerleştirlmesi ve kavite firar kenarının eğimli hale getirildiği birleşik pasif kontrol yöntemi ise mühimmat üzerinde oluşan maksimum ses basınç düzeyini 7 dB kadar düşürerek akustik anlamda en iyi iyileştirmeyi yapan yöntem olmuştur. Bu pasif yöntem mühimmatın izlediği yörünge bakımından sadece önünde spoyler olan pasif kontrol yönteminden daha etkili olamamıştır. Son olarak genişlik-derinlik (W/D) oranı 1,25 ve kapak açısı 90 derece olan temiz kaviteden bırakma işlemi gerçekleştirilerek kavite genişliğinin mühimmat ayrılmasına etkisi incelenmiştir.  Kavite genişliğinin artırılması hem mühimmat üzerinde oluşan ses basınç düzeyini artırmakta hem de mühimmatın izlediği yörüngeyi istenilenden uzaklaştırmaktadır. Kavite genişliğini artırmanın yerine kavite kapaklarını dışarı doğru açılandırmanın hem akustik açıdan hem de mühimmatın izlediği yörünge bakımından daha iyi sonuç verdiği ortaya konulmuştur. 

Anahtar Sözcükler: HAD, Hareketli Ağ, Mühimmat Ayrılması, Kavite Akışı, Pasif Akış Kontrol Yöntemleri

Abstract:
In this thesis, numerical simulations of the internal store separation used in new generation fighter aircraft by solving the Computational Fluid Dynamics (CFD) and six-degree of freedom equations together. First of all, in order to verify the solution of the equations of motion, an example of external store separation called EGLIN, experimental study has been repeated numerically. Later, the experimental cavity flow known as M219 in the literature was verified by numerical method. After the verification studies, simulations of store separation from the clean cavity and from the cavity which passive control methods were applied were carried out.
Firstly the effect of the store holder used in the experimental setup on the store trajectory was examined in the verification of the store separation from the outside named EGLIN. For this purpose, numerical simulations of store separation from under the wing with and without store holder with a inviscid flow approach for different mesh densities was performed and the results were compared. It was revealed that the store holder used in the experimental setup does not affect the store trajectory in the store separation, and the store holder was not used in subsequent studies. In order to examine the effects of mesh density, inviscid numerical solutions with 600 thousand, 1 million, 1.7 million, 3.8 million and 5.4 million mesh densities were performed and compared. .  It was found that 5.4 million mesh density is the limit value in terms of mesh density, the result becomes independent of the mesh density after this value. In order to examine the viscous effects, the numerical simulation of the store separation was repeated with the SST k-ω turbulence model for 2.8 million and 5.9 million mesh densities. In this part of the study, although it has been demonstrated that the inviscid flow approach can be used in external store separation, the turbulent flow model has been shown to be more compatible with the experimental results.  Finally, the effects of the solver algorithm were examined in the EGLIN validation study.  In this context, two numerical simulations which are density-based and pressure-based were performed with SST k-ω turbulence model for 5.8 million mesh density. Density-based solution algorithm does not allow high-order discretization due to its mesh sensitivity. Based on high-order discretization can be performed in the pressure-based solver for the same mesh structure, the pressure-based solution algorithm more compatible with the experimental results. As a result, the consistence of the results of the numerical solution with the results of the EGLIN experimental study in terms of both translation and rotation values validated the solution of the six-degree of freedom equations of motion of the numerical solution.
The experimental study called M219 in the literature at 0.85 Mach free-stream flow with a length-to-depth (L / D) ratio of 5 was validated by CFD for the cavity flow verification study. In the cavity flow verification study, two clean cavity studies which are without a door and with a door with 90 degrees door angle were performed. Detached Eddy Simulation (DES) turbulence model was used in both numerical studies. Flow parameters such as mean longitudinal velocity, mean transverse velocity, turbulent kinetic energy and Reynolds stress obtained from the numerical solution were compared with the reference Large Eddy Simulation (LES) values and the Overall Sound Pressure Level (OASPL) values obtained from the cavity floor were compared with the experimental values. Both the flow parameters and the OASPL obtained from the numerical solution have been shown to be in agreement with the experimental and reference LES study.
In the study of internal store separation, the cavity defined in the M219 experimental study was used as cavity and the generic store used in the EGLIN experimental study was used as store. DES turbulence model has been used in all numerical simulations, both with and without motion. The generic store, which was placed in the clean cavity with a door with 90 degree door angle, was first released with the same launch forces in two different launch times when the gravity force was maximum and minimum. Although it is seen that the store trajectory  at 0.85 Mach speed from the clean cavity with an L / D ratio of 5 is quantitatively dependent on the launch time, basically the same trajectory was obtained in two different launch times. It was observed that the same flap on the back of the generic store hit the cavity door at the same point while the generic store which is tightly placed in the clean cavity with a door with 90 degree door angle and an L / D ratio of 5 leave the cavity in two different launch times. The cavity door was bent 30 degrees outward in order to prevent the store from hitting the cavity door, and the store separation from the clean cavity with a door with 60 degree door angle was simulated. The store was able to leave the cavity from the clean cavity with a door with 60 degree door angle without touching any part of cavity, but an unacceptable trajectory was achieved due to the angle of attack increased up to 20 degrees and the angular speed increased up to 80 degrees / second. This trajectory followed by the store was aimed to be improved by applying three different passive flow control methods. It has been demonstrated by experimental and several numerical studies that the inclination of the rear wall and the placement of a rectangular spoiler in front of the cavity decreases the OASPL inside the cavity in the M219 experimental study. In this study, together with these two passive methods the third passive control method which uses these two methods together were used in internal store separation. It has been determined that only tilting the trailing edge of the cavity at an angle of 45 degrees increases the maximum OASPL on the store by 2 dB, but improves the trajectory of store slightly in terms of angle of attack and angular velocity. The rectangular spoiler placed in front of the cavity reduced the maximum OASPL on the store by 4 dB and showed the best improvement in the trajectory of store at all angles and angular velocities. The combined passive control method, which a spoiler is placed in front of the cavity and tilting the trailing edge of the cavity, has been the best method in terms of acoustics by reducing the maximum OASPL on the store by 7 dB. This passive method was not more effective in terms of the trajectory of store than the passive control method which only has a spoiler in front. Finally, the effect of cavity width on store separation was investigated by performing a clean cavity with a width-depth (W / D) ratio of 1.25 and a door angle of 90 degrees. Increasing the cavity width both increases the OASPL created on the store and distract the trajectory of store from the desired one. It has been shown that bending the cavity doors outwards instead of increasing the cavity width gives better results both in terms of acoustics and the trajectory of store.

Keywords: CFD, Dynamic Mesh, Store Separation, Kavity Flow, Passive Flow Control Methods