Dipten yanma üniteli topçu mermilerindeki dip bölgesi sürükleme kuvveti azaltımının hesaplamalı yöntemlerle araştırılması
Numerical investigation of base drag reduction for base bleed projectile
Yazar: ALİ AT
Danışman: DOÇ. DR. BAYRAM ÇELİK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering

Özet:
Bu çalışmanın temel amacı dipten yanma üniteli topçu mermilerinde dip bölgesi akış fiziğini ve DYÜ karakteristiği hesaplamalı yöntemlerle detaylı olarak incelemektir. Bu kapsamda DYÜ fiziğini anlamak için doğrulama çalışmaları yürütülmüş, farklı parametrelerin etkileri incelenmiş ve menzil arttırımı konusunda büyük etkisi olduğu bilinen dip bölgesi sürükleme kuvveti azaltımı için matemetiksel bir model üretilmiştir. 
Tezde yer alan HAD analizleri problem fiziğinin karmaşıklığından dolayı eksenel simetrik olarak gerçekleştirilmiştir. DYÜ yanma durumu için sonlu oranlı kimyasal yanma modeli kullanılmış olup, literatür ve Fluent teori rehberinden elde edilen bilgiler doğrultusunda türbülans modeli olarak Transition SST tercih edilmiştir.
İlk olarak mermi çalışmaların güvenilirliği açısından çözüm ağı yakınsatma çalışması gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda üretilen farklı yoğunluklardaki çözüm ağları için dip bölgesi basınç değişimleri, dip bölgesi sürükleme kuvveti değişimleri ve yüzde farkları hesaplanmıştır. Bu göstergeler değerlendirilerek sonraki mermi çalışmalarda gerçekleştirilecek olan HAD analizlerinde kullanılmak üzere çözüm ağından bağımsız sonuç veren 15696 eleman sayılı çözüm ağı tercih edilmiştir.
Bu tezde kullanılan yanma modeli için iki farklı doğrulama çalışması gerçekleştirilmiştir. İlk çalışma sesüstü eksenel yakıcı deneyidir. Bu deneyde bir düzenek yardımıyla H2 gazı ve hava karışımı iki ayrı jetle eş zamanlı olarak serbest akışa püskürtülmektedir. Kimyasal olarak reaktif olan H2 gazı ve hava karışımının buluşmasıyla tutuşma meydana gelmektedir. Doğrulama çalışmasında kapsamında farklı eksenel istasyonlarda sıcaklık ve hız profilleri karşılaştırılmıştır. Jet çıkışına yakın bölgelerdeki hız profillerinde bir takım uyuşmazlıklar görülsede diğer istasyonlardaki sıcaklık ve hız profilleri oldukça benzerdir. Bu çalışma sayesinde yanma modelinin belirli bir seviyede güvenilir olduğu kanıtlanmıştır.
İkinci doğrulama çalışması için DYÜ teknolojisin sayısal olarak incelendiği çalışma seçilmiştir. Bu çalışmada serbest akışa maruz kalan merminin dip bölgesi DYÜ ile kimyasal olarak reaktif olmayan sıcak hava ve kimyasal olarak reaktif olan H2-CO gazı ile beslenmektedir. Çalışmada DYÜ cansız (enjeksiyonun olmadığı) durumu, sıcak hava enjeksiyonu durumu ve H2-CO gazı yanması olmak üzere 3 farklı durum için sayısal çözümler verilmiştir. Doğrulama çalışmasına ek olarak yanmanın modellenmediği H2-CO gazı enjeksiyonu durumu çalışılmıştır. HAD analizleri sonucunda DYÜ cansız durumu ve sıcak hava enjeksiyonu durumları için doğrulama çalışması ile benzer dip bölgesi sürükleme kuvveti katsayısı azaltımı değerleri elde edilmiş, yanma durumunda ise kullanılan yanma modellerinin farklı olmasından dolayı %3'lük bir fark gözlemlenmiştir. Dip bölgesi yanma durumunun dip bölgesine kütle aktarımının yanında ısı enerjisi aktarımıda yaptığı, bu sayade dip bölgesi sürükleme kuvvetini daha fazla azalttığı görülmüştür. İkinci doğrulama çalışması ile yanma modeli istenilen seviyede doğrulanmıştır.
Geçerli seviyede güven veren doğrulama çalışmalarının ardından DYÜ karakteristiğini daha iyi anlamak için serbest akış Mach Sayısı, uçuş irtifa ve DYÜ debisi faktörleri ile 2k tam faktöriyel deney tasarımı yapılmıştır. Tasarlanan deney noktalarında sonlu oranlı kimyasal yanma modeli kullanılarak HAD analizleri gerçekleştirilmiş ve dip bölgesi sürükleme kuvveti azaltım parametresi elde edilmiştir. Deney tasarımı ticari Minitab istatiksel yazılımı kullanılarak analiz edilmiş faktörlerin ve bu faktörlerin birbiri ile etkileşiminin dip bölgesi sürükleme kuvveti azaltım sayısına etkisi elde edilmiştir. Dip bölgesi sürükleme kuvveti azaltım parametresine en büyük etkinin %59 ile Mach Sayısı, irtifa ve debi etkileşim etkisinin %13 olduğu, diğer ikili etkileşimlerin ve üçlü etkileşimin toplam etkilerinin kabul edilebilir risk olan %5'in altında olduğu bulunmuştur. Dip bölgesi sürükleme kuvveti azaltım parametresi için kabul edilebilir risk aralığında matematiksel bir model üretilmiş, bu modelin tüm düzey ve ara noktalarda kullanılabilir olduğu ispatlanmıştır. Bu tez çalışmasında üretilen matematiksel model kullanılarak 155 [mm] M864 topçu mermisi için menzil tahminlerinde dip bölgesi sürükleme kuvveti girdisi sağlanabilir.

Abstract:
The main objective of this study is to investigate the base flow physics for base bleed projectile and base bleed unit characteristics by using computational methods. In this context, validation studies were carried out to understand the physics of base bleed unit, the effects of different parameters were examined and a mathematical model was produced for the base drag reduction, which is known to have a great effect on the range increase.
The CFD analysis in the thesis were carried out as an axially symmetric due to the complexity of the problem physics. Finite rate chemical combustion model is used for the base bleed combustion situation and Transition SST has been preferred as the turbulence model according to the literature and the information obtained from the Fluent theory guide.
First of all, a grid convergence study was conducted for the reliability of the projectile studies. In this context, base pressure changes, base drag variations and percentage differences were calculated for different grid densities. These indicators were evaluated and the grid of 15696 element numbers was chosen to be used in the CFD analyses to be performed in subsequent projectile studies.
Two different validation studies were performed for the combustion model used in this thesis. The first study was a supersonic axial burner experiment. In this experiment, H2 gas and air mixture are sprayed to the free flow simultaneously with two separate jets by means of a device. Reaction occurs when the chemically reactive H2 gas and the air mixture meet. Temperature and velocity profiles were compared in different axial stations within the validation study. Although there are some mismatches in the velocity profiles in stations close to the jet exit, the temperature and velocity profiles in the other stations are very similar with experiment. Under favour of this study, the combustion model has been proven to be reliable at a certain level.
For the second validation study, the projectile base bleed technology was selected which examined numerically. In this study, the base area of the projectile exposed to free flow is fed with non-chemically reactive hot air and chemically reactive H2-CO gas. In the study, numerical solutions were given for 3 different conditions, including non-injection case, hot air injection case and H2-CO gas combustion case. In addition to the validation study, H2-CO gas injection case was studied without modelling combustion. As a result of CFD analysis, similar base drag coefficient reduction values were obtained for non-injection case and hot air injection case, and a difference of 3% was observed because of the different combustion models used for combustion case. It is seen that the base combustion case transmits heat energy to the base region as well as mass addition, thus decreasing the base drag force more. With the second validation study, the combustion model was confirmed at the desired level.
After validation studies which giving confidence at the acceptable level, a 2k full factorial design of experiment was performed with free flow Mach Number, flight altitude and base bleed mass flow rate factors to better understand the characteristics of the base bleed unit. CFD analysis were performed by using the finite rate chemical combustion model at the designed experiment points and the base drag reduction parameter was obtained. The effects of the factors and the interaction of these factors with each other on the base drag reduction parameter were obtained by statistically analyzed the design of experimental using commercial Minitab software. It was found that the greatest effect on to the base drag  reduction parameter was the Mach Number with 59%, altitude and mass flow rate interaction effect was 13%, and the overall effects of the other bilateral interactions and triple interaction were below the acceptable risk of 5%. A mathematical model has been produced in the acceptable risk range for the base drag reduction parameter, which has proven to be usable at all levels and intermediate points. Using the mathematical model generated in this thesis, a base drag force input can be provided in the range estimations for 155 [mm] M864 artillery bullet.