Eliptik burun kesitli silindir çevresinde oluşan hidrodinamik ve aerodinamik akış karakteristiklerinin araştırılması
Investigation of hydrodynamic and aerodynamic flow characteristics around a cylinder having an elliptic cross-section nose
Yazar: MUSTAFA KAYNARCALIOĞLU
Danışman: PROF. DR. MUAMMER ÖZGÖREN
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, eliptik burun yapısına sahip silindirik geometriler etrafında akış yapısı hidrodinamik ve aerodinamik ortamda deneysel ve sayısal olarak araştırılmıştır. Hidrodinamik alan için deneyler Parçacık Görüntülemeli Hız Ölçüm (PIV) metodu ile Re=32000 ve Re=64000 değerlerinde su tünelinde gerçekleştirilmiştir. Hidrodinamik ortamda geometrilerin karşılaştırılması 0-25° hücum arasında beş derecelik açılar ile sayısal ve deneysel olarak, 30o, 45o, 60o ve 90o derecelik açılar ile sayısal olarak gerçekleştirilmiştir. Aerodinamik ortamda ise yalnızca sayısal olarak 0.1≤Ma≤4.0 aralığında ve 0-90° arasındaki hücum açılarında akış yapısı incelenerek literatürle karşılaştırılması yapılmıştır. Sayısal ön çalışmalar, zamana bağlı olarak k-ω SST türbülans modeli kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ancak Reynolds gerilmelerinin hesaplanabilmesi için k-ω SST modeli yetersiz kaldığı için Large Eddy benzeşim (LES) türbülans modeli kullanılarak Reynolds gerilmeleri araştırılmıştır. Bu çalışmada genel olarak, anlık ve ortalama olarak akım yönündeki hız bileşeni u, akım yönüne dik yöndeki hız bileşeni v, türbülans kinetik enerji (TKE) değişimleri, akım yönündeki ortalama hız standart sapması , akım çizgileri (ψ), Reynolds gerilmeleri, Strouhal sayısı (St), kaldırma kuvveti (CL), sürüklenme (CD) ve basınç katsayısı (CP) değişimleri kullanılarak iki farklı burun yapısına sahip geometri etrafında oluşan akış özellikleri incelenmiştir. Analizler Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) ve Parçacık Görüntülemeli Hız Ölçme Yöntemi (PIV) analizleri ile xy ve yz düzleminde üç boyutlu olarak akış alanı noktasal değişimi ve çizgisel data değişimleri hesaplanarak araştırılmıştır. Tasarlanan yarı-eliptik geometri ile eliptik burun yapısına sahip silindirik geometri akış karakteristikleri detaylı olarak karşılaştırılmıştır. Elde edilen anlık hız sonuçlarına bakıldığında yarı-eliptik burun yapısına sahip geometrideki akış ayrılması daha düşük hücum açılarında oluştuğu için türbülans şiddeti de daha yüksek olmaktadır. Yarı-eliptik burun yapısına sahip geometri ile eliptik geometrinin akış karakteristikleri karşılaştırıldığında CD değerinde %5, CL değerinde ise %7 oranında hidrodinamik ortamda hücum açılara bağlı olarak iyileştirmeler olduğu gözlemlenmiştir. Aerodinamik ortamda ses hızına yakın değerlerde oluşan şok dalgası oluşumu sayısal sonuçlarda görülmekte ve bu durumun konikliğin etkisiyle daha geniş alana yayıldığı belirlenmiştir. Reynolds gerilmeleri ve TKE değerlerinin geometrinin hücum kenarı ve art izi bölgesinde yoğunlaştığı ve hücum açısı artışıyla akış ayrılmasının gerçekleştiği görüldü. Eliptik geometri boyunca farklı kesitlerdeki yz düzleminde (arka görünüş) PIV ve LES sonuçları oluşan daimi olmayan akışın karmaşık yapısı ve oluşan kuvvetlerdeki değişimlerin kaynağını açıkça göstermektedir. HAD ve PIV sonuçlarının çizgisel değişimi geometri çevresinde karşılaştırıldığında %1-5 arasında değişen bir benzeşim gösterdiği tespit edildi. HAD sonuçları kısmen literatürde verilen sonuçlarla da karşılaştırılmıştır.

Abstract:
In this thesis study, the flow characteristics around the elliptical nose-shaped cylindrical geometry in hydrodynamics and aerodynamics fields have been investigated experimentally and numerically. Experiments for hydrodynamic case have been carried out via Particle Image Velocimetry method in water tunnel at Reynolds number values of 32000 and 64000. Comparison of the geometries in hydrodynamic field was performed experimentally and numerically between 0o and 25° with 5° interval, numerically for angle of attacks of 30°, 45°, 60° and 90°. In aerodynamic field, flow characteristics around the geometries between 0° and 90° angle of attacks have been investigated numerically by comparing literature in the range of 0.1≤Ma≤4.0. Pre-numerical studies have been carried out using the k-ω SST turbulence model as time-dependent. However, k-ω SST model is inadequate to calculate the Reynolds stresses parameters. Therefore, Large eddy simulation (LES), turbulent model has been used to investigate the Reynolds stresses. Generally, in this study, the instantaneous streamwise velocity component u, instantaneous transverse velocity component v, turbulent kinetic energy (TKE) changes, the average velocity of the flow stream , the average velocity of the transverse flow stream , the average velocity of standard deviation in the flow direction , lift (CL), drag force (CD) and pressure (CP) coefficients around the geometry were compared with two different nose shapes. Computational fluid dynamics (CFD) and Particle Image Velocimetry (PIV) analysis results were investigated by calculating the difference at points and linear data changes on xy and yz planes as three-dimensional flow field. Flow characteristics of designed semi-elliptical geometry and elliptical nose-shaped cylindrical geometries were compared, in detail. When observed at instantaneous velocity results, flow separation for the case of the semi-elliptic nose-shaped geometry forms lower angle of attack and thus turbulence strength becomes larger. When comparing the flow characteristics of semi-elliptical nose shaped geometry with elliptical geometry, it has been determined that improvements CD by about 5% and CL by  around 7% depending on the angle of attack in hydrodynamic field were obtained. Shock wave is observed at values close to the sound speed in aerodynamic field and this phenomenon is expanded to a wider area because of conical effect of the nose shape. Reynolds stresses and TKE values are concentrated in the leading edge and wake region of geometry and seen flow separation with increasing angle of attack. In order to provide three dimensional flow structure,  end-view images for both the PIV and LES were taken along the fuselage and wake region, which shows clearly sources of unsteady complex flow and variation of fluctuating flow induced forces. When the CFD and PIV results were compared along the orthogonal lines to the uniform flow in the flow field, the differences between simulation and PIV results were in the range of 1-5%.  The CFD results of the aerodynamic case were also compared with literature.