Süpersonik kavite akışında arka duvar etkisinin OpenFOAM açık kaynak kodlu çözücü kullanılarak sayısal incelenmesi
Numerical investigation of rear wall effect in supersonic cavity flow using OpenFOAM
Yazar: ENGİN TAŞKIRAN
Danışman: PROF. DR. ŞENOL BAŞKAYA
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Yeni nesil savaş uçaklarının mühimmat taşıdıkları yerleri temsil eden kavite bölgesi üzerindeki yüksek hızlı akışlar, havacılık uygulamalarında sıklıkla karşılaşılan, anlaşılması zor, karmaşık, zamana bağlı ve türbülanslı bir yapıya sahip olup, çözülmesi elzem bir problemdir. Bu doğrultuda literatürde birçok sayısal ve deneysel çalışma bulunmaktadır. Bu çalışmada, süpersonik rejimde 1,4 Mach ile 1,8 Mach aralığında serbest akış hızına sahip olan dikdörtgen şeklindeki açık kavite akışının hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) ile sayısal analizleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmada; iki boyutlu, türbülanslı, sıkıştırılabilir akış için zamana bağlı Reynolds Ortalamalı Navier Stokes Denklemleri açık kaynak kodlu bir program olan OpenFOAM yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bulunan sonuçlar, kavitenin kritik bölgeleri olan arka ve alt duvar için basınç katsayıları ve ses basınç seviyeleri cinsinden sunulmuştur. Kavite bölgesinde yüksek hızlı akıştan ve türbülanstan kaynaklanan basınç salınımlarını ve ses basınç seviyelerini düşürebilmek için akışa pasif kontrol yöntemleri uygulanmıştır. Pasif kontrol yöntemleri kapsamında, kavitenin en kritik bölgesi olan arka duvar geometrisinde parametrik modifikasyonlar yapılarak kavitede oluşan gürültü seviyeleri azaltılmaya çalışılmıştır. Bu parametrik çalışmalar; kavite arka duvarına eğim verme çalışmaları, kavite arka duvarında hilal geometrisi oluşturma çalışmaları ve kavite arka duvar boyunu kısaltma çalışmalarıdır. Çalışmalarda kesme tabakası ile kavite arka duvar etkileşiminin azaltılması sonucunda ses basınç seviyelerinde iyileşmeler sağlanmıştır. Gürültü seviyelerini azaltan en iyi arka duvar geometrilerinin kombinasyonları ile sistematik bir şekilde parametrik eniyileştirme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Çalışmaların sonucunda gürültü seviyelerinin en iyi olduğu ideal kavite konfigürasyonu elde edilmiştir. Son olarak, en iyi sonuçları veren kavite konfigürasyonu için süpersonik rejimde farklı Mach sayılarının akışa etkileri incelenmiştir. Yapılan çalışmada kullanılan açık kaynak kodlu HAD çözücüsü OpenFOAM yazılımının güvenilirliği süpersonik kavite akışı için ispatlanmıştır.

Abstract:
High velocity flows over cavity regions representing the places where new generation fighter aircrafts position weapons are difficult to understand, complex, time-dependent and involve highly turbulent structures, which are frequently encountered in aviation applications, and are an essential problem to be solved. In this direction, there are many numerical and experimental studies in the literature. In this study, a numerical analyzes of a rectangular open cavity flow with free stream velocity between 1.4 Mach and 1.8 Mach in supersonic regime are performed using Computational Fluid Dynamics (CFD). Time dependent Reynolds Averaged Navier Stokes Equations for two-dimensional, turbulent, compressible flow are solved using OpenFOAM, an open source code. The results are presented in terms of pressure coefficients and sound pressure levels for the rear and bottom wall, which are the critical regions of the cavity. Passive control methods have been applied to the flow in order to reduce the pressure fluctuations and sound pressure levels caused by high velocity flow and turbulence in the cavity region. Within the scope of the passive control methods, parametric modifications are made in the geometry of the rear wall which is the most critical part of the cavity, in order to reduce the noise levels generated in the cavity. These parametric studies are geometrical changes such as inclination of rear wall of the cavity, creating a crescent geometry on the rear wall of the cavity and shortening the rear wall height of the cavity. Due to the reduction of the interaction between the shear layer and the cavity rear wall, sound pressure levels are decreased. Systematically, parametric optimization studies are carried out with combinations of the best rear wall geometries that reduce noise levels. As a result of the studies, the ideal cavity configuration with the best noise levels is obtained. Finally, the effects of different Mach numbers on the flow in the supersonic regime have been investigated for best results. The reliability of the CFD solver OpenFOAM used in this study has also been proven for supersonic cavity studies.