Hipersonik akışlarda burun kütlük ve narinlik oranının aerodinamik ısınmaya etkisi
Effect of nose bluntness and nose fineness ratio on aerodynamic heating at hypersonic speeds
Yazar: ALİ ALPEREN ÖZKAN
Danışman: PROF. DR. ATİLLA BIYIKOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Teknolojinin ilerlemesiyle hipersonik hızlarda uçabilen hava araçları ve mühimmat tasarımları mümkün olmuştur. Bu çalışmada düşük hipersonik hızlarda (5≤Ma∞≤10) burun tasarımı sırasında oluşan aerodinamik ısınmayı ve sürüklenme kuvvetini en aza indirebilmek amaçlanmıştır. Öncelikle rüzgâr tünelinde testleri yapılmış ve deneysel verilere sahip olan standart hiper hız balistik-1 (HB-1) geometrisi CAD ortamında çapa bağlı olarak modellenmiştir. Model üzerinde çözüm ağı oluşturulmuştur ve CFD++ programıyla dış akış analizi yapılmıştır. Model çapı 0,1905 m (7,5 in) alınarak 0°-8° hücum açısı aralığında Mach 8,09'da ve Re∞,D=2,1x106/m olduğu durumda farklı ağ yapıları için çözümler alınmıştır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi sonuçları ve deneysel veriler arasındaki farklar kuvvet ve moment katsayıları için küçük çıkmıştır. Böylece burun eniyilemesi sırasında kullanılacak olan hesaplamalı akışkanlar dinamiği analiz modeli doğrulanmıştır. Daha sonra literatürde yapılmış olan çalışmalardan yola çıkarak çalışmada kullanılacak olan burun profilleri, burun kütlük ve burun narinlik oranları belirlenmiştir. Farklı burun kütlük oranları için küresel olarak kütleştirilmiş konik burun kullanılarak Mach 6'da hücum açısı taraması yapılmıştır. Sürüklenme kuvveti ve ısıl dağılımlar incelenerek ideal kütlük oranı belirlenmiştir. Belirlenen kütlük oranı için farklı burun profilleri ve narinlik oranlarında geometrileri oluşturularak modeller ICEM CFD ortamına aktarılmıştır. Her bir model için çözüm ağı oluşturularak CFD++ programında analizler yapılmıştır. Yapılan analizler literatürde yer alan sonuçlar kullanılarak doğrulanmış ve hipersonik akışta burun tasarımı sırasında ¾ kuvvet serisi 0,15 kütlük oranına sahip burnun en az sürüklenmeye sebep olduğu bulunmuştur. Narinlik oranındaki artışın sürüklenme kuvveti katsayısını ve aerotermal ısınmayı azalttığı belirlenmiştir.

Abstract:
With the advancement of technology, aircraft and ammunition designs flying at hypersonic speeds have become possible. This study aims to minimize the aerodynamic heating and drag force during nose design at low hypersonic speeds (5≤Ma∞≤10). First, the standard hypervelocity ballistic-1 (HB-1) geometry, which has experimental data collected from the wind tunnel testes, was modeled depending on the diameter. Solution grid was generated around geometry by using ICEMCFD and external flow analysis was made with the CFD++. By taking the model diameter as 0,1905 m (7,5 in), solutions were taken for different mesh structures in the 0°-8° angle of attack range at Mach 8,09 and Re∞,D=2,1x106/m. The differences between the computational fluid dynamics analysis results and the experimental data were found to be small for the force and moment coefficients. Thus, the computational fluid dynamics analysis model to be used during nose optimization has been verified. Then, based on the studies conducted in the literature, the nose profiles, nose bluntness and fineness ratios to be used in the study were determined. Angle of attack scanning was performed at Mach 6 using a spherically blunted conical nose for different nose bluntness ratios. Drag force coefficient and the thermal distributions were examined and the ideal bluntness ratio was determined. The models were transferred to ICEM CFD by creating different nose profiles and geometries having different fineness ratios for the determined bluntness ratio. Analyses were run in the CFD++ by creating a solution grid for each model. The analyses were verified using the experimental results from literature, and it was determined that the nose with ¾ power series having 0,15 bluntness ratio resulted in lowest drag coefficient. It was also found that the increase in the fineness ratio decreased the drag force coefficient and aerothermal heating.