Mach 1.5 süpersonik kavite akışının açık kaynak yazılımla hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri ve sonuçların ticari yazılım simülasyonları ile karşılaştırılması

Abstract

Bu çalışmanın odak noktası açık kavite üzerindeki yüksek hızlı akışların anlaşılmasıdır. Uçakların mühimmat taşıması için kullanılan, gövdenin iç kısmında yer alan depolama bölgeleri simülasyonlarda dikdörtgen kavite boşluğu olarak modellenmiştir. Bu bölgeler mühimmatı içte taşımaya olanak sağlayarak uçağın radar görünürlüğünü, sürüklenme kuvvetini ve aerodinamik ısınmayı azalttır. Bu nedenle mühendislik uygulamaları açısından ses üstü kavite akışının anlaşılması büyük önem taşır. Açık kavite üzerindeki ses üstü akışlar düzensiz, sıkıştırılabilir ve tübülanslı olması nedeniyle son derece karmaşık özelliklere sahiptir. Akışın fiziğini ve doğasını anlamak, zaman içerisinde akışın özelliklerinde meydana gelen değişiklikleri tahmin edebilmek ve çoğunlukla uçuş sırasında bu akışı kontrol edebilmek son derece kritik olduğu için havacılık uygulamalarında bu karmaşıklığın çözülmesi ciddi önem taşımaktadır. Bu çalışmada ses üstü hızlarda açık kavite üzerindeki akışın simülasyonları açık kaynak kodlu bir yazılım olan OpenFOAM kullanılarak gerçekleştirilmiştir. OpenFOAM yazılımının bu problemi çözmedeki kabiliyeti ve limitlerini belirleyebilmek amacıyla simülasyon sonuçları, ticari bir yazılım olan ANSYS-Fluent yazılımı simülasyon sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Simülasyonlarda akış koşulları düzensiz, sıkıştırılabilir ve türbülanslı olarak belirlenmiş ve sonuçlar kavite duvarlarındaki ses basınç seviyeleri, hızlı Fourier dönüşümü (FFT) ve zamana bağlı değişkenlik gösteren basınç salınımları cinsinden yorumlanmıştır. Elde edilen simülasyon sonuçları, kavite geometrisinin taban duvarındaki ses basınç seviyeleri açısından deneysel veriler ile de kıyaslanmıştır. Deneysel veriler sayesinde, hem açık kaynak kodlu yazılımın güvenilirliği hem de iki yazılım türünün birbiri ile kıyaslanması durumundaki becerileri üzerine yorum yapmak mümkün olmuştur. OpenFOAM yazılımını daha iyi anlamak adına kullanılan sayısal şemalar, zaman ayrıklaştırma metotları, tolerans ve ardışık iterasyonlar arasındaki farkın kısıtlamaları gibi çalışmalar da yapılmıştır. Simülasyon sonuçlarına göre OpenFOAM ses üstü hızlarda açık kavite üzerindeki akış probleminde deneysel bulgulara ANSYS-Fluent yazılımından daha çok yaklaşmıştır. Ancak OpenFOAM çok daha ince atılmış ağ yapısı gerektirmektedir. OpenFOAM'un üçüncü boyut etkilerini yakalama yeteneğini de incelemek adına üç boyutlu kavite geometrisi simülasyonu yapılmıştır.

The focus of this research is high-speed flow over open cavities. Internal carriage of stores on aircrafts is modeled as a rectangular cavity, which is crucial from an engineering perspective, since internal carriage of bombs and stores decreases the radar signature of the aircraft and aerodynamic heating. Supersonic flow through an open cavity can cause extremely complex flow characteristics. In the cavity region, flow field is compressible, unsteady and turbulent, so it is quite important for aerospace applications to be able to predict the nature of the flow and the characteristics over time, mostly to be able to control it during flight. In this study, supersonic open cavity flow simulations are performed with commercial and open source software, separately, in order to compare the simulation results and determine the capabilities and limits of OpenFOAM for supersonic flow as an open source software. Unsteady, compressible and time dependent flow conditions are utilized. Simulation results are compared by considering sound pressure levels on cavity walls, Fast Fourier Transform (FFT) results and pressure fluctuations for the time dependent nature of the flow. The simulation results are also compared with experimental data in terms of sound pressure levels on the bottom wall of the cavity geometry. Under favour of experimental data at the bottom wall of the cavity it is possible to comment on the reliability of the data from both software. The effects of numerical scheme, time discretization, tolerance and residual restrictions on the results are investigated, as well. Three dimensional cavity geometry is also analized, in order to examine the ability of OpenFOAM in capturing the effects of the third dimension. According to simulation results, the results for supersonic flow over a rectangular cavity are closer to experimental findings with OpenFOAM when compared to commercial ANSYS-Fluent software, which makes open source codes promising for supersonic flows, although OpenFOAM requires much finer mesh structure than Fluent.