Ramjet motoru hava alığında akışkan-katı etkileşiminin motorun performansı üzerindeki etkilerinin incelenmesi / Doğa Beşer; thesis advisor Sıtkı Uslu.

Tez (Yüksek Lisans)--TOBB ETÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Ağustos 2023

Ramjet, ses üstü hızlarda çalışan, yanmanın ise ses altı hızlarda gerçekleştiği motordur. Yanma için gerekli olan havayı süpersonik hızdan ses altı hıza yavaşlatan ve motorun çalışması için gerekli koşullara taşıyan bileşen, hava alığı olarak adlandırılır. Tez kapsamında, süpersonik hava alığında artan statik basınçtan kaynaklanan deformasyonların performansa etkisi, akışkan-katı etkileşimi (AKE) analizleri ile incelenmiştir. Çalışmanın birinci bölümünde, AKE yönteminde göz önünde bulundurulması gereken çözüm parametreleri ve analiz yönteminin incelenmesi adına AGARD 445.6 kanadının AKE analizleri gerçekleştirilmiştir. AKE analizleri öncesinde kanat geometrisinin ve malzeme tanımının doğrulanması adına modal analiz gerçekleştirilmiştir. Modal analiz sonuçları, Yates [15] tarafından gerçekleştirilen çalışmalar ile kıyaslanmıştır. Birinci burulma modunda %3,0 fark görülmüştür. Malzeme modelinin doğrulanmasının ardından daimî akış hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen HAD analizlerinde kanat üzerindeki basınç katsayısı değerleri hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar Özçatalbaş'ın [18,30] çalışmalarında verilen deneysel veriler ile kıyaslanmıştır. Modal ve daimî akış analizlerinden alınan sonuçlar sonrasında kanat AKE analizleri gerçekleştirilmiştir. AKE analizi çıktısı olarak çırpıntı frekans oranı ve boyutsuz çırpıntı hızı değerleri hesaplanmıştır. Tez kapsamında elde edilen sonuçlarla literatürdeki sonuçlar arasındaki fark; boyutsuz çırpıntı hızı için %11,3, frekans oranı için ise %7,4 olarak tespit edilmiştir. Yates [15] tarafından gerçekleştirilen deneyler ile AKE analizinin sonuçları arasındaki farkın sebebinin, analiz koşulu olan 1.141 Mach sınır koşulunda, viskoz etkilerin ihmal edilmesi olabileceği değerlendirilmiştir. İkinci kısımda, tez konusu olan hava alığının ölçeklendirilmiş modeli ile HAD analizleri gerçekleştirilmiş ve testler [30] ile kıyaslanmıştır. Testten elde edilen performans haritası verisi ile farklı türbülans modelleri ve çözüm ağı çalışmasından alınan HAD sonuçları kıyaslanmıştır. Hava alığı HAD analizi çalışmalarına standart k-ω türbülans modeli ile devam edilmiştir. Ölçeklendirilmiş model numerik çözümlemeleri sonrasında tam ölçekteki hava alığında viskoz etkilerin dahil edildiği ve viskoz etkilerin ihmal edildiği analizler gerçekleştirilmiştir. Viskoz etkilerin ihmal edilmesinin sebebi sınır tabaka çözüm ağının yoğunluğundan kaynaklı AKE analizlerindeki işlemci gereksiniminin azaltılmasıdır. Viskoz ve viskoz etkilerin ihmal edildiği çözümlerden alınan yüzey basınç dağılımı kıyaslanmış ve yüzey basınç profillerin eşleştiği görülmüştür. Tam ölçekteki hava alığının HAD modelinin oluşturulmasının ardından sonlu elemanlar (SE) analizleri ile model sınır koşulu, malzeme tanımı ve çözüm ağı çalışması gerçekleştirilmiştir. Çalışmaların sonucunda eldeki işlemci gücünün verimli kullanılabilmesi adına doğrusal dört yüzlü eleman tipi ile bir yaklaşım yapılmıştır. Doğrusal dört yüzlü eleman ile alınan çözümler, kuadratik dörtyüzlü ve doğrusal altı yüzlü eleman tipi ile kıyaslanmıştır. AKE analizleri sonucunda hava alığı çıkış toplam basıncında %0,75'lik bir düşüş; çıkış debisinde ise %1,43'lük artış olacağı görülmüştür.

The Ramjet engine operates at supersonic speeds, with combustion occurring at subsonic speeds. The crucial component responsible for decelerating the air from supersonic to subsonic speeds, preparing it for combustion, and delivering it to the engine under the required conditions is known as the air intake. In this thesis, the impact of deformations resulting from elevated static pressure within the supersonic air intake on performance was examined through fluid-solid interaction (FSI) analyses. The initial phase of the study involved conducting fluid-solid interaction (FSI) analyses on the AGARD 445.6 wing. This was undertaken to explore the optimal solution parameters and analysis approach required for FSI methodology. Prior to the FSI analysis, modal analyses were executed on the wing to validate the material model and geometric properties. A comparative assessment against Yates' [15] revealed a variance of 3.0% in the second frequency mode. Upon confirming the material model's accuracy, steady-state computational fluid dynamics (CFD) simulations were conducted. These CFD analyses led to the calculation of pressure coefficient values along the wing's surface. The resultant findings were subsequently juxtaposed with experimental data from Özçatalbaş's studies [18,30] to ascertain their consistency. Following the modal and steady-state CFD analyses, fluid-solid interaction (FSI) simulations were conducted. The FSI analysis yielded output in the form of flutter frequency ratio and dimensionless flutter velocity values. A comparison was drawn between the outcomes of this study and those found in the existing literature [15], revealing disparities of 11.3% for dimensionless flutter speed and 7.4% for frequency ratio. The variance between the results obtained in this thesis and the findings from Yates' experiments [15] has been attributed to the potential oversight of viscous effects in the analysis. This assessment suggests that the neglect of these effects might contribute to the observed differences between the experimental and FSI analysis results. The second part of the study involved conducting Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses using a scaled model of the air intake, which constitutes the central focus of the thesis. The obtained results were subsequently compared against wind tunnel tests [30]. A comparison was made between the performance map derived from the tests and the outcomes of the CFD simulations. The CFD analysis of the air intake was carried out utilizing the standard k-ω turbulence model. Following the numerical analysis of the scaled model, both viscous and inviscid analyses were performed on the full-scale air intake. The purpose of conducting inviscid analyses was to mitigate the CPU demand during analysis due to the dense boundary layer mesh. A comparison of surface pressure distribution was executed between the solutions obtained from viscous and inviscid analyses, revealing a match in surface pressure profiles. Once the validity of the CFD model for the full-scale air intake was established, Finite Element (FE) analyses were conducted. These analyses employed a linear tetrahedral element type, aiming to optimize processing power utilization. The solutions derived from the linear tetrahedral element type were juxtaposed with those from the quadratic tetrahedral and linear hexahedral element types. Upon conducting the Fluid-Solid Interaction (FSI) analysis, a 0.75% reduction in total outlet pressure of the air intake was observed. Additionally, an increase of 1.43% in mass flow rate was identified.