3 1

Proje Grubu: MAG Sayfa Sayısı: 1 Proje No: 112M129 Proje Bitiş Tarihi: 15.03.2016 Metin Dili: Türkçe İndeks Tarihi: 09-10-2018

Hipersonik Akışlarda Çok Disiplinli Analiz ve Tasarım Optimizasyonu

Öz:
Genel olarak ses hızının beş katından daha hızlı uçuşlar hipersonik olarak tanımlanabilir. Hipersonik akışlarla ilgili araştırmalar ikinci dünya savaşından sonra başlamıştır. Günümüzde, hipersonik akışların çoğu askeri olmak üzere birçok uygulamaları bulunmaktadır. Gelişmiş ülkelerde hipersonik akışlarla ilgili oldukça yoğun bir araştırma faaliyeti sürdürülmesine rağmen, ülkemizdeki faaliyetler yeterli düzeye ulaşamamıştır. Ülkemizde havacılık sanayindeki büyük gelişmeler göz önüne alındığında yakın bir gelecekte hipersonik araçların tasarımı ile ilgili çalışmaların başlaması muhtemeldir. Bu nedenle proje kapsamında yaptığımız çalışmaların hipersonik akışlar alanındaki ulusal araştırmalara katkısı olacağını tahmin etmekteyiz. Dünyadaki hipersonik rüzgâr tünellerinin sayısının sınırlı olması ve bu tünellerde karşılaşılan teknolojik zorluklar nedeni ile tasarımların büyük bir kısmı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Genel olarak tasarımın son aşamasında, HAD sonuçların doğrulanması amacı ile rüzgâr tünelleri kullanılmaktadır. Bu nedenle hipersonik akışların analizi için kullanılan HAD yazılımlarının doğruluğu tasarımın güvenirliği açısından oldukça önemlidir. Gelişmiş ülkeler hipersonik akışlar için geliştirdikleri yazılımları gizli tutmakta ve büyük ücretler ödenerek satın alınan ticari yazılımlar ise hipersonik akışlardaki analiz ve tasarım çalışmaları için yetersiz kalmaktadır. Proje kapsamında geliştirdiğimiz yazılımların hipersonik akışların analiz ve tasarımları için geliştirilmesi planlanan ulusal bir yazılımın alt yapısını oluşturacağına inanmaktayız. Hipersonik ve süpersonik akışların birbirlerine benzemelerine rağmen hipersonik akışların kendine özgü özellikleri bulunmaktadır. Hipersonik akışlarda sürtünmeden dolayı aracın etrafındaki havada sıcaklık yüksek değerlere çıkmakta ve ayrışma (dissociation) ve iyonlaşma (ionization) gibi kimyasal reaksiyonlar oluşabilmektedir. Aracın etrafındaki havanın kimyasal kompozisyonundaki değişiklikler aracın aerodinamik özelliklerini etkilemektedir. Ayrıca, yüksek sıcaklıklardan dolayı araca aktarılan ısı transferi tasarımda önemli rol oynamaktadır. Hipersonik hızdaki araçların çoğu atmosferin üst katmanlarında yoğunluğun düşük olduğu seyreltik atmosfer içinde uçmaktadır. Seyreltik akışların çözümünde süreklilik varsayımının geçerli olmaması nedeniyle farklı çözüm yöntemleri kullanılmaktadır. Tamamlanan proje kapsamında geliştirilmiş olan analiz ve tasarım yazılımlarının çoğunda yukarıda bahsedilen hipersonik akışların özellikleri göz önünde bulundurulmuştur. Geleneksel tasarım yönteminde mühendisler bilgi ve tecrübelerine göre tasarladıkları konfigürasyonları HAD yazılımlarını kullanarak analiz yapmakta ve deneme-yanılma yöntemi ile bu konfigürasyonları değiştirmektedirler. Hipersonik akışlarda tasarımların disiplinler arası (akışkanlar mekaniği, kimyasal reaksiyon, ısı transferi vb.) çalışmayı gerektirmesi nedeni ile geleneksel yöntem ile yapılan tasarımlar oldukça uzun sürmekte ve elde edilen tasarımların en iyi olup olmadığı bilinmemektedir. Ayrıca, hipersonik akışlarda genel olarak tasarımlar daha önce denenmemiş şartlarda ilk defa yapıldığı için geleneksel yöntemde kullanılabilecek bilgi ve tecrübe sınırlı kalmaktadır. Son yıllarda, HAD yazılımlarını kullanılarak otomatik tasarım yöntemlerinin geliştirilmesi ile ilgili bilimsel çalışmalar yoğunluk kazanmıştır. Bu yöntemler sayesinde mühendislerin tecrübe ve bilgisine olan ihtiyaç azalmıştır. Tamamlanan proje kapsamında geliştirilmiş yazılımlar sayesinde optimizasyon yöntemi ile otomatik olarak hipersonik araçların tasarımı yapılabilmektedir. Bu tip yazılımların Türkiye gibi hipersonik alanında yeterli bilgi ve tecrübeye sahip olmayan ülkelerin tasarım çalışmalarında faydalı olacağını tahmin etmekteyiz. Tamamlanan projede, hipersonik araçların aerodinamik, ısıl ve itki sistemlerinin tasarımında kullanılabilecek yazılımlar geliştirilmiştir. Hipersonik akışlarda karşılaşılan fiziksel ve kimyasal olayların doğru olarak modellenebilmesi için yazılımlarda türbülans ve difüzyon modelli Navier-Stokes, sonlu-hızlı (finite rate) kimyasal reaksiyon ve elektron ayrışması denklemleri eş zamanlı olarak Newton veya Newton-GMRES yöntemleri ile çözülmüştür. Sonuçlar deneysel ve hesaplamalı veriler ile karşılaştırılmıştır. Daha sonra analiz ve optimizasyon yöntemleri birleştirilerek aerodinamik ve aerotermal özellikleri bakımından en uygun tasarımların oluşturulabileceği yazılımlar geliştirilmiştir. Yazılımlarda denklemlerin sayısal çözümünde Newton veya Newton-GMRES yöntemleri kullanılmıştır. Bu yöntemlerin avantajlarından biri kimyasal reaksiyon denklemlerinin çözümünde karşılaşılan ve yakınsama problemlerine neden olan sayısal sertliğin (numerical stiffness) azaltılabilmesidir. Bu yöntemlerin diğer bir avantajı eğimsel temelli (gradient based) optimizasyon için gerekli olan duyarlılık (sensitivity) değerlerinin verimli olarak hesaplanabilmesidir. Önerilen projede, duyarl
Anahtar Kelime: Adjoint yöntemi Tasarım optimizasyonu Kimyasal reaksiyonlar Hipersonik akıslar

Konular: Mühendislik, Hava ve Uzay

Hipersonik Akışlarda Çok Disiplinli Analiz ve Tasarım Optimizasyonu

Öz:
In general, flights five times faster than the speed of sound can be considered as hypersonic. Research on hypersonic flow have started after thesecond world war. There are many applications of hypersonic flow and most of them are military related. Even though an intense research activities on hypersonic flow is going on in many developed countries, the research in Turkey has not reached to desired level. Considering the large developments in aerospace industries of Turkey, the start of hypersonic vehicles design in Turkey is possible in near future. The proposed project will help the national research on hypersonic flow. Because of having limited number of hypersonic wind tunnels and difficulties encountered in these tunnels, most of the hypersonic vehicles design are performed using Computational Fluid Dynamics (CFD). In general, wind tunnels are used to validate the CFD results in the last phase of the design procedure. Hence, the accuracy of CFD codes is very important because of the reliability of design results. The developed countries keep secret their hypersonic codes and the commercial codes that can be used with high usage fee are short of predicting the flow characteristic in hypersonic region. Therefore, we believe that the codes developed in this project will contribute the national research going on hypersonic flow. Although some of the characteristics of hypersonic and supersonic flows are similar, they have also different behaviors. In hypersonic flows, because of the friction, around the vehicle, the temperature increase very high values and the chemical reactions like dissociation and ionization may occur. The change in the chemical composition of air may alter the aerodynamic characteristics of vehicles. Because of the high temperature, heat transfer to vehicles play important role in the design of hypersonic vehicles. Most of the hypersonic vehicles fly at the upper atmosphere where the density of air is very low. At this altitude the air can be treated as rarefied gas. Since the continuity assumption may not be valid, in the solution of rarefied gas, different solution methods should be used. In the analysis and design code developed in the completed project, most of these hypersonic flow phenomena have been considered. In the traditional design methods, engineers design configurations based on their knowledge and experience, and they analyze these configurations using CFD codes and modify them by trial and error. Designs in hypersonic flows require interdisciplinary (fluid mechanics, chemical reactions, heat transfer etc.) studies, hence the design with traditional design methods takes very long time and we are not sure that if the final design is optimum or not. In addition, most of designs in hypersonic flows are performed as a first time at a design condition that have never used before. Therefore, the knowledge and experience that can be used in traditional design methods will be limited. In recent years, automatic design tools based on CFD methods have been developed. In these methods, the need for the engineering knowledge and experience is reduced. With the software developed in this projects it is possibe to design hypersonic vehicles using optimization methods. We believe that the automatic design software developed in this project will be useful especially for the countries like Turkey that do not have knowledge and experience on hypersonic. In this project, we have developed computer codes that can be used in analysis and design of the aerothermodynamics and propulsion systems of hypersonic vehicles. In order to accurately simulate the physical and chemical phenomena of hypersonic flow, the Navier- Stokes equations with turbulence and diffusion modeling, the finite-rate chemical reaction equations and electron ionization equation have been solved using the Newton or Newyon- GMRES method. Our results have been compared with experimental or other's comoutational results. Later, the analysis and optimization methods have been coupled to design hypersonic vehicles that have optimum aerodynamic and aerothermal properties. In our codes, to solve the governing equations, Newton or Newton-GMRES methods have been implemented. These methods have advantages to reduce the numerical stiffness in the solution of reaction equations. Another advantage of these methods is that sensitivities that are needed for optimization can be calculated very efficiently and accurately. In this project, sensitivities have been calculated analytically by using adjoint method. In adjoint method, sensitivities for all design variables can be evaluated by solving a single adjoint equation without solving analysis equations for each design variables. Our method on the usage of Newton and adjoint methods in the analysis and design of hypersonic vehicles in chemically reacting flows was the first time in the literature. Our study on this subject has been shown as a reference in many other researcher's papers. I
Anahtar Kelime:

Konular: Mühendislik, Hava ve Uzay
Erişim Türü: Erişime Açık
APA EYİ S, YUMUŞAK M (2016). Hipersonik Akışlarda Çok Disiplinli Analiz ve Tasarım Optimizasyonu. , 1 - 1.
Chicago EYİ SİNAN,YUMUŞAK Mine Hipersonik Akışlarda Çok Disiplinli Analiz ve Tasarım Optimizasyonu. (2016): 1 - 1.
MLA EYİ SİNAN,YUMUŞAK Mine Hipersonik Akışlarda Çok Disiplinli Analiz ve Tasarım Optimizasyonu. , 2016, ss.1 - 1.
AMA EYİ S,YUMUŞAK M Hipersonik Akışlarda Çok Disiplinli Analiz ve Tasarım Optimizasyonu. . 2016; 1 - 1.
Vancouver EYİ S,YUMUŞAK M Hipersonik Akışlarda Çok Disiplinli Analiz ve Tasarım Optimizasyonu. . 2016; 1 - 1.
IEEE EYİ S,YUMUŞAK M "Hipersonik Akışlarda Çok Disiplinli Analiz ve Tasarım Optimizasyonu." , ss.1 - 1, 2016.
ISNAD EYİ, SİNAN - YUMUŞAK, Mine. "Hipersonik Akışlarda Çok Disiplinli Analiz ve Tasarım Optimizasyonu". (2016), 1-1.
APA EYİ S, YUMUŞAK M (2016). Hipersonik Akışlarda Çok Disiplinli Analiz ve Tasarım Optimizasyonu. , 1 - 1.
Chicago EYİ SİNAN,YUMUŞAK Mine Hipersonik Akışlarda Çok Disiplinli Analiz ve Tasarım Optimizasyonu. (2016): 1 - 1.
MLA EYİ SİNAN,YUMUŞAK Mine Hipersonik Akışlarda Çok Disiplinli Analiz ve Tasarım Optimizasyonu. , 2016, ss.1 - 1.
AMA EYİ S,YUMUŞAK M Hipersonik Akışlarda Çok Disiplinli Analiz ve Tasarım Optimizasyonu. . 2016; 1 - 1.
Vancouver EYİ S,YUMUŞAK M Hipersonik Akışlarda Çok Disiplinli Analiz ve Tasarım Optimizasyonu. . 2016; 1 - 1.
IEEE EYİ S,YUMUŞAK M "Hipersonik Akışlarda Çok Disiplinli Analiz ve Tasarım Optimizasyonu." , ss.1 - 1, 2016.
ISNAD EYİ, SİNAN - YUMUŞAK, Mine. "Hipersonik Akışlarda Çok Disiplinli Analiz ve Tasarım Optimizasyonu". (2016), 1-1.