Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özete göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Anabilim Dalı / Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı

A numerical investigation on passive flow controls of open cavities at transonic speeds

Açık kavitelerin pasif kontrolünün transonik akışlarda sayısal incelenmesi

Teze Git (tez.yok.gov.tr)

Bu tezin tam metni bu sitede bulunmamaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi tarama bölümünde 553993 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

Cavity flows have been an interesting subject since 1950's when the studies on internal weapon bays were first conducted. Since then, numerous experimental, theoretical and numerical researches have been performed on the subject. Despite the simple geometry, cavity flows have a complex and unsteady flow physics behind. Besides internal weapon bays, cavity flows may also be encountered in wheel wells, car sunroofs and windows, and so on. A major problem that has been related to cavities is the generation of excessive noise and presence of severe pressure oscillations. In open cavities where the flow has the sufficient energy to bridge the cavity, a self-oscillation mechanism takes place. The flow that is separated from the cavity leading edge which forms a free shear layer along the cavity mouth region up until the cavity trailing edge, impinges on cavity aft wall and interacts with it, and eventually generates strong acoustic waves. These acoustic waves then travel upstream and interact with the vortices that formed because of the separation of the flow at cavity leading edge and with the free shear layer, resulting in an excitement of the flow. This feedback mechanism and acoustic interactions result in severe pressure oscillations, noise generation and vibration. Many studies conducted over time have shown that the aft wall of cavity, the main source of the sound, has non-negligible importance on these studies. In order to reduce the noise generated by cavity flows, numerous researches have been conducted over the years and continue to be done. The fundamental aim of this thesis is to examine and comprehend the physics of cavity flows and at the same time endeavouring the reduction of noise generation and minimization highly oscillatory behavior of the flow. The methods applied to reduce the noise generation in the cavity flows are divided into two as passive and active control methods. Active flow control methods require an energy input to the system whilst passive flow control methods require no such input. Making various changes to the cavity geometry or adding/subtracting some external devices to/from the cavity are some of the well-known methods that may be categorized as passive flow control methods. Considering that the passive flow control methods have a wider area of usage than passive flow control methods, they have been emphasized in this thesis. In the present thesis, firstly, a rectangular shaped cavity with no flow control mechanism is investigated. Following to that, various passive flow control methods such as reshaping cavity walls (front, aft walls), placing external devices to cavity upstream wall (spoilers, vortex generators), injecting/sucking flow passively to/from the cavity and combining some of the aforementioned methods are applied with the aim of reducing the noise generation. Within the scope of the thesis, cavity flow analyses are conducted numerically. Simulations were carried out with a Finite Volume Navier-Stokes solver of the open-source software OpenFOAM® (Open source Field Operation and Manipulation). The compressible solver of OpenFOAM®, rhoPimpleFoam is used. The rectangular shaped cavity geometry has L/D ratio of 5 and W/D ratio of 1. The length of the cavity is specified as 0.508 meters and the depth and the width as 0.1016 meters. Freestream Mach number is taken as 0.85 which corresponds to a Reynolds number of ~1x107 based on the cavity length. A Detached Eddy Simulation (DES) method based on the k-ω Shear Stress Transport (SST) Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS) turbulence model is used throughout the simulations. Transient analyses were conducted for a Courant number of less than unity with a time step of ~10-6 seconds. One convective time scale (CTS) is calculated as the passage of a flow particle through the cavity length and analyses are carried out for 50 CTS. Data of last 40 CTS are stored and used for the result of mean values. Probes are placed to cavity floor at ten different locations to measure the pressure history. The simulations were carried out using 200-280 cores in a parallel manner. The high number of required computational power, large number of grids and great number of configurations have obligated the use of parallelization. Results of passive flow control methods are gathered and compared with both each other and with the original baseline cavity. Results of baseline cavity, that is named as clean cavity, are compared with the available experimental and numerical findings with the aim of validation. Discrete acoustic tones seen in cavity, called Rossiter modes, have been compared and similar results are found with the theoretical and experimental data. Mean longitudinal velocity profiles are compared with the available numerical data and satisfactory consistence is observed. Overall sound pressure level (OASPL) distribution on cavity floor was caught in general and the profiles are seen to be similar with a slight overprediction of ~5 dB than the experimental data. This overprediction is also seen in other numerical studies in the literature. Once the validation of the current model is obtained, passive flow control methods are analyzed. Considering the aft wall being the main source of the noise generation, aft wall configurations have proven to be useful in terms of noise reduction. Spoiler and vortex generators have also been found to be efficient since they lift or deteriorate the incoming boundary layer. Inclining the cavity aft wall by 45° has reduced the OASPL distribution on cavity floor by ~10 dB since this inclination diverts the pressure waves outside of the cavity and prevent the strong excitations of the flow. Combined passive flow controls -applied in this study- where aft wall modifications are implemented simultaneously with spoilers have also been effective at noise reduction. Results are also examined in terms of flow contours, isosurfaces and pressure histories. Mean contours of Mach, turbulence intensity, OASPL are inspected for and compared with each configuration. Instantaneous contours of flowfield are also given to provide a more detailed insight to unsteady nature of the cavity flow. Isosurfaces of Q-criterion colored by x-vorticity are presented to visualize the chaotic three dimensional behavior of the flow. Applicability and success of open-source software for such challenging flows have been investigated within the scope of this thesis. It is also shown the open source software OpenFOAM®, with proper parallelization settings, might be an appropriate tool for problems that require high computing powers.

Summary:

Kavite akışları, 1950'lerden itibaren birçok alanda araştırmaya konu olmuş, aerodinamik ve aeroakustik alanlarında önemli bir yer edinen ve içinde birden çok disipline ait olgular barındıran bir akış tipi olma özelliğine sahiptir. Kavite akışı araştırmaları, 1950'lerde dâhili silah yuvalarının kullanımı fikrinin ortaya çıkmasıyla ile başlamış olup günümüzde halen devam etmektedir. Son zamanlarda, yeni nesil savaş uçaklarının radar kesit alanlarını azaltma, maruz kaldıkları aerodinamik sürükleme ve ısınmaları en aza indirgeme gereksinimleri gibi ihtiyaçlar sebebiyle kavite çalışmaları yeniden hız kazanmıştır. İlk zamanlarda çoğunlukla teorik ve deneysel olarak yürütülen çalışmalar, güçlü bilgisayar donanımlarının ve hesaplama yeteneklerinin ortaya çıkması sayesinde, günümüzde sayısal olarak da yürütülmektedir. Kavite akışları sadece dâhili silah yuvalarında değil, uçakların iniş takımları, kara araçlarının pencereleri ve açılır tavanları gibi birçok alanda pratik olarak görülebilmektedir. Kavitelerin yarattığı en büyük sorunlardan birisi oluşan yüksek basınç salınımları ve gürültüdür. Kaviteler, açık ve kapalı olarak iki ana kategoriye ayrılmaktadır. Açık kavitelerde, öz salınım sebebiyle yüksek derecede gürültü oluşabilmektedir. Kavite hücum kenarından kopan ve serbest bir kayma tabakası şeklinde girdaplar üreterek ilerleyen akış, kavite firar kenarına çarpıp bu kenar ile etkileşime girerek güçlü akustik dalgaların oluşumuna neden olmaktadır. Oluşan akustik dalgalar yukarı akım yönünde ilerlemekte ve firar kenarından kopup gelen tabaka ve girdaplarla etkileşime girerek bu girdapları etkilemektedir. Bu geri besleme mekanizması ve akustik etkileşimler, yüksek basınç salınımlarına, gürültü ve titreşime yol açmaktadır. Zaman içerisinde yapılan birçok çalışma, kavitelerde temel ses kaynağı olan arka duvarın önemli bir role sahip olduğunu göstermiştir. Kavitelerin oluşturduğu gürültüyü azaltmak amacıyla yıllar içerisinde birçok araştırma yapılmıştır ve yapılmaya devam etmektedir. Yolcu uçaklarının iniş takımlarının kapaklarının açılması nedeniyle oluşan kaviteler 160 dB seviyelerinde ses oluşturabilmekte, bu ses ise pilotlar için yanıltıcı, yolcular için rahatsız edici olabilmektedir. Bomba ve füze dâhili yuvalarının oluşturduğu kaviteler ise yüksek basınç salınımları sonucu mühimmatın uçaktan güvenli ayrılmasını engelleyebilmekte, kavitenin çevresindeki yapıya ve sonuç olarak uçağa zarar verebilmektedir. Kavite akışları, geometrik olarak basit bir şekle sahip olmasına rağmen akışın düzensizliği sebebiyle zorlu bir fiziğe sahip bir problem olarak öne çıkmaktadır. Bu sebeple dikkatli bir şekilde ele alınmalı ve incelenmelidir. Bu tez, kavite akışlarını incelemeyi, anlamayı ve kavite akışlarında ortaya çıkan gürültüyü en aza indirgemeyi amaçlamaktadır. Kavite akışlarında gürültü oluşumunu azaltmak için kullanılan yöntemler pasif ve aktif olarak ikiye ayrılmaktadır. Aktif kontrol yöntemleri sisteme harici bir enerji girdisi gerektirirken, pasif kontrol yöntemlerinde böyle bir ihtiyaç duyulmamaktadır. Pasif kontrol yöntemleri, kavite geometrisine çeşitli değişkeler yaparak veya kaviteye harici cihazlar ekleyerek akışı kontrol etmeyi amaçlayan yöntemler olarak özetlenebilir. Aktif yöntemlerde ise akışa ve kaviteye dışarıdan müdahaleler ve bir enerji alış-verişi söz konusu olmaktadır. Pasif kontrol yöntemlerinin aktif yöntemlere göre kullanım alanının daha fazla olması sebebiyle, bu tez kapsamında pasif kontrol yöntemleri üzerine durulmuştur. Tez içerisinde, öncelikle temiz kavite olarak adlandırılan, herhangi bir akış kontrol yöntemi içermeyen ve dikdörtgensel bir şekle sahip olan bir kavite incelenmiştir. Daha sonra bu kavite geometrisi üzerinde çeşitli pasif kontrol yöntemleri kullanılarak oluşan gürültünün azaltılması hedeflenmiştir. Bu pasif kontrol yöntemleri, kavite duvarlarının (ön, arka) çeşitli değişkeleri, kavite öncesine dış kontrol cihazlarının yerleştirilmesi (spoyler, girdap üreteci), kaviteden geometrik değişkelerle pasif emme ve üfleme yapılmasının sağlanması ve bahsedilen pasif kontrol yöntemlerinden birkaçının birleştirilmesi olarak sıralanabilir. Tez kapsamında kavite araştırmaları sayısal bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi ile yürütülen sayısal analizler, açık kaynak kodlu bir yazılım olan OpenFOAM® ile yapılmıştır. OpenFOAM® yazılımının sıkıştırılabilir, dolaşık akışlar için tasarlanmış olan ve zamana bağlı çözümler elde edilmesini sağlayan basınç-tabanlı alt-çözücüsü rhoPimpleFoam kullanılmıştır. 3 boyutlu olarak yürütülen analizlerde, temel alınan kavitenin L/D oranı 5, W/D oranı 1 olarak belirlenmiştir. 0.508 metre uzunluğa, 0.1016 metre derinliğe ve 0.1016 metre genişliğe sahip olan kavite, 0.85 Mach serbest akış hızında ve yaklaşık 1x107 Reynolds sayısında incelenmiştir. Reynolds sayısı, kavite uzunluğu temel alınarak hesaplanmıştır. Yürütülen analizler için k-ω SST URANS dolaşım modelinin temel alındığı bir Ayrık Burgaç Benzetimi (ABB) olan k-ω SSTDES yöntemi kullanılmıştır. Zamana bağlı olarak yürütülen analizler, Courant sayısı biri geçmeyecek şekilde yaklaşık olarak 10-6 saniye zaman adımında yürütülmüştür. Bir taşınımsal zaman ölçeği, bir akış parçacığının kaviteyi boydan boya geçtiği süre olarak hesaplanmış ve analizler 50 taşınımsal zaman ölçeği süresince yürütülmüştür. Son 40 taşınımsal zaman ölçeğine ait verilerin ortalaması alınarak sonuç için saklanmıştır. Analizler süresince kavite tabanında 10 farklı noktada basınç ölçümleri yapılmış ve basıncın zamana bağlı profilleri oluşturulmuştur. Analizler, gereken hesaplama gücünün fazlalılığı, kullanılan hücre sayısının çokluğu ve çok fazla konfigürasyonun ele alınması sebebiyle paralel bir şekilde, 200-280 çekirdek kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, gerek temel alınan temiz kavite ile gerek kendi aralarında karşılaştırılmıştır. Temiz kavite analizleri, doğrulama amacıyla deneysel veriler ve daha önce gerçekleştirilmiş olan sayısal çalışma verileri ile karşılaştırılmıştır. Temiz kavite konfigürasyonu için Rossiter modları olarak da adlandırılan akustik keskin tonlar deneysel ve teorik verilerle kıyaslanmış, yakın sonuçlar elde edilmiştir. Kavite içerisindeki boylamsal hız profilleri daha önceki sayısal sonuçlarla karşılaştırılmış ve benzer profiller yakalanmıştır. Kavite tabanındaki ortalama ses basınç tayf düzeyi (OASPL) dağılımı profili genel hatlarıyla yakalanmış fakat deneysel verilere göre ~5 dB daha fazla değerlerle karşılaşılmıştır. Bu durum, literatürdeki sayısal çalışmalarda da göze çarpmaktadır. Kavite çevresindeki akış, Mach, dolaşım yoğunluğu, OASPL gibi birçok yönden ortalamalar alınarak incelenmiştir. Zamana bağlı hız konturları sayesinde akışın salınımlı ve düzensiz yapısı ortaya konulmuştur. Anlık Q-kriteri eşyüzeyleri gösterilerek akışın üç boyutlu dönel kaotik yapısı sunulmaya çalışılmıştır. Kavite tabanındaki kontrol noktalarından alınan basınç verileri sayesinde basıncın zamana bağlı dolaşık salınım profilleri incelenmiştir. Kavite tabanındaki OASPL dağılımları hesaplanarak her bir konfigürasyonun yaptığı iyileştirmeler göz önüne serilmeye çalışılmıştır. Bu aşamadan sonra, pasif kontrol yöntemlerine ait incelemeler yapılmaya başlanmıştır. Kavite arka duvarının gürültü oluşumunda oynadığı rol düşünüldüğü zaman, en önemli iyileştirmelerin arka duvar geometrisinin değiştirildiği konfigürasyonlarda olması beklenmiştir ve nitekim öyle de olmuştur. Ayrıca, kavite önüne yerleştirilen spoyler tarzı cihazların sınır tabakanın hareketini değiştirip, bu tabakaya kavite hücum kenarından ayrıldıktan sonra bir yükseltme kazandırdığı ve kayma tabakasının arka duvarla etkileşimini azalttığı için gürültü oluşumunun azaltılmasında faydalı olduğu görülmüştür. Kavite arka duvarına 45° eğim verilmesi, oluşan akustik ses dalgalarını kavite dışına yönlendirdiği için kavite tabanındaki OASPL profilinde ortalama ~10 dB civarında iyileştirme sağlamıştır. Kavite önüne yerleştirilen spoyler ve girdap üreteci çalışmalarında ise yine benzer derecelerde iyileştirmeler sağlanmıştır. Arka duvar konfigürasyonları ile spoyler konfigürasyonlarının birlikte uygulandığı birleşik pasif kontrol yöntemlerinde ise yine ortalam 8-9 dB iyileştirmeler sağlanmıştır. Tez kapsamında, açık kaynak kodlu çözücülerin kullanılabilirliği ve kavite akışı gibi zorlu bir fiziğe sahip olan problemlerde gösterdiği başarı sunulmaya çalışılmıştır. Ek olarak, açık kaynak kodlu OpenFOAM® yazılımının, doğru paralleştirme ayarları ile yüksek hesaplama gücü gerektiren problemlerde uygun bir araç olabileceği gösterilmiştir.