Tez Arşivi

Hakkımızda

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

Aeroacoustic analysis of open cavities with rounded edges

Köşeleri yuvarlanmış açık kavitelerin aeroakustik analizleri

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 421119 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

The main goal of this thesis is to understand the effect of rounding the edges of a cavity on sound generated by the cavity flow. To achieve this goal, the first step is to understand the physics of the flow. Then understand the aeroacoustic analogies and select the appropriate one for the specific case. Then conduct an effective CFD analysis and with the obtained data calculate the noise generated by the cavity flow using aeroacoustic analogies. A wide literature review of on cavity flow physics has been conducted and it is seen that the most important feature of the cavity flow is the self-sustained oscillations. There are 3 main types of oscillations: fluid dynamic, fluid resonant and fluid elastic oscillations. These have different characteristics and it is important to know it is possible to see several of them in the same flow. The first step to understand the noise generated by the cavity and control it is to understand these mechanism in detail. Aeroacoustics is the main focus of this thesis. Aeroacoustics can be explained briefly as the sound generated aerodynamically, which is also the name of Sir Michael James Lighthill's important paper. This topic became an important area of research nowadays, as the outcomes can cause distinguishable effects on many applications. In aircrafts sound generation can cause discomfort to passengers and humans nearby the airfields. Reducing the sound emissions from these sources is the most important way to effective noise control. To achieve this important goal aeroacoustic analogies are used. In this thesis a Modified Curle's Analogy used, as it deals with static compact bodies. To use this analogy, unsteady pressure data obtained from the walls of the cavity is required. To obtain this data, a CFD analysis by using a commercial tool should be conducted. In this tool, an unsteady analysis with the time step of $10^{-7}$ is conducted. The solver was an implicit unsteady solver with the turbulence model of RANS and realizable $k-\epsilon$ model with two layer all $y+$ wall treatment. As the solution domain, a cavity with the aspect ratio of 2 is selected. The length of the cavity is 0.3 m and the depth of it is 0.015 m. This is selected as a validation case and it is compared with a thesis that conducted a PIV analysis on a cavity with the same geometry. After the validation is confirmed, analyses with 3 different geometries are conducted. First of the geometry has a rounded leading edge with the radius of 3 mm. Second geometry has a rounded trailing edge with the same radius and the last geometry has both of its edges rounded with the same radius. Pressure data obtained from the CFD analyses and fed in to our source code that uses the Modified Curle's Equation to calculate the sound generated by the cavity. This source code give sound pressures as output and they are fed into an FFT code to get sound pressure level (SPL) values. After that OASPL datas are calculated and the first case is validated with the validation thesis. The next step is to conduct analyses with different geometries and investigate the effects of the rounded edges.

Summary:

Aeroakustik konusu son 50 yıl içerisinde ortaya çıkmış ve araştırmaların gün geçtikçe ivme kazandığı bir çalışma alanıdır. İlk olarak askeri bir araştırma olarak, savaş uçaklarından bırakılan füzelerin üzerine gelen yüklerin doğru hesaplaması yapılması amacıyla bu konu üzerine odaklanılmıştır. Daha sonra konu genişlemiş, jet gürültüsü, yolcu uçaklarında, havaalanı yakınında ve yolcuları rahatsız eden gürültülerin oluşumu ve çeşitli bir çok alanda araştırmalar devam etmektedir. Bu çalışmalardan bir tanesi de kavitelerde oluşan gürültünün araştırılmasıdır. Bu araştırmalar dahilinde savaş uçaklarının füze bölmesinde, arabalarda sunroof ve pencerelerde oluşan ses gibi konular üzerinde incelemeler yapılmaktadır. Kavite akışı ve aeroakustiği basit bir geometriye sahip olmasına rağmen bir çok farklı akış fiziğini ve fenomenini barındırmaktadır. Bu tezin asıl amacı, köşeleri yuvarlanmış kavitelerin kavite akışı sebebiyle oluşan gürültü üzerine etkisini incelemektir. Bu amaca erişebilmek amacıyla öncelikle kavite akışlarının fiziklerinin doğru ve detaylı bir şekilde anlaşılması gerekmektedir. Ayrıca aeroakustik analojilerin incelenmesi ve konuya uygun olanının seçilmesi ve gerekiyorsa düzenlenmesi gerekmektedir. Daha sonra bu akışların doğru bir şekilde çözülebilmesi ve gerekli değerlerin elde edilmesi gelir. Elde edilen bu verilerden aeroakustik analojiler kullanılarak ses basınçları ve nihayetinde ses değerleri hesaplanılabilir. Böylece farklı geometriler kullanılarak yapılan analizler sonucu, yuvarlanmış kavite köşelerinin oluşan gürültüye etkisi incelenebilir. Kavite akışı geometrik olarak basit görünmesine rağmen oldukça farklı fiziksel özelliği içinde bulundurak bir akış tipidir. Bu akış oldukça değişkendir ve birçok mekanizmanın etkisi altında kalmaktadır. Detaylı bir literatür araştırması sonucu bu akışı etkileyen en önemli mekanizmanın oto-osilasyon olduğu görülmüştür. Bu mekanizmada, kavite hücum kenarından kopan vorteksler ve oluşturdukları ses dalgaları akış yönünde ilerleyerek firar kenarına çarpmakta ve oradan geri besleme yaparak bir sonraki kopacak olak vorteksleri etkilemektedir. Bu mekanizma farklı geometriler ve akış şartlarında değişik özelliklere sahip olmaktadırlar. Bu mekanizma özlleklierine göre 3 ana başlığa ayrılabilir. Bunlar akış dinamik, akış rezonant ve akış elastik olarak adlandırılabilirler. Bu mekanizmaların hepsinin ayrı ayrı özellikleri olmasıyla birlikte bazı akışlarda aynı anda görülebiliyor olmalarının bilinmesi gerekmektedir. Bu osilasyon mekanizmalarının iyi anlaşılması, bu sebeple oluşan sesin kontrolünün daha etkili bir şekilde yapılmasını sağlayacaktır. Bu kontrol sistemleri aktif ve pasif olarak ayrılmakta ve çok geniş bir araştırma ağını kapsamaktadır. Bu ağ içerisinden doğru olanı seçmek için akış fiziğinin doğru anlaşılmış ve yeterli araştırmanın yapılmış olması gerekmektedir. Bu tezde pasif bir kontrol yöntemi olan geometri kenarlarının yuvarlatılması incelenecektir. Diğer detaylı bir şekilde anlaşılması gereken konu ise aeroakustik analojilerdir. Ses bir akış alanındaki düzensizlikler olarak adlandırılabilir. Basınç ve mekanda olan bu değişiklikler akıştan dalga biçimde enerji kaçışına sebep olmaktadır. Bu enerji akışın kendisinin enerjisine göre oldukça düşüktür, bu da zaten çözülmesi zor olan bir problemin çözümünü daha zor hale getirmiştir. Aeroakustikte basit ve efektif bir analitik sonucun elde edilmesi hakkında umut verici bir gelişme gözükmemektedir. Bu sebeple daha çok nümerik çözümler üzerinde çalışmalar yapılmıştır. Bu çözümlerden ilki Lighthill tarafında yapılmıştır ve aeroakustik analoji ismi verilmiştir. Bu analojide genel Navier-Stokes denklemlerinde düzenlemeler ve benzetmeler yapılarak, akış tarafından oluşturulan sesin tahmini yapılabilmektedir. Bu çalışmadan sonra değişik ve farklı yönleri ele alan çalışmalar yapılmıştır. Bu tezde Curle'ün analojisi kullanılacaktır. Çünkü bu analoji Lighthill'in aksine katı yüzeylerin varlığını da işin içine katmaktadır. Bu analojinin üzerinde biraz basitleştirmeler yapılmış ve nümerik olarak kod içine basit bir şekilde aktarılabilecek bir versiyonu üzerinde yoğunlaşılmıştır. Analoji detaylı olarak incelenmiş ve yapılan basitleştirmelerin sebepleri ve doğruluğu tartışılmıştır. Daha sonra bu kodun içerisine beslenecek olan kavite üzerindeki zamana bağlı basınç değerlerini elde etmek amacıyla bir Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizi yapılmıştır. Bu analiz zamana bağlı olarak yapılmış ve zaman adımı olarak $10^{-7}$ kullanılmıştır. Analiz implicit bir çözücü kullanmaktadır ve türbülans modeli olarak RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes) ve "All $y+$ treatment" ile birlikte "$k-\epsilon$" modeli kullanmaktadır. RANS modeli Navier-Stokes denklemlerinin zamanda ortalamasını alarak çözümlemeler yapmaktadır. Burada ortalama değerler ve bozuntularla ayrı ayrı ilgilenilmektedir. $k-\epsilon$ modelindeyse viskozite $k$ ve $\epsilon$ olmak üzere 2 denklem üzerinden hesaplanarak modelleme yapılmıştır. Burada çözüm alanının düzgün oluşturulması da çok önemlidir. Kavitenin içine, hücum ve firar kenarlarının etraflarına oldukça yoğun bir çözüm alanı uygulanarak, zamanla değişen düzensiz akışın doğru bir şekilde saptanması ve incelenmesi sağlanmaktadır. Bunun için sınrı tabakaya uygulanan çözüm alanına ve çözüm elemanları arasındaki geçişe dikkat edilmiştir. Sistemin doğruluğu kanıtlandıktan sonra hesaplama zamanını ve maliyetini azaltmak amacıyla çözüm alanının belli bölgelerinde düzeltmelere gidilebilir. Ancak düzeltme yapılan bu bölgeler dikkatle seçilmeli ve düzeltmeler akışın karakteristiğine etki etmeyecek şekilde yapılmalıdır. CFD analizi için uzunluk-derinlik oranı 2 olan bir kavite kullanılmıştır. Kavitenin uzunluğu 0.3 m derinliği ise 0.15 m'dir. İlk analizde kavitenin kenarlarına bir yuvarlatma uygulanmamıştır ve bu analizin sonuçları aynı geometriyi ve fiziksel koşulları kullanarak PIV verileriyle analiz yapılmış olan bir tezle karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonrası hız vektörlerinin ve basınç alanlarının oldukça yakın olduğu görülmüştür. Bu analizden kavitenin duvarları üzerinden zamana bağlı basınç değerleri depolanmış ve kendi aeroakustik kodumuzun içine beslenmiştir. Bu kod belirtilen analojiyi kullanarak, farklı dinleyici noktalarında ses basıncı hesaplayabilmektedir. Kod içerisinde 9 farklı dinleyici noktasında ses basıncı değerleri hesaplanmıştır. Bu değerler bir FFT koduna girilerek ses basıncı düzeyleri elde edilmiştir. Daha sonra ortalama ses basıncı değerleri hesaplanarak validasyon tezi ile karşılaştırılmıştır. Bunun sonucunda da oldukça yakın değerler ortaya çıktığı görülmüştür. Bundan sonraki hücum, firar ve her iki köşesinin yuvarlatılmış olduğu 3 farklı geometri öncelikle CFD programında çözdürülecek, daha sonra da elde edilen değerlerle ses basıncı düzeylerinde ne gibi bir etki yarattığı incelenecektir.