Hide/Show Apps

Hipersonik Akışlarda Çok Disiplinli Analiz ve Tasarım Optimizasyonu

2016
Yumuşak, Mine
Eyi, Sinan
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 tünellerikullanılmaktadır. 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, duyarlılık değerleri analitik olarak adjoint yöntemi ile hesaplanmıştır. Adjoint yöntemi ile her bir tasarım değişkeni için analiz yapmadan duyarlılık değerleri çok verimli ve doğru olarak hesaplanabilmektedir. Newton ve adjoint yöntemi kullanılarak kimyasal reaksiyonlu hipersonik akışlar için geliştirilen analiz ve tasarım yöntemi literatürde ilk olmuştur. Bu konu ile ilgili yaptığımız çalışmalar başka araştırmacılar tarafından yayınlanan makalelerde referans olarak gösterilmiştir. Proje kapsamında dört adet yüksek lisans tez çalışması tamamlanmıştır. İki adet yüksek lisans ve bir adet doktora tez çalışması halen devam etmektedir. Proje kapsamında bursiyer öğrenci olarak çalışan ve yüksek lisans tez çalışmasını tamamlayan öğrencilerimizden Tuğba Pişkin, ABD de Purdue Üniversitesi, Havacılık ve Uzay Mühendisliği bölümünde hipersonik akışlarla ilgili doktora çalışmasına devam etmektedir. Proje kapsamında yapılan çalışmalar sonucunda bir adet A tipi dergi makalesi ve yaklaşık kırk adet konferans bildirisi yayınlanmıştır. Makale yazımı ile ilgili çalışmalarımız halen devam etmektedir. Ayrıca, projenin Orta Doğu Teknik Üniversitesi Havacılık ve Uzay Mühendisliği bölümünde vermekte olduğum AE 445 Hypersonic Flow dersi için çok büyük faydası olmuştur. Raporumuzda bu ders kapsamında verdiğim proje çalışmaları hakkında kısa bilgi verilmiştir.