Stabilized finite element simulations of multispecies inviscid hypersonic flows in thermochemical nonequilibrium
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Uygulamalı Matematik Enstitüsü, Bilimsel Hesaplama Anabilim Dalı, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2022
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: SÜLEYMAN CENGİZCİ
Danışman: ÖMÜR UĞUR
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Hipersonik hızlarda hareket eden roketler, füzeler ve uzay araçları son yıllarda hem askeri hem de sivil havacılık amaçlarıyla kullanılmaktadırlar. Bu araçlar, ses hızının beş katı veya üzerindeki hızlarda hareket ederlerken, birçok şiddetli fiziksel ve kimyasal etkileşim tecrübe ederler. Bu tür yüksek hızlar, moleküler sürtünmeler nedeniyle çok yüksek sıcaklıklara, bu yüksek sıcaklıklar ise aracın içerisinde hareket ettiği gaz karışımının bileşenlerinin uyarılmasına neden olurlar. Bu durum, akış ortamında termokimyasal etkileşimlere neden olur ve aracın uçuş dinamiklerini etkiler. Hem uçuşun güvenliği hem de aracın doğru zamanda doğru hedefe ulaşabilmesi için bu etkileşimlerin hassas bir şekilde incelenmesi gerekmektedir. Rüzgar tüneli testleri hipersonik uçuşların yüksek sıcaklık ve şok etkileşimlerini oluşturmada hem yetersiz kalmaktadırlar hem de çok maliyetlidirler. Dahası, bu deneysel kurulumların tasarlanması, test edilmesi, ve nihayet deneysel verilerin elde edilmesi oldukça uzun zaman alabilmektedir. Bu nedenle, hipersonik araçların uçuş dinamiklerinin analizinde ve bu tür yüksek hızlara uygun araçların dizaynında hesaplamalı akışkanlar dinamiğinin (HAD) araçları büyük öneme sahiptirler. Standart ayrıklaştırma metotlarının, bu tür yüksek hızlı akışların simülasyonlarında sahte salınımlar ürettikleri için, stabilizasyon ve şok-yakalama teknikleri ile desteklenmeleri gerekmektedir. Bu tezde, termokimyasal dengesizlikteki hipersonik akışlar hesaplamalı olarak incelenmektedir. Bu amaçla, 5-bileşenli (O, N, NO, O2, N2) bir gaz karışımının bir silindir etrafındaki hipersonik akışı 17-reaksiyonlu bir kimyasal modelle ele alınmaktadır. Gaz partikülleri hipersonik rejimlerdeki yüksek sıcaklıklar nedeni ile farklı enerji modlarında bulunabilirler: çizgisel, dönüşsel, titreşimsel, ve elektron-elektronik. Denge durumuna ulaşmada benzer zaman ölçeklerine sahip olduklarından, çizgisel ve dönüşsel enerji modları aynı sıcaklıkla, titreşimsel ve elektron-elektronik enerji modları ise bir diğer sıcaklıkla ifade edilebilirler. Bu nedenle, iki sıcaklıklı bir kimyasal kinetik model benimsenmektedir. Hesaplamalarda, sonlu elemanlar formülasyonunu stabilize etmek için sıkıştırılabilir-akış Streamline-Upwind/Petrov–Galerkin metodu kullanılmaktadır. Stabilize edilmiş formülasyon, şoklarda daha iyi çözüm profilleri elde etme amacıyla, YZβ şok-yakalama tekniği ile desteklenmektedir. Uzay ve zaman ayrıklaştırmaları sonucu elde edilen doğrusal olmayan denklem sistemleri Newton–Raphson lineer olmayan yinelemeli çözüm metodu ve ILU yöntemi ile önkoşullandırılmış genelleştirilmiş minimal kalıntı (GMRES) arama tekniği kullanılarak çözülmektedir. Çözücü kodlar FEniCS ortamında geliştirilmektedir.