Lazer enerjisinin sesüstü kavite akışına etkilerinin düşük dereceli modelleme yardımı ile sayısal analizi

Abstract

Kaviteler üzerindeki yüksek hızlı akışlar, karmaşık, zamana bağlı değişen, anlaşılması zor bir akış alanı oluşturup, havacılık uygulamalarında pratik olarak önemli bir sorun teşkil eder. Bu karmaşık akışın içinde türbülanslı akış için tipik bir durum olan küçük ölçekli basınç dalgalanmaları ile frekans ve büyüklüğü kavite geometrisi ve dış akış özelliklerine göre değişen önemli miktarda rezonans da vardır.Bu tez kapsamında, kavite akış alanı içerisinde oluşan basınç değişimlerini azaltmak amacı ile aktif bir kontrol yöntemi olan lazer enerjisi bırakım yöntemi akışa sayısal olarak uygulanmıştır. Lazerin, enerji miktarı, yeri ve frekansı gibi önemli parametreler değiştirilerek akış üzerindeki etkileri incelenmiştir. Lazer enerjisinin etkilerini anlayabilmek amacı ile kavite alanından elde edilen ses basınç seviyeleri dağılımları karşılaştırılmıştır. Lazer enerjisi bırakımı ile kavite alanı içerisinde oluşan basınç dalgalanmalarında ciddi değişimler elde edilmiştir. Kontrollü ve kontrolsüz akışların hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizleri sonucunda elde edilen çıktılarına Uygun Dikgen Ayrıştırma Yöntemi (DAY) uygulanmıştır. Akış içerisindeki baskın ve büyük yapıların mekansal bilgilerini içeren kipler ile zamana bağlı bilgilerini içeren kip genlikleri belirlenmiştir. Bu bilgiler kullanılarak sistemler için düşük dereceli modeller oluşturulmuştur. Kavite akışı ile ilgili verimli bir şekilde veri toplamak ve akışı kontrol etmek amacıyla sensörler ancak kavite yüzeylerine yerleştirilebilir. Bu amaç ile DAY, kavite yüzeylerinden elde edilmiş basınç verilerine uygulanarak, kontrol uygulamalarında veri alınmak üzere sensör yerleştirilmesi gereken noktalar belirlenmiştir. Çalışma içerisinde ayrıca, kavite L/D (uzunluk/derinlik) oranları: 1, 3, 5.07, 7.6 ve 10 olan farklı sesüstü kavite akışı mekanizmaları DAY kullanılarak yorumlanmış ve karşılaştırılmıştır. Bu sayede L/D oranının kavite akış mekanizmasına olan etkileri ortaya koyulmuştur.

High speed flows over open cavities can produce complex unsteady flow fields that are important practical concern in aerospace applications. These complex unsteady flow fields include both the small-scale pressure fluctuations typical of turbulent shear flows and a significant resonance, the frequency and amplitude of which depend on the cavity geometry and external properties. In this study, to decrease these pressure oscillations in the flow region, laser energy deposition method, which is an active flow control method, is applied numerically. The impacts of parameters as amount, frequency and location of laser energy are also examined. To understand the effects of laser energy, the sound pressure levels (SPL) observed in cavity region are compared to each other. As a result of laser energy deposition, several changes are observed in the pressure values and the oscillation mechanism in the flow. Proper Orthogonal Decompositon (POD) method is applied to the results of computational fluid dynamics (CFD) simulations of the cases with controlled and uncontrolled cavity flow. The POD modes which include the spatial information and the modes amplitudes that include the temporal information of the large and dominant structures in the flow are specified. By using these parameters, reduced order models for the systems are obtained. To obtain correct and efficient cavity flow measurement for control purposes is an important process. Sensors can only be placed on the cavity surfaces for real time flow control. Optimum sensor locations are determined by application of POD to pressure values which are obtained from cavity surfaces.The Proper Orthogonal Decomposition method is applied to the supersonic cavities with different length to depth (L/D) ratios of 1, 3, 5.07, 7.6, and 10. The results are explicated and compared with each other. The effects of L/D ratio on cavity flow mechanism are also presented.