Solution of store separation problems using openfoam

Abstract

Bu tezde, OpenFOAM'un bir hava aracından ayrılan mühimmatı (mühimmat ayrılması problemi) dinamik bir çözüm ağı (Overset/Chimera) tekniği kullanarak çözme yeteneği endüstriyel (transonik/süpersonik ve jenerik) bir kıyaslama test durumu için ele alınmıştır.Standart kütüphanelerin temel kısıtları saptanmıştır. Bu zorlu problemin üstesinden gelebilmek için, yalnızca açık kaynaklı kütüphaneler ve araçlar kullanılarak yeni bir strateji önerilmiştir ve ygulanmıştır. Bu strateji overset kütüphanesinin OpenFOAM platformunun bir çatalından (foam-extend) standart OpenFOAM platformuna (ESI) taşınması, değiştirilmesi ve uyarlanmasının birleşiminden oluşmaktadır. Bunun yansıra, standart OpenFOAM sıkıştırılabilir çözücülerinin iyi bilinen zayıflıklarının üstesinden gelebilmek için, yeni uyarlanmış overset kütüphanesi, OpenFOAM teknolojisini kullanan bir açık kaynaklı basınç tabanlı ve bağlaşık çözücü olan HiSA ile entegre edilmiştir.Gerekli doğrulama ve sağlama süreçlerinin ardından, durağan ve zamana bağlı simülasyonlar için HiSA çözücüsü kullanılmıştır. Doğrulama çalışmalarının bir kısmı bu tezde sunulmuştur. Ek olarak, mühimmat ejektörleri tarafından mühimmata dışarıdan uygulanan kuvvetleri dikkate almak için kuvvet kısıtlamalı bir model geliştirilmiştir. Geliştirilen bu stratejinin doğruluğu, rüzgâr tüneli testleri ve iyi bilinen iki ticari hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) kodunun çözümleri ile karşılaştırılmıştır ve bu sonuçlarla oldukça uyumlu olduğu gösterilmiştir. Bu çalışma viskoz olmayan Euler denklemi ile yapılan simülasyonlara odaklanırken (burada ele alınan test durumunun karakterıstiği), çözüm üzerindeki viskozite etkisi de ayrıca Navier-Stokes denklemi ile incelenmiş ve literatürdeki diğer sonuçlar ile karşılaştırılmıştır ve kayda değer bir farklılık gözlemlenmemiştir. Ek olarak, aynı test durumu için zamansal ve uzaysal bağımsızlık çalışması yapılmıştır. Bilindiği kadarıyla bu çalışma transonik ve süpersonik rejimlerde mühimmat ayrılması problemini OpenFOAM ile inceleyen ve doğrulayan ilk çalışmadır.

In this thesis, the ability of OpenFOAM to solve the store separating from an air vehicle (store separation problem) using a dynamic mesh (Overset/Chimera) technique for an industry-class (transonic/supersonic and generic) benchmark test case has been evaluated and improved. The major limitations of the standard libraries have been determined. To tackle these challenges, a new strategy has been proposed and implemented using only open-source libraries and tools. The strategy combines porting, modifying and adapting an overset library from the OpenFOAM fork platform (foam-extend) to the standard OpenFOAM platform (ESI). Furthermore, in order to overcome the well-known weakness of the standard OpenFOAM compressible solvers, the newly adapted overset library was integrated with an open source, density-based and coupled solver (HiSA: High Speed Aerodynamic), which uses the OpenFOAM technology. HiSA solver has been used after the necessary validation process for steady-state, transient and overset simulations. For steady-state validation, the DLR-F6, the steady-state Eglin and the steady-state SDM results have been used. Whereas, for transient and overset validations, the pitching airfoil case has been used. These validation results are presented in this thesis. Additionally, a new force restrained model was developed to consider the externally applied forces on the store by the store ejectors. The results of the developed strategy have been compared with the wind tunnel tests of the Eglin case and with the solutions of two well-known commercial codes, showing good agreements with them. While the study has focused on simulations with inviscid Euler equations (typical of the test case considered here), the viscosity effect on the solution has also been studied with Navier-Stokes equations and compared with other results in the literature, showing minor differences.Additionally, mesh and time step independence studies have been conducted using the same test case (Eglin). Furthermore, the Eglin test case at supersonic regime has been solved too using the developed strategy in this work. The obtained results were in good agreement with the experiment and other results in literature. To the best of our knowledge, this is the first work which studies and validates the store separation problem in transonic and supersonic regimes with OpenFOAM.