Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği ile Ses Altı Bir Roketin Aerodinamik Analizi

Günümüzde her ülke, kendi yerli ve milli savunma sanayisini geliştirmeyi hedeflemektedir. Bu doğtultuda, füze ve roket gibi yapıların tasarımı çok daha önemli hale gelmiştir. Bu çalışmada, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yardımıyla, ses altı hızda bir roketin tasarımı ve aerodinamik analizleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, Mach sayısı, türbülans yoğunluğu, ve türbülans modeli gibi kritik parametrelerin roket performansına etkileri incelenmiştir. Çalışma sonucunda, Mach sayısının sürükleme katsayısı üzerinde ciddi bir etkiye sahip olduğu görülmüştür. Mach sayısındaki %30’luk bir artış, sürükleme katsayısının yaklaşık olarak %68 artmasına sebep olmuştur. Bunun tersine, türbülans yoğunluğunun değiştirilmesinin ise sürükleme katsayısında belirgin bir farka sebep olmadığı görülmüştür. Her ne kadar, her problem özelinde uygun türbülans yoğunluğu kullanımının önemli olduğu bilinse de, mevcut problem için türbülans yoğunluğu seçiminin zaman harcanacak bir kriter olmadığı sonucuna varılmıştır. Son olarak, türbülans modeli seçiminin, beklendiği gibi, tasarım açısından oldukça önemli olduğu görülmüştür. Benzer problemlerin çözümü için literatürde yaygın olarak kullanılan k-ω SST ve diğer bir model olan k-ω arasında, sürükleme katsayısı açısından yaklaşık %12 fark olduğu görülmüştür. Beklendiği gibi, k-ω modelinden elde edilen sonuç, k-ω SST modelinden elde edilen sonuçtan daha yüksektir.

Utilization of CFD for the aerodynamic analysis of a subsonic rocket

Nowadays, every single country aims to have a domestic and national defense industry. In accordance with this purpose, the designof missile structures has become more important than ever. In this study, the design and analyses of a subsonic rocket was carriedout with the utilization of Computational Fluid Dynamics (CFD) tools. Also, the effects of several critical parameters; i.e. Machnumber, turbulence intensity, turbulence model, on the rocket performance were investigated. It was found out that a variation inMach number has a substantial effect on the drag coefficient; i.e. an increment in Mach number at approximately 30% results inan increment of drag coefficient nearly 68%. Contrarily, changing the turbulence intensity does not make any significant differenceon drag coefficient. Although the appropriate turbulence intensity should be used for every unique problem, in this case, thisparameter is not a critical variable to ponder upon. Finally, the implementation of the appropriate turbulence model is critical inthe design process as expected. Utilization of k-ω and k-ω SST models differs approximately 12% in terms of drag coefficient; thedrag coefficient obtained from k-ω is higher than that of obtained from k-ω SST.

PDF

___

[1] Howell, E., “Rockets: A History”, space.com contributor, (2015).
[2] Hammargren, K., “Aerodynamics Modeling of Sounding Rockets”, Ms. Thesis, Lulea University of Technology, (2018).
[3] Guzelbey, I.H., Sumnu, A. and Dogru, M.H., “A Review of Aerodynamic Shape Optimization for a Missile”, The Eurasia Proceedings of Science, Technology, Engineering & Mathematics (EPSTEM), 4: 94-102, (2018).
[4] https://cpb-usw2.wpmucdn.com/u.osu.edu/dist/b/38251/files/2018/01/ Workshop-1-Aero-and-Propulsion-qsx91h.pdf., Aerodynamics and Propulsion, Buckeye Space Launch Initiative.
[5] Cronvich, L.L., “Missile Aerodynamics”, John Hopkins APL Technical Digest, 175-186, (1983).
[6] Gönç, L.O., “Computation of External Flow Around Rotating Bodies”, PhD. Thesis, Middle East Technical University, (2005).
[7] Başoğlu, O., “Three Dimensional Aerodynamic Analysis of Missiles by a Panel Method”, MS. Thesis, Middle East Technical University, (2002).
[8] Fedaravičius, A., Kılıkevıčıus, S., Survıla, A. and Patašıenė, L., “Analysis of Aerodynamic Characteristics of the Rocket-Target for the “Stinger” System”, Problems of Mechatronics Armament, Aviation, Safety Engineering,7, 1(23): 7-16, (2016).
[9] Lopez, D., Dominguez, D. and Gonzalo, J., “Impact of Turbulence Modeling on External Supersonic Flow Field Simulations in Rocket Aerodynamics”, International Journal of Computational Fluid Dynamics, 27(8-10): 332-341.
[10] Elliot, J. and Peraire, J., “Practical 3-D Aerodynamic Design and Optimization Using Unstructured Meshes”, AIAA Journal, 35(9): 1479-1485, (1997).
[11] Sahu, J. and Heavey, K.R., “Parallel CFD Computations of Projectile Aerodynamics with a Flow Control Mechanism”, Computers & Fluids, 88: 678-687, (2013).
[12] Pirzadeh, S.Z. and Frink, N.T., “Assessment of the Unstructured Grid Software TetrUSS for Drag Prediction of the DLR-F4 Configuration”, AIAA, 2002-0839, (2002).
[13] Langtry R.B., Kuntz, M. and Menter, F., “Drag prediction of engine air frame interference effects with CFX-5”. Journal of Aircraft, 42(6): 1523-1529, (2005).
[14] Kroll N., Rossow, C.C., Schwamborn, D., Becker, K. And Heller, G., “MEGAFLOW-a numerical flow simulation tool for transport aircraft design”, Proceedings of ICAS Congress, 1105.1-1105.20, (2002).
[15] Schütte A., Einarsson, G., Madrane, A., Schöning, B., Mönnich, W. and Krüger, W.B., “Numerical simulation of maneuvering aircraft by CFD and flight mechanic coupling”, RTO Symposium, (2002).