Simetrik bir scramjet motorunun farklı atmosferik ve çalışma koşulları altında analitik ve nümerik incelenmesi

Öz

Çalışmada, dikdörtgen kesit alanına ve simetrik iç sıkıştırma sistemine sahip, yanıcı olarak hidrojen (H2) kullanan, 20-30 km irtifalarda ve Mach sayısı 5 ila 8 arasında değişen hızlarda çalışan bir scramjet motoru analitik ve nümerik yaklaşımla termodinamik açıdan incelenmiştir. Çalışmanın amacı, farklı irtifa ve hız koşullarındaki bir scramjet motorunu analitik ve nümerik yöntemle inceleyip bu bölümlerdeki akış özelliklerini belirleyerek hem motora etkilerini ortaya koymak hem de analitik ve nümerik sonuçları karşılaştırmaktır. Analitik incelemede, sıkıştırma ve yanma bölümlerinin boyutlandırılmasında kullanılan eğik şok dalgası, toplam basınç geri kazanımı ve Rayleigh akışı teorilerine dayanan analitik bir yöntem kullanılmıştır. Atmosferik havanın mükemmel gaz ve viskoz etkileri olmadığı varsayılmıştır. Nümerik analizde ise Reynolds-Averaged Navier Stokes (RANS) tekniği ile k–ε modeli kullanılarak iki boyutlu olarak simüle edilmiştir. İrtifa ve Mach sayısı değişimine bağlı olarak motor içerisindeki akışın termodinamik özelliklerinin belirlenmesiyle bu değerlerin motor üzerindeki olumlu ve olumsuz etkileri grafiklerle açıklanarak tartışılmıştır. Serbest akış Mach sayısının akış boğulmasına etki eden sıcaklık ve basıncı doğrudan etkilediği, özellikle 6 Mach altındaki değerlerde motorda olası bir başlatmama sorununa sebep olacağı gözlemlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Hipersonik akış
• Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD)
• Scramjet
• Başlatmama

Kaynakça

1. 1. Star, J., Edwards, J., Smart, M., Baurle, R., Numerical simulation of transient scramjet combustion in a shock tunnel, In 43rd AIAA aerospace sciences meeting and exhibit, 428, 2005.
2. 2. Constantine, P.G., Emory, M., Larsson, J., Iaccarino, G., Exploiting active subspaces to quantify uncertainty in the numerical simulation of the HyShot II scramjet, Journal of Computational Physics, 302, 1-20, 2015.
3. 3. Batan B., Abuhanieh S., Çalışır T., Yiğit Ş., Development of an open-source parametric aerodynamic shape optimization framework for aerospace applications. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 40 (1), 381-400, 2025.
4. 4. Koçak, D., Öksüz, T.E., Koçak, M., Şentürk, U., Özbalta, N., Özdamar, A., Design, Fabrication and Testing of a Hybrid Rocket Engine Prototype, Defence Science Journal, 74 (6), 942-949 2024.
5. 5. Urzay, J., Supersonic combustion in air-breathing propulsion systems for hypersonic flight. Annual Review of Fluid Mechanics, 50, 593-627, 2018.
6. 6. Preller, D., Smart, M.K., Reusable launch of small satellites using scramjets, Journal of Spacecraft and Rockets, 54 (6), 1317-1329, 2017.
7. 7. Forbes-Spyratos, S., Smart, M.K., Kearney, M.P., Jahn, I.H., Fly-back of a scramjet-powered accelerator, In Proceedings of 2018 AIAA Aerospace Sciences Meeting, 2018.
8. 8. Kaplan E.M., Acar E., Ozer M.B., Aerospace structure design using structural response of a payload carried by jet fighter. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 37 (3), 1341-1354, 2022.

9. 9. Smart M.K., Hass N.E., Paull A., Flight data analysis of the HyShot 2 scramjet flight experiment, AIAA journal, 44 (10), 2366-2375, 2006.
10. 10. Deniz G., Celik H., Vision based automatic control and target tracking of a quadcopter. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 39 (3), 1865-1878, 2024.
11. 11. Fujio, C., Brahmachary, S., Ogawa, H., Numerical investigation of axisymmetric intake flowfield and performance for scramjet-powered ascent flight, Aerospace Science and Technology, 111, 106531, 2021.
12. 12. Heiser, W.H., Pratt, D.T., Hypersonic Airbreathing Propulsion, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Washington DC, 1994.
13. 13. Araújo, P.P., Pereira, M.V., Marinho, G.S., Martos, J.F., Toro, P.G., Optimization of scramjet inlet based on temperature and Mach number of supersonic combustion, Aerospace science and technology, 116, 106864, 2021.
14. 14. Ho, S.Y., Paull, A., Coupled thermal, structural and vibrational analysis of a hypersonic engine for flight test, Aerospace Science and Technology, 10 (5), 420-426, 2006.
15. 15. Sziroczak, D., Smith, H., A review of design issues specific to hypersonic flight vehicles, Progress in Aerospace Sciences 84, 1-28, 2016.
16. 16. Reddy, P.N., Sai, R.S.P., Hypersonic Scram-Jet Engine Inlet Design, International journal for research in applied science and engineering technology, 2019.
17. 17. De Siqueira, J.V., Rosa, M.A., Ribeiro, G.B., Three-dimensional CFD investigation of a scramjet inlet under different freestream conditions, Thermal Science and Engineering Progress, 27, 101051, 2022.
18. 18. De Oliveira Júnior, P.C., Costa Júnior, J.C.A., De Paula Toro, P.G., Aero-structural Analysis of a Scramjet Technology Demonstrator Designed to Operate at an Altitude of 23 km at Mach 5.8, Flow, Turbulence and Combustion, 113 (4), 1025-1052, 2024.
19. 19. Ispir, A.C., Cakir, B.O., Saracoglu, B.H., Design space investigations of scramjet engines using reduced-order modeling, Acta Astronautica, 217, 349-362, 2024.
20. 20. Quan, L.H., Hung, N.P., Long, V.N., Analysis and design of a scramjet engine inlet operating from Mach 5 to Mach 10, International Journal of Mechanical Engineering and Applications, 12 (3), 11-23, 2016.
21. 21. Brahmachary, S., Fujio, C., Ogawa, H., Multi-point design optimization of a high-performance intake for scramjet-powered ascent flight, Aerospace Science and Technology, 107, 106362, 2020.
22. 22. Choubey, G., Solanki, M., Patel, O., Devarajan, Y., Huang, W. Effect of different strut design on the mixing performance of H2 fueled two-strut based scramjet combustor, Fuel, 351, 128972, 2023.
23. 23. Yang, Q., Chang, J., Bao, W., Thermodynamic analysis on specific thrust of the hydrocarbon fueled scramjet, Energy, 76, 552-558, 2014.
24. 24. Pu, C., Guo, G., Han, J., & Jiang, S. Effect of jet schemes of the double-nozzle strut injector on mixing efficiency of air and hydrogen for a scramjet combustor, International Journal of Hydrogen Energy, 47 (53), 22633-22649, 2022.
25. 25. Araújo, T.A., Bezerra, Í.S.A., Souza, S.I.S., Toro, P.G.P., Conceptual study of a scramjet with symmetrical internal compression system, Research Square, 2024.
26. 26. Wikipedia. Comparison US standard atmosphere (density, pressure, speed of sound, temperature). https://en.wikipedia.org/wiki/Template:Comparison_US_standard_atmosphere_1962.svg. Yayın tarihi Haziran 3, 2023. Erişim tarihi Kasım 13, 2024.
27. 27. Soares., L.H.S.M., Araujo, P.P.B., Facchin, R.B.C., Carneiro, R., Toro, P.G.P., Passaro, A., An optimization approach for conceptual and preliminary design of scramjet engines, In HiSST 2nd International Conference on High-Speed Vehicle Science Technology, 2022.
28. 28. Anderson, J.D., Modern Compressible Flow-with Historical Perspective, 2nded, McGraw-Hill Publishing Company, 1990.
29. 29. Carneiro, R., Estudo analítico de um demonstrador da tecnologia da combustão supersônica, Master's Thesis, Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN, 2020.
30. 30. Korkegi, R.H., Comparison of shock-induced two-and three-dimensional incipient turbulent seperation, AIAA journal, 13 (4), 534-535, 1975.
31. 31. Martos, J.F.A., Aerothermodynamic design, manufacturing and testing of a 3-d prototyped scramjet, PhD Thesis, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, 2017.
32. 32. De Araujo Martos, J.F., Da Silveira Rêgo, I., Pachon Laiton, S.N., Lima, B.C., Costa, F.J., De Paula Toro, P.G., Experimental Investigation of Brazilian 14‐XB Hypersonic Scramjet Aerospace Vehicle, International Journal of Aerospace Engineering, 5496527, 2017.
33. 33. Riggins, D., Mcclinton, C., Rogers, R., Flow enthalpy effects on scramjet mixing and combustion, In AlAA 4th International Aerospace Planes Conference, 5097, 1992.
34. 34. Özdamar, A., Koçak, D., Isı Transferi, Seçkin Yayıncılık, 978-975-02-6419-1, Ankara, 2020.
35. 35. Dan, Y., Sheng, Z.Q., Zhang, L., Lu, L.Z., Effects of lifted fuel injection using an upstream ramp of a cavity on scramjet combustion, Aerospace Science and Technology, 142, 108651, 2023.
36. 36. Sissenwine, N., Dubin, M., Wexler, H., The US standard atmosphere, Journal of Geophysical Research, 67 (9), 3627-3630, 1962.