OpenFOAM'a dayalı uçak kanatları için bir buzlanma tahmin aracı

Abstract

Hava araçları bileşenlerindeki buz birikimi bu araçların performansını olumsuz yönde etkilemekte ve ciddi uçuş sorunlarına yol açmaktadır. Uçuş testleri, buzlanma rüzgar tünelleri ve ticari kod paketleri buz şeklini ve kalınlığını tahmin etmede kullanılan en temel araçlardır. Literatürde LEWISE, ONERA, FENSAP, CIRA ve CANICE gibi birçok ticari ve enstitü bazlı buz birikimi simülasyonları olmasına rağmen, bu alanda açık kaynak olarak başlıca kullanılan kod bulunmamaktadır. Bu tezde buz birikimi simülasyonu ve bunun hava aracı niteliklerine etkileri için açık kaynak kodlu yazılımlar üzerinde değişiklikler yapılıp kullanılacaktır. OpenFoam kodu içerisindeki simpleFoam kanat profili etrafındaki viskoz türbülanslı akışı çözmek için, Lagrangian icoUncoupledKinematicParcelFoam kodu ise aşırı soğumuş su damlacıklarının yörün$-$\\gesini tahmin edebilmek için kullanılıyor. Faz değişimi için korunum denklemlerini çözmek için Octave kütüphanesi kullanılarak süreksiz çözücü geliştirildi. Mevcut OpenFoam kodları ve geliştirilen Octave kodunun birleştirilmesiyle buz birikimi algoritması oluşturuldu. Bu yaklaşımın hava aracı bileşenlerindeki buz oluşumunun tahmininde potansiyeli olduğu barizdir. Oluşturulan bu paket kanat üzerinde farklı buzlanma senaryolarındaki kırağı ve şeffaf buz şekil ve kalınlığını tahmin etmede kullanılmaktadır. Aynı zamanda buzlanma şeklinin kanadın kaldırma ve direnç nitelikleri üzerindeki etkileri, eldeki vakalarda dikkate değer değişimler gözlemlenerek incelenmektedir. Buzlanma tahmini için elde edilen sonuçlar geliştirilen kod ve literatürde karşılık gelen veriler arasında tatmin edici birlik olduğunu göstermektedir.

Ice accretion on aircraft components degrades the aircraft performance and causes serious flight problems. Flight tests, icing wind tunnels, and commercial packages are the main tools used to predict ice shapes and thicknesses. Although there are some commercial and institutional ice accretion simulation packages such as LEWISE, ONERA, FENSAP, CIRA and CANICE available in the literature, there is no major ice accretion simulation package available in the open-source community. In this thesis, open-source software are used and modified for simulating ice accretion process and its effect on the aircraft characteristics. OpenFoam solver simpleFoam is used for solving the viscous turbulent fluid flow around an airfoil and the Lagrangian solver icoUncoupledKinematicParcelFoam for solving the trajectory of supercooled water droplets. To solve the governing equations of the phase-change, a transient solver called THERMSOLVICE is developed using the Octave library. Ice accretion algorithm is created by combining the available OpenFOAM solvers and the developed THERMSOLVICE solver. It is believed that this approach has the potential for improving the state of the art in prediction of ice formation on aircraft components as more researchers work on it. The created package is used to predict rime and glaze ice shapes and thicknesses on a wing airfoil for different icing condition cases. The effects of ice formation on the airfoil lift and drag coefficients are also investigated, showing significant changes in certain cases. The results show a satisfactory agreement in ice shape predictions obtained using the developed package with the corresponding data in the literature.