ArticlePDF Available

Yüzey Geometrisinin Mermi Aerodinamik Davranışları Üzerine Etkisinin Nümerik İncelenmesi

Authors:

Abstract

Gelişen silah sistemleri, sistemlerde kullanılan sarf malzeme niteliğindeki mermilerin üzerinde de çalışılması ve geliştirilmesi ihtiyacını gerektirmektedir. Malzeme ve geometri alanında gerçekleştirilen iyileştirme çalışmaları ile tahrip güçleri, menzilleri, hareket ve hedefe ulaşım stabilizasyonları iyileştirilmiş mermilerin üretimi çalışılmaktadır. Bu çalışmada, 9 mm parabellum tip hafif mermi çekirdeği yüzeyine oluşturulan kanal yapı ve çukur yapının mermi etrafında oluşan aerodinamik akış davranışı üzerine etkisinin incelenmesi konu edinilmiştir. Mermi çekirdeği etrafında oluşan hava akışı hesaplamalı akışkanlar dinamiği tabanlı Fluent yazılımı ile incelenmiştir. Sıkıştırılabilir hava akışı, Sutherland’s kanununa bağlı viskoz etkiler dikkate alınarak Spalart Allmaras türbülans akış modeli ile analiz edilmiştir. Çalışmada mermi geometrisi üzerine oluşturulan kanal veya çukur yüzey formunun mermi hızında artışa, kayma gerilimi ve sürükleme kuvvetinde ise azalışa sebep olabildiği sonucuna ulaşılmıştır. Mermi yüzey formunda meydana getirilecek çukur veya kanal yapının mermi hareketinde stabilizasyon yanında menziline de olumlu katkılar sağlayacağı değerlendirilmiştir.
POLİTEKNİK DERGİSİ
JOURNAL of POLYTECHNIC
ISSN: 1302-0900 (PRINT), ISSN: 2147-9429 (ONLINE)
URL: http://dergipark.org.tr/politeknik
Yüzey geometrisinin mermi aerodinamik
davranışları üzerine etkisinin nümerik
incelenmesi
Numerical investigation of the effect of surface
geometry on bullet aerodynamic behaviours
Yazar (Author): Selçuk SELİMLİ
ORCID1: 0000-0002-2551-3860
Bu makaleye şu şekilde atıfta bulunabilirsiniz(To cite to this article): Selimli S., “Yüzey geometrisinin
mermi aerodinamik davranışları üzerine etkisinin nümerik incelenmesi”, Politeknik Dergisi, *(*): *, (*).
Erişim linki (To link to this article): http://dergipark.org.tr/politeknik/archive
DOI: 10.2339/politeknik.698872
Yüzey Geometrisinin Mermi Aerodinamik Davranışları
Üzerine Etkisinin Nümerik İncelenmesi
Araştırma Makalesi / Research Article
Selçuk SELİMLİ*
Enerji Sistemleri Mühendisliği Bölümü, Karabük Üniversitesi, Türkiye
(Geliş/Received : 04.03.2020 ; Kabul/Accepted : 11.04.2020)
ÖZ
Gelişen silah sistemleri, sistemlerde kullanılan sarf malzeme niteliğindeki mermilerin üzerinde de çalışılması ve geliştirilmesi
ihtiyacını gerektirmektedir. Malzeme ve geometri alanında gerçekleştirilen iyileştirme çalışmaları ile tahrip güçleri, menzilleri,
hareket ve hedefe ulaşım stabilizasyonları iyileştirilmiş mermilerin üretimi çalışılmaktadır. Bu çalışmada, 9 mm parabellum tip
hafif mermi çekirdeği yüzeyine oluşturulan kanal yapı ve çukur yapının mermi etrafında oluşan aerodinamik akış davranışı üzerine
etkisinin incelenmesi konu edinilmiştir. Mermi çekirdeği etrafında oluşan hava akışı hesaplamalı akışkanlar dinamiği tabanlı Fluent
yazılımı ile incelenmiştir. Sıkıştırılabilir hava akışı, Sutherland’s kanununa bağlı viskoz etkiler dikkate alınarak Spalart Allmaras
türbülans akış modeli ile analiz edilmiştir. Çalışmada mermi geometrisi üzerine oluşturulan kanal veya çukur yüzey formunun
mermi hızında artışa, kayma gerilimi ve sürükleme kuvvetinde ise azalışa sebep olabildiği sonucuna ulaşılmıştır. Mermi yüzey
formunda meydana getirilecek çukur veya kanal yapının mermi hareketinde stabilizasyon yanında menziline de olumlu katkılar
sağlayacağı değerlendirilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Mermi, türbülans akış, kanal ve çukur yüzey, sürükleme kuvveti.
Numerical Investigation of the Effect of Surface
Geometry on Bullet Aerodynamic Behaviours
ABSTRACT
Developing gun systems require the studying and development of the bullets that are consumable supplies. By the improvement
works in the field of materials and geometry, the production of bullets whose destroying forces, ranges, stabilization of movement
and access to the target are improved was being studied. In this study, the effect of riblet and dimple formed body surface of a 9
mm parabellum type light core bullet on the aerodynamic flow behaviour around the bullet was discussed. Airflow around the
bullet core was investigated by the computational fluid dynamic base software Fluent. The compressible airflow was analysed with
the Spalart Allmaras turbulence flow model, considering the viscous effects due to Sutherland’s law. In this study, it was concluded
that the riblet and dimpled surface formed bullet geometry could lead to an increase of bullet velocity and a decrease in shear stress
and drag force. It was evaluated that the dimple and riblet formed bullet surface provides positive contributions to its range as well
as stabilization in bullet motion.
Keywords: Bullet, turbulent flow, riblet and dimpled surface, drag force.
1. GİRİŞ (INTRODUCTION)
Doğa bilim alanı için uygulanabilir biyolojik yaradılış
özelliklerini sonsuz bir kaynak olarak sunmaktadır.
Köpek balığı gibi birçok deniz canlısının derisi ve kara
makas gaga gibi birçok kuş türünün tüyleri yüzey
sürükleme etkilerini baskılayıcı geometrik yapılara
sahiptirler. Bilgisayar tabanlı nümerik analizleme ile
gerçekleştirilen bu çalışmada doğadan da esinlenilerek
mermi çekirdeği geometrisi üzerinde oluşturulan kanal
ve çukur yapı ile dinamik akışkan akışı
olumsuzluklarının azaltılması ve böylece tahrip gücü ve
menzili iyileştirilmiş mermi çekirdeklerinin elde
edilmesi araştırılmıştır. Bu bağlamda, gerçekleştirilen
literatür taramasında farklı geometrik yapılar etrafındaki
akışkan akışı etkileşimlerinin optimizasyonuna yönelik
önerimler çalışma konusunu destekler niteliktedir.
Thakur vd., çalışmalarında, farklı küt gövde
geometrilerine sahip objeler etrafında gerçekleşen
akışkan akışını incelemişler, geometrik optimizasyon ile
hidrodinamik davranışların iyileştirilmesi konusuna
değinmişlerdir. Akış doğrultusuna dik burun kesit
alanındaki artışın geometri etrafında oluşan girdap akım
döngüleri miktarını artırdığını belirtmişlerdir [1]. Sahoo
ve Laha, çalışmalarında küt burunlu bir gövde etrafındaki
hava akışında hava sürtünme katsayısı değerinin artan
burun yarıçapı ile arttığını tespit etmişlerdir [2]. Litz,
çalışmasında aerodinamik sürtünmenin balistik alanında
uzun menzilli yörünge ve mesafe üzerine etkisini farklı
mermi gövde geometrileri üzerinde incelemiş ve daralan
ön alanlı geometrilerde sürtünmenin de azaldığını ifade
etmiştir[3]. Gemba, deneysel çalışmasında geometriler
etrafındaki hava akışında hava sürtünmesi değerinin
keskin kenara bağlı olarak büyük değerlere ulaştığını
ifade etmiştir[4]. Diez vd., yaptıkları çalışmada küt
burunlu bir gövde etrafındaki akış sürükleme katsayısını
azaltmak amacıyla gövde üzerine oluşturdukları oyuk
*Sorumlu Yazar (Corresponding Author)
e-posta : selcukselimli@karabuk.edu.tr
yüzeylerin katkısını incelemişlerdir. Sonuç olarak
oluşturulan oyuk yüzeylerin %25,6 oranında sürükleme
katsayısını azalttığı belirtilmiştir[5]. Khan ve Saha,
yaptıkları çalışmada farklı burun yapısına sahip mermi
çekirdekleri etrafındaki hava akışı için aerodinamik
davranışlarını nümerik yaklaşımlar kullanarak
incelemişler, hız ve basıncın keskin ve yuvarlatılmış
kenar yapılı geometriler etrafındaki dağılımını
değerlendirmişlerdir[6]. Bixler ve Bhushan, yaptıkları
çalışmada köpek balığı derisinde yer alan kanal yüzeyin
sürükleme katsayısı üzerine etkisini deneysel olarak
incelemişlerdir. Kanal yapının yüzey sürükleme
katsayısını azalttığını belirlemişlerdir[7]. Choi vd.,
çalışmalarında çukur yüzeye sahip objeler etrafındaki
akışkan akışında, çukur yüzeyin yüzey sürükleme
katsayısı üzerine etkisini bir golf topu üzerinde
incelemişlerdir. Çukur yüzeyin sürükleme katsayısını
önemli ölçüde azaltıcı etki gösterdiğini ifade
etmişlerdir[8]. Lim ve Lee, deneysel çalışmalarında U
kanallı yüzeye sahip dairesel kesitli bir boru etrafındaki
akışı incelemişlerdir. Kanallı yapının boru yüzeyine
yakın akış alanında viskoz girdap etkileri baskıladığı
değerlendirilmiştir[9]. Taheri, bilgisayar tabanlı nümerik
çalışmasında kambur balina derisinde yer alan kanallı
yüzeyin hidrodinamik akışkan davranışları üzerine
etkisini yorumlamıştır. Kanallı yapının akışkan
kavitasyonel akışı ve sürükleme katsayısını
baskıladığını ifade etmiştir[10]. Jovanovic vd.,
çalışmalarında çukurlu yüzeye sahip bir katı obje
etrafındaki akışkan akışı dinamik davranışı
incelemişler, çukurlu yüzeyin sürükleme katsayısını
azaltıcı etkisinin önemli düzeyde olduğunu
belirlemişlerdir[11]. Stanly vd., çalışmalarında bir araç
model geometrisi üzerinde oluşturulan çukurlu yüzeyin
aerodinamik sürükleme değerini azalttığını
gözlemlemişlerdir[12]. Chowdhury vd., bir golf topu
üzerindeki çukurlu yüzeyin top aerodinamik
davranışlarını etkilediğini gözlemlemişlerdir. Çalışma
neticesinde çukurlu yapının yüzey sürükleme katsayısını
önemli ölçüde değiştirdiğini değerlendirmişlerdir[13].
Literatür çalışması ışığında mermi çekirdeği menzil ve
tahrip gücünü artırmak üzere çekirdek yüzeyinde
oluşturulacak kanal ve çukurlu yüzeyin aerodinamik
davranış üzerine etkisi bilgisayar tabanlı nümerik
inceleme sürecinde değerlendirilmiştir. Çalışma, ön
çalışma niteliğinde olup alanda farkındalık oluşturmak
istenmiştir. Çalışma kapsamında sıkıştırılabilir dış akış
modeli için literatürde sıkça atıfta bulunulan Spalart
Allmaras türbülans modeli kullanılmıştır [14], [15].
Model ifadesi denklem (1)’de verildiği gibidir.
 󰇛󰇜
󰇛󰇜
󰇥󰇛 󰇜
󰇦
󰇡
󰇢 (1)
Denklem (1)’de yer alan rbülans viskozite üretim
değerini, türbülans viskozite yıkım değerini
sabite değerleri moleküler kinematik viskozite
değerini temsil etmektedir. Türbülans viskozite değeri
denklem (2)’te verildiği haliyle belirlenir.
 (2)

 (3)
(4)

󰆻 (5)
󰆻
 (6)

 (7)
 sabite değerleri, katı yüzeyden uzaklığı,
deformasyon tensörünün skaler değerliğini temsil
etmektedir.
󰇡
󰇢 (8)
󰇣
󰇤
(9)
󰇛󰇜 (10)
󰆻 (11)
 sabite değerlerdir.
2. MATERYAL VE METOT (MATERIAL and
METHOD)
Parabellum tip 9 mm çapındaki mermi çekirdeği üç
boyutlu geometrik modelleri Ansys Design Modeler
yazılımında üç farklı yüzey formuna sahip olacak şekilde
oluşturulmuştur. Mermi çekirdeği boyutları referans
[6]’da belirtildiği gibi 9 x 10.54 mm ölçülerindedir.
Oluşturulan mermi çekirdeği modelleri Şekil 1(a, b,
c).’de görselleştirilmiştir.
(a) (b)
(c)
Şekil 1(a, b, c). a. Mermi çekirdeği, b. kanal yapılı mermi
çekirdeği, c. çukur yapılı mermi çekirdeği (a. Bullet, b. riblet
formed bullet, c. dimple formed bullet)
Oluşturulan mermi çekirdek modelleri etrafındaki hava
akışının aerodinamik davranışlar üzerine etkisini
incelemek üzere dış akış gövde modeli yapısı Ansys
Meshing yazılımı kullanılarak oluşturulmuştur. Çalışma
sonuçlarının bağımsızlığı Ansys Fluent yazılımında
Çizelge 1.’de verilen sınır şartları altında gerçekleştirilen
analiz süreçleri ile belirlenmiştir.
Analizler sonucu ulaşılan ortalama kayma geriliminde
meydana gelen ağ yapı hücre sayısına bağlı sapma değeri
ve ağ kalite parametreleri Çizelge 2.’de Mach sayısının
1,2 olduğu durum için belirlenmiş ve verilmiştir.
Çizelge 2.’de azalan hücre sayısı ile kayma gerilimi
ortalama değerlerindeki sapma miktarı karşılaştırılmıştır.
Değerler incelendiğinde 2.717.682 hücre sayısına sahip
model üzerine uygulanan kayma gerilimi, 4.273.657
hücreye sahip model üzerindeki kayma gerilimi değeri ile
karşılaştırıldığında %0,75’lik bir sapma değeri ile yakın
sonuç vermektedir. Değerlerdeki yüzdesel sapmanın %5
ve altında olması durumunda boyutundan bağımsız
yaklaşık sonuçlara ulaşılabileceği kabulü literatürde [16],
[17] ve [18] numaralı çalışmalarda belirtilmiştir. Bu
bağlamda elde edilen sapma oranı, kalite
parametreleri, analiz re ve maliyeti göz önünde
bulundurularak analiz çalışmalarında 2.717.682 hücre
sayısına sahip modelin kullanımının yeterli ve uygun
olduğu kabul edilmiştir. Ağ kalite parametreleri
literatürde [19] numaralı dokümanda Şekil 2’deki gibi
tanımlanmıştır.
Şekil 2. Ağ kalite parametreleri [20] (Mesh quality parameters
[20])
Şekil 2’de verilen kalite parametreleri
değerlendirildiğinde çalışma yapılan modelin kalite
parametrelerinin de yeterli olduğu kabul edilmiştir.
3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA (RESULTS AND
DISCUSSION)
Çalışma ile üç farklı mermi çekirdeği modeli için
gerçekleştirilen analiz çalışmaları neticesinde elde edilen
aerodinamik parametreler hız, kayma gerilmesi,
sürükleme katsayısı ve kuvveti değerleri üzerine
geometrinin etkisi çalışma kapsamında
değerlendirilmiştir. Bu bağlamda mermi çekirdeği
etrafında oluşan hız dağılımı Mach sayısının 1,2 değeri
için Şekil 3(a, b, c)’de görselleştirilmiştir.
(a)
(b)
Çizelge 2. Ağ bağımsızlık çalışması (Mesh independency study)
Kayma gerilimi (Pa)
Sapma değeri (%)
Skewness parametresi
Orthogonal quality
parametresi
348,2
0,598
0,896
345,6
0,75
0,599
0,894
336,7
2,57
0,604
0,887
317,5
5,7
0,607
0,882
Çizelge 1. Nümerik analiz metot ve sınır şartları (Numerical analysis method and boundary conditions)
Yoğunluk esaslı, kararlı
Örtük işlev, birleşik çözücü
Spalart Allmaras türbülans model
Hava, ideal gaz,
Sutherland kanunu
10-5
9,81
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,3
0,2
300
101.325 (Referans basınç =0)
(c)
Şekil 3(a, b, c). a. Mermi çekirdeği, b. kanal yapılı mermi
çekirdeği, c. çukur yapılı mermi çekirdeği için hız görseli
(Velocity visual for a. bullet, b. riblet formed bullet, c. dimple
formed bullet)
Şekil 3(a, b, c)’te görüldüğü üzere düzgün yüzeye sahip
mermi çekirdeği etrafında oluşan hava hızı dağılımı
ortalamaları değerlendirildiğinde kanal yapılı yüzeye
sahip mermi çekirdeği için hızda %1,26, çukur yapılı
yüzeye sahip mermi çekirdeği için ise %3,14 oranında
artış sağlandığı belirlenmiştir. Kanal ve çukur formlu
yüzeye sahip geometriler etrafında oluşan akış alanları
için hızın değişimini inceleyen referans [20] ve[21]’de
yüzeylere oluşturulan kanal yapı ve çukur yapının yüzey
etrafındaki hava akışını olumlu yönde etkilediğini ve hız
dağılımında artış gözlemlendiği değerlendirilmiştir.
Mermi çekirdek modelleri için yüzey kayma gerilimi
ortalama değerlerindeki değişim Şekil 4’de
görselleştirilmiştir.
Şekil 4. Yüzey formunun kayma gerilimi üzerine etkisi görseli
(Visual of effect of surface form on shear stress)
Şekil 4’te görüldüğü üzere kayma gerilimi mermi modeli
üzerine oluşturulan kanal yapı etkisi ile %1,32 azalırken,
çukurlu yüzey etkisi ile azalım miktarı %1,68 düzeyinde
hesaplanmıştır. Kayma geriliminde meydana gelen
azalma referans [22], [23], [24]’de kanallı ve çukurlu
yüzey formuna sahip gövdeler etrafındaki akışkan akışı
için incelenmiş ve kayma geriliminin hem kanal hem de
çukur yapı formlu yüzeylerde azalma eğilimi gösterdiği
belirtilmiştir. Modeller üzerinde oluşan rükleme
kuvveti ve katsayısı değerleri Şekil 5(a, b)’de
sunulmuştur.
(a)
(b)
Şekil 5(a, b). Yüzey formunun (a) sürükleme kuvveti, (b)
sürükleme katsayısı üzerine etkisi görseli (Visual of effect of
surface form on (a) drag force, (b) drag coefficient)
Mermi model üzerine oluşturulan kanal ve çukur yapı
yüzey formu ile sürükleme kuvveti ve katsayı
değerlerinde azalma sağlandığı belirlenmiştir. Sürükleme
kuvveti kanal yapı etkisi ile %2,25 azalırken, çukur yapı
%2,92 azalış sağlamıştır. Elde edilen veriler referans
[25]’de belirtilen türbülans akış modeli için kanallı
yapının yüzey sürükleme katsayısı değerini %7
düzeyinde azalttığı tespiti ile örtüşmektedir. Yine bir
diğer referans [26]’de belirtilen türbülans sıkıştırılabilir
akış modeli için yüzey sürtünmesinin oluşturulan çukur
yüzey formu etkisiyle %12 düzeyinde azaldığı ifade
edilmiştir.
4. SONUÇ (CONCLUSION)
Katı gövdeler etrafındaki yüzey akışını konu edinen
çalışmalar mühendislik uygulama alanın önemli konuları
arasındadır. Taşıt vdeleri etrafındaki akış hareketleri
başta olmak üzere yapılar etrafındaki hava
hareketlerinden, reklam panolarının tasarımı, yüzücülere
ait özel kıyafetlere kadar daha birçok alanda yoğun
şekilde akışkan dinamik davranışlarını anlamak ve
dinamik akış özelliklerine müdahale etmek konusunda
araştırmalara önem verilmekte ve yoğun şekilde çalışma
ihtiyacı duyulmaktadır. Bu çalışmada, silah sistemlerinin
gelişim sürecine katkı sunmak amacıyla, mermi
geometriler üzerinde gerçekleştirilebilecek
iyileştirmelerin, mermi menzil ve hedef stabilizasyonuna
sunacağı katkı araştırılmıştır. Bu amaçla ANSYS Design
Modeler yazılımı ile oluşturulan 9 mm çapındaki
parabellum tip mermi çekirdek modeli üzerine
oluşturulan kanal yapı ve çukur yapının, model etrafında
oluşan hava hareketliliği dinamik davranışları üzerine
etkisi Fluent yazılımı kullanılarak analizlenmiştir. Elde
edilen sonuçlar hem kanal yapının hem de çukur yapının
mermi geometri üzerine oluşan sürükleme kuvveti ve
kayma gerilimini azalttığını, bunun yanında hava akış
hızını artırdığını göstermiştir. Sonuçta mermi çekirdeği
menzilinin artışının sağlanabileceği öngörüsü
oluşmuştur.
SEMBOLLER ve KISALTMALAR (SYMBOLS and
ABBREVIATIONS)
 : sabite değerler
 : Sürükleme katsayı
: katı yüzeyden uzaklık
: Sürükleme kuvveti
 : model parametreleri
: türbülans viskozite üretim değeri
: deformasyon tensörünün skaler değeri
: kaynak terim
: zaman
: hız
: kinematik viskozite
: türbülans viskozite yıkım değerini
: dinamik viskozite
: yoğunluk
 : Reynolds sayısı
 : Mach sayısı
KAYNAKLAR (REFERENCES)
[1] Thakur V., Yadav T. and Rajiv B., "Drag optimization of
bluff bodies using CFD for aerodynamic applications",
Int. J. Comput Eng. Res., 7(4): 2532, (2017).
[2] Sahoo S. and Laha M.K., "Coefficient of drag and
trajectory simulation of 130 mm supersonic artillery shell
with recovery plug or fuze", Def. Sci. J., 64(6): 502508,
(2014).
[3] Litz B., "Aerodynamic drag modeling for ballistics part 1
aerodynamic drag 101", Applied Ballistics,1: 113,
(2016).
[4] Gemba K., "Shape effects on drag", NASA, 90840: 25,
(2007).https://www.grc.nasa.gov/www/k-
12/airplane/shaped.html (erişim tarihi: 11.01.2020)
[5] Lorite-Díez M., Jiménez-González J.I., Gutiérrez-Montes
C. and Martínez-Bazán C., "Drag reduction of slender
blunt-based bodies using optimized rear cavities", J.
Fluids Struct.,74: 15877, (2017).
[6] Khan T.H. and Saha S., "Numerical Simulation and
aerodynamic characteristic analysis of a paraboloid-tip
bullet", 4th Global Engineering, Science and
Technology Conference, Bangladesh, 18, (2013).
[7] Bixler G.D. and Bhushan B., "Fluid drag reduction with
shark-skin riblet inspired microstructured surfaces", Adv.
Funct. Mater., 23(36): 45074528, (2013).
[8] Choi J., Jeon W.P. and Choi H., "Mechanism of drag
reduction by dimples on a sphere", Phys. Fluids, 18(4):
041702, (2006).
[9] Lim H.C. and Lee S.J., "PIV measurements of near wake
behind a U-grooved cylinder", J. Fluids. Struct., 18(1):
119130, (2003).
[10] Taheri A., "On the hydrodynamic effects of humpback
whale’s ventral pleats", Am. J. Fluid Dyn.8(2): 4762,
(2018).
[11] Bogdanović-Jovanović J.B., Stamenković Ž.M. and
Kocić M.M., "Experimental and numerical investigation
of flow around a sphere with dimples for various flow
regimes", Therm. Sci., 16(4): 10131026, (2012).
[12] Stanly R., Sagaram B.S., Suneesh S.S. and Kumar S.S.V.,
"Effect of passive flow controlling dimples on drag
reduction and improved fuel efficiency", 20th
Australasian Fluid Mechanics Conference, Australia, 2-
4, (2016).
[13] Chowdhury H., Loganathan B., Wang Y., Mustary I. and
Alam F., "A study of dimple characteristics on golf ball
drag", Procedia Eng., 147: 8791, (2016).
[14] Muruganantham V.R. and Babin T., "Numerical
investigation of hybrid blend design target bullets",
Matec Web of Conferences, 172: 47, (2018).
[15] El Maani R., Elouardi S., Radi B. and El Hami A., "Study
of the turbulence models over an aircraft wing", Incert
Fiabilité Des Systèmes Multiphysiques, 2(2): 111,
(2018).
[16] Rakowitz M., "Grid refinement study with a UHCA
wing-body configuration using richardson extrapolation
and grid convergence index GCI", New Results in
Numerical and Experimental Fluid Mechanics III,
Springer, Berlin, 77: 97-303, (2002).
[17] Ali M.S.M., Doolan C.J. and Wheatley V., "An
assessment method for grid convergence of two-
dimensional direct numerical simulation of flow around a
square cylinder at a low reynolds number", Proc Seventh
Int Conf CFD Miner Process Ind, Australia, 1-6, (2009).
[18] Yamagata T. and Hayase T., "Grid convergence property
of three-dimensional measurement-integrated simulation
for unsteady flow behind a square cylinder with karman
vortex street", J. Flow Control Meas. Vis., 4: 125142,
(2016).
[19] Fatchurrohman N. and Chia S.T., " Performance of hybrid
nano-micro reinforced mg metal matrix composites
brake calliper: simulation approach", IOP Conf. Ser. :
Mater. Sci. Eng., 257: 012060, (2017).
[20] Sundaram S., Viswanath P.R. and Rudrakumar S.,
"Viscous drag reduction using riblets on NACA 0012
airfoil to moderate incidence", AIAA J., 34(4): 676682,
(1996).
[21] Choi J., Jeon W.P. and Choi H., "Mechanism of drag
reduction by dimples on a sphere", Phys. Fluids,18(4):
1619, (2006).
[22] Lee S.J. and Choi Y.S., "Decrement of spanwise vortices
by a drag-reducing riblet surface", J. Turbul., 9: 115,
(2008).
[23] Viswanath P.R., "Aircraft viscous drag reduction using
riblets", Prog. Aerosp. Sci., 38(6-7): 571600, (2002).
[24] Lienhart H., Breuer M. and Köksoy C., "Drag reduction
by dimples? - A complementary experimental/numerical
investigation", Int. J. Heat Fluid Flow, 29(3): 783791,
(2008).
[25] Duan L. and Choudhari M.M., "Effects of riblets on skin
friction and heat transfer in high-speed turbulent
boundary layers", 50th AIAA Aerosp. Sci. Meet. Incl.
New Horizons Forum Aerosp. Expo., Nashville, 1-17,
(2012).
[26] Sun Z.S., Ren Y.X. and Larricq C., "Drag reduction of
compressible wall turbulence with active dimples", Sci.
China Physics Mech. Astron., 54(2): 329-337, (2011).
... Toplam 4.2 10 6 elemandan oluşan bir ağ yapısı kullanılmıştır. Kullanılan eleman sayısının optimum değerlere uygun olduğu literatürden görülmüştür (Selimli, 2020). ...
... Türbülans etkilerini modellemek için Spalart Allmaras türbülans modeli kullanılmıştır (Selimli, 2020). Bu model, havacılık ve uzay uygulamalarında sıkıştırılabilir dış akış problemlerinde sıklıkla tercih edilmektedir. ...
... K sıcaklık ve 101325 Pa basınç altında gerçekleştirilmiştir. Akış analizleri ideal akış kabulü ile yapılmıştır. Bu çalışmada kanat ve roket gibi yapıların dış akış analizlerinde literatürde sıklıkla kullanılan Spalart-Allmaras türbülans modeli kullanılmıştır [40,41]. Bu modelin kısa zamanda daha doğru sonuç verdiği bilinmektedir. ...
Article
Full-text available
ÖZ Kanat tasarımında kritik ve dikkat edilmesi gereken parametrelerden birisi de doğal frekanstır. Kanadın doğal frekansının küçük olması kanadın daha fazla yer değiştirmesine neden olur. Diğer taraftan kanadın doğal frekansı ile havanın doğal frekansı eşit olduğunda rezonansa neden olabilir ve bu durumda kanatta yapısal hasar oluşabilir. Kanat doğal frekansını arttırmak için yapılan çalışmalar kanadın rijitliğini arttırırken aynı zamanda, kütle artışına neden olabilir. Bu çalışmada, kanat kütlesinin arttırılmadan doğal frekansının arttırılması amacıyla çok amaçlı optimizasyon problemi kurularak kanat kiriş elemanın optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Kesit geometrisi şekil parametreleri tasarım değişkenleri olarak alınmış, kanat ağırlığının minimizasyonu ve kanadın birinci doğal frekansının maksimizasyonu amaç fonksiyonu olarak tanımlanmıştır. Kanadın hem doğal frekansının arttırılması hem de kütlesinin azaltılması amacıyla çok amaçlı bir optimizasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. Çalışma kapsamında kanat iç yapı elemanlarından kiriş elemanının kesit geometrisinin doğal frekans ve ağırlık açısından optimum özelliklere sahip kanat kiriş kesiti tasarlanması amaçlanmıştır. Optimizasyon işlemini gerçekleştirmek için Ansys Workbench ortamında parametrik geometri modeli oluşturulmuş, kanat üzerinde oluşan basınç hesaplanmış, statik analiz ile gerilme ve yer değiştirme, modal analiz ile doğal frekans hesaplanmıştır. Cevap yüzey yöntemi kullanılarak gerçekleştirilen optimizasyon çalışmasında çok amaçlı genetik algoritma kullanılmıştır. Çalışma sonucunda kanat birinci doğal frekansında % 14 artış sağlanırken aynı zamanda kanat ağırlığında yaklaşık %5 hafifleme sağlanmıştır.
... As the bullet's height increased, the bow shock wave formed and interacted with the separating shock, increasing drag. Similarly, Selimli [5] investigated the contribution of improvements in bullet geometries to bullet range and target stabilization. They examined the effect of dimple and riblet structures on the 9 mm diameter parabellum-type bullet core model using ANSYS Design Modeler software. ...
Article
Full-text available
In the field of external ballistics, the geometry (shape and structure) of the projectile plays a significant role. This geometry affects a multitude of variables, including air resistance, stability, range, and accuracy. The objective of this study was to decrease the drag coefficients by making different geometric alterations to the Spitzer-type ogive bullet and examining the flow conditions, Mach number, and pressure distributions around the projectile using a three-dimensional numerical simulation. Upon examination of the results, it was observed that the flow exhibited subsonic stagnation zones and a velocity drop upstream of the nose tip. The flow became slightly supersonic as it expanded around the ogive nose and boattail junction. Expansion fans and recompression shocks were detected at the points where the ogive-shaped nose of the projectile transitions to the body, where the boattail-shaped rear of the projectile transitions to the body, and at the base of the projectile. The pressure coefficient value reached its maximum value of CP=0.7 when the air decelerated and dropped to CP=-0.5 as the projectile transitioned from the nose to the body. A gradual decrease in pressure along the projectile surface resulted in a more consistent and lower pressure coefficient compared to the nose. The A3-type bullet, including the most extensive spiral groove, exhibited a 12.4% enhancement in drag reduction as compared to the original bullet. The B-series of straight grooves exhibited a considerable decrease in drag. Nevertheless, the efficacy of helical grooves in regulating flow separation at the tail surpassed that of other methods. The A-series bullets, namely A2 and A3, were well-suited for applications that demanded little aerodynamic resistance. The B-series bullets exhibited enhancements compared to the conventional design and may be deemed suitable for more straightforward production or design limitations.
... In this way, the turbulent length and velocity scale was determined [20,21]. It is seen that the CFD method is frequently used in aerodynamic studies [22,23,24]. ...
Article
Full-text available
In the developing world, the importance of supersonic flights is increasing day by day, especially in military fields. Since supersonic flights have different physical conditions, different designs are required both in the fuselage structure and in the engine part compared to subsonic aircraft. In these studies, the air inlet performance of jet engines designed for supersonic flights is investigated. A plenum has been added to the air inlet geometry in line with the goal of low flow distortion and high pressure recovery. Then, the optimum plenum geometry design was obtained by applying a two-stage optimization process. In each optimization step, computational fluid dynamics analyses were performed to define the effects of the changes in the geometric dimensions of the plenum design and bleed system on the PR (Pressure Recovery) and FD (Flow Distortion) values. The outcome of the analysis showed that the addition of the plenum and the bleed system improved the performance of the air inlet. The new plenum design that emerged as a result of the optimization processes has positively affected the performance values of the air intake. Analysis results showed higher PR and lower FD results in optimized geometry.
Article
Full-text available
In this paper, hydrodynamic effects of ventral pleats covering mouth and bell parts of humpback whales are studied for the first time. In this regard, turbulent flows over a simplified model of the animal body as a half grooved ellipsoid are numerically simulated using Lam-Bremhorst low Reynolds turbulence model resolving to the wall at different angles of attack and sideslip. The results show that presence of the ventral pleats leads to formation of low speed strips and shear layer/vortex on the bottom surface of the animal, which in turn results in a relatively higher pressure region on the bell and higher drag coefficient compared to a case without grooves. In this way, pleats generate lift and contribute to buoyancy force and also increase tendency of flow separation. The results also depict superior performance of the grooved body at sideslip angles. Furthermore, results of cavitating flow simulation over the grooved model showed a suppression of lift generation contribution of the ventral grooved surface in cavitating conditions, the most similar situations to bubbly flows experienced by humpback whales in bubble net fishing environment.
Article
Full-text available
It is well known that an objects shape plays a critical role in the drag produced while subjected to a free stream flow. This experiment was conducted to become more familiar with the effects an object' shape has on drag. Utilizing a single component balance in a subsonic windtunnel, testing was conducted at different flow speeds to measure corresponding drag forces. The four objects were subjected to free stream velocities ranging from 11 m s to 22 m s with drag forces measurements ranging from 0.6 N to 1.7 N. When each object was subjected to the maximum flow velocity condition (22 m s) Objects 1, possessing the largest projected area, exhibited a drag force 2 times greater than that of the most "aerodynamically" shaped object, Object 6. The coefficient of drag and Reynolds numbers were calculated for each object. Object 3 had the largest coefficient of drag values with a maximum value of 4.76. Reynolds numbers were similar for all three objects and ranged from 2 × 10 4 to 4 × 10 4. When the coefficient of drag was plotted against the Reynolds numbers for each object a similarity between curves was found. The three most aerodynamic objects 4, 5, and 6 had the most similar drag curves.
Article
Full-text available
Aerodynamics is defined as the science of handling a fluid that is often the air interacting with a structure. When simulating the flow over airfoils, transition from laminar to turbulent flow plays an important role in determining the flow features and in quantifying the airfoil performance such as lift and drag. These fluidic flows are subjected to viscous stresses and inertia which produces disordered fluctuations, so turbulence affects the behavior of the aerodynamic flow as well as the structure interacting with the fluid in a range of high Reynolds, indeed, it is obliged to control these turbulent flows in this area in order to give a good design of the structure. Several models of turbulence have been developed to facilitate the calculation of characteristic quantities to optimize the simulation of turbulent flows in aerodynamics. In this paper, we carried out a validation of a numerical simulation of a 3D transonic flow over the ONERA M6 wing for which the numerical results, performed using ANSYS/FLUENT©, will be compared with experimental data and NASA CFD results consisting on the pressure coefficient (Cp) along the upper and lower wing surfaces. The flow was obtained by solving the steady-state governing equations of continuity and momentum conservation combined with one of five turbulence models (Spalart-Allmaras (S-A), standard k-ε, k-ε RNG, standard k-ω and k-ω SST) aiming to the validation of these models through the comparison of the predictions and the free field experimental measurements for the selected wing.
Article
Full-text available
In the past few decades, researchers are involved in the studies of high-energy penetrator geometry and also the materials used for causing brutal damages on enemy targets. The highly focused area in this field is the shape of the nose and penetration angle of the penetrator. Hybrid blend design target bullets is one among the best aerodynamic design as it is having two different shapes within the nose. The design of these bullets plays an influential role in terms of aerodynamic characteristics and its dynamic performance capability on hitting the targets. Objective of this research is to perform a comparative analysis of 3 different geometrically varied shapes of these bullets by numerical simulation using CFD, based on its performance characteristics such as aerodynamic co-efficients, shock wave existence, Turbulent dissipation rate and normal drag force on the bullet surface.
Article
Full-text available
Most commercial vehicles use brake calliper made of grey cast iron (GCI) which possesses heavy weight. This contributes to the total weight of the vehicle which can lead to higher fuel consumption. Another major problem is GCI calliper tends to deflect during clamping action, known as "bending of bridge". This will result in extended pedal travel. Magnesium metal matrix composites (Mg-MMC) has a potential application in the automotive industry since it having a lower density, higher strength and very good modulus of elasticity as compared to GCI. This paper proposed initial development of hybrid Mg-MMC brake calliper. This was achieved by analyzing the performance of hybrid nano-micro reinforced Mg-MMC and comparing with the conventional GCI brake calliper. It was performed using simulation in ANSYS, a finite element analysis (FEA) software. The results show that hybrid Mg-MMC has better performance in terms of reduction the weight of the brake calliper, reduction in total deformation/deflection and better ability to withstand equivalent elastic strain.
Article
Full-text available
We have investigated the use of the adjoint sensitivity formulation to design efficient passive control strategies aiming at reducing the drag coefficient of a slender bluntbased body with a straight rear cavity. In particular, two control techniques consisting in wake modifications generated by placing small control cylinders in the near wake and by geometry variations of the cavity respectively, have been evaluated numerically. Thus, we have computed the turbulent flow sensitivity of the drag coefficient to localized forcing for a two-dimensional body with a straight cavity at Re = ρU∞H/µ = 2000, where U∞ is the free-stream velocity, ρ and µ the fluid density and viscosity respectively and H the body height, showing that the highest values of sensitivity are obtained near the cavity edges. The effect of placing a pair of control cylinders around the most sensitive locations has been studied, obtaining a largest drag reduction of only 0.6%. Alternatively, a most efficient control strategy based on shape optimization has been thoroughly investigated. The drag shape sensitivity on the body surface (Othmer, 2014), computed using the former linear adjoint formulation, has been used in combination with a free-form deformation algorithm (Han et al., 2011), to guide the local structure deformations of the cavity, providing progressive drag reductions until the optimal, curved, shape is achieved. To deeply analyze the physical mechanisms behind the drag reduction provided by the optimal cavity, we have also performed more realistic three-dimensional numerical simulations using an IDDES model at two different Reynolds numbers, Re = 2000 and 20 000. The results corroborate the sensitivity analysis, obtaining a total drag reduction of 25.6% at Re = 2000 and 43.9% at Re = 20 000, with respect to the original body without cavity, and 21.7% at Re = 2000 and 29.6% at Re = 20 000 with respect to the body with a straight cavity. These reductions are mainly achieved by the inwards deflection of the flow upon detachment and a flow deceleration at the trailing edge due to an adverse pressure gradient introduced by the curved shape of the optimal cavity walls. Both combined effects reduce the size of the recirculation bubble formed behind the body, increasing the base pressure, and consequently, decreasing the drag. Furthermore, the addition of the optimized base cavity reduces the amplitude of the velocity fluctuations behind the body and stabilizes the wake, which becomes less chaotic and more two-dimensional.
Article
Full-text available
This paper deals with the optimization of bluff bodies and analysis of fluid flow behaviour around bodies using CFD. Three test cases of bluff bodies; mainly two-dimensional rectangular body, radial rectangular shape and bullet shaped body were considered in this paper. Their shapes were optimised to achieve aerodynamic body shape using drag coefficient as main criteria. The other aerodynamic characteristics like formation of different eddy loops due to eddy viscosity, lift force coefficient and pressure force with Mach number were also investigated. It is concluded that aerodynamically; bullet shaped body is best among all the cases.
Conference Paper
Full-text available
With rising fuel prices and decreasing fuel reserves, vehicles are being made more fuel efficient. Vehicle aerodynamics plays a crucial role in determining fuel consumption. This paper investigates the influence of passive flow control technique of imparting a dimpled body design in aerodynamic drag reduction by delaying flow separation and reducing the amount of wake region created behind the vehicle. For this, Ahmed bodies with 25° and 35° of slant angles have been used. Experiments were performed to compare the drag variations at various velocities when dimples of a fixed aspect ratio were imparted to the top surface of the Ahmed body behind the rear legs. For the 25° Ahmed body, the highest drag reduction of about 40% was obtained for the lowest flow velocity of 3m/s. Previous literature shows a sudden increase in drag force when the slant angle is increased beyond 30° .Hence tests were conducted on the Ahmed body with 35° slant angle with and without dimples. It revealed that the dimples had no effect in reducing its drag at low flow speeds. In fact, it was found that the dimpled body suffered an increased drag at higher velocities. Based on the studies conducted and by also taking the ease of fabrication into consideration, dimples were imparted on the super-mileage vehicle developed by us for ‘Shell Eco Marathon Asia 2015’. The dimpled design imparted an increase in fuel efficiency of about 7%. This paper thus serves to prove the aerodynamic as well as fuel efficiency advantage that the dimpled design imparts to a vehicle.
Article
Full-text available
The purpose of this study was to clarify grid convergence property of three-dimensional measurement-integrated (3D-MI) simulation for a flow behind a square cylinder with Karman vortex street. Measurement-integrated (MI) simulation is a kind of the observer in the dynamical system theory by using CFD scheme as a mathematical model of the system. In a former study, two-dimensional MI (2D-MI) simulation with a coarse grid system showed a fairly good result in comparison with a 2D ordinary (2D-O) simulation, but the results were degraded with grid refinement. In this study, 3D-MI simulation and three-dimensional ordinary (3D-O) simulation were performed with three grid systems of different grid resolutions, and their grid convergence properties were compared. As a result, all 3D-MI simulations reproduced the vortex shedding frequency identical to that of the experiment, and the flow fields obtained were very close, within 5% difference between the results, while the results of the 3D-O simulations showed variation of the solution under convergence. It is shown that the grid convergence property of 3D-MI simulation is monotonic and better than that of 3D-O simulation, whereas those of 2D-O and 2D-MI simulations for streamwise velocity fluctuation are divergent. The solution of 3D-MI simulation with a relatively coarse grid system properly reproduces the basic three-dimensional structure of the wake flow as well as the drag and lift coefficients.
Article
Full-text available
Dimples on the golf ball have significant effect on its aerodynamic properties as well as the flight trajectory. The aerodynamic of golf ball is still not fully understood in spite of a significant number of published data in the open literature. Most studies were conducted using the wind tunnel testing and Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation. This paper examines the aerodynamic effect of dimple depth on golf balls. 3D printing technology was used to manufacture 11 balls with varied dimple depth. RMIT Aero Wind Tunnel was used to measure the drag forces over a range of wind speeds. It was found that the drag coefficient of golf ball varied significantly due to varied dimple geometry. The results indicate that the increase of the dimple depth ratio or surface roughness of the golf ball can shift the transition to a lower Reynolds number and increase the drag coefficient in transcritical regime. The results also established a positive linear correlation between relative roughness and drag coefficient.