öz HİBRİD ROKET MOTORLARI İÇİN GERİLEME HIZI ÖLÇÜLMESİ VE BENZETİMİ VE BİR TASARIM KODUNUN GELİŞTİRİLMESİ SERİN, Nadir Doktora, Havacılık Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Prof. Dr. A. Yalçın GÖĞÜS Mart 2001, 211 sayfa Hibrid roket motorlarının katı yakıt gerileme hızı deneysel olarak ve sayısal bir metodla araştırılmıştır. Ölçümler, gerçek zaman pals-eko ultrasonik tekniği ve gerçek zaman X-ray radyografi teknikleri ile gerçekleştirilmiştir. Detaylı bir veritabanı oluşturulmuş ve bir gerileme hızı modeli geliştirilmiştir. Ultrasonik ve X-ray radyografi ölçümlerinin basınç düzeltimi için yeni bir metod geliştirilmiştir. Ölçümler, Pennsylvania State Üniversitesi Yüksek Basınç Yanma Laboratuvarı'nda yapılmıştır. Test düzeneğinin yanma odası, gerileme hızım etkileyen önemli mekanizmaları anlamak için ticari bir Navier-Stokes bilgisiyar kodu olan CFD- ACE kullanılarak benzetilmiştir. İki problem çözülerek kodun geçerliliği sulanmıştır. Ardından hibrid roket motoru benzetimi türbülanslı aerodinamik, gaz haldeki kimyasal kinetik ve ısı geçişi etkilerini içeren CFD-ACE kullanılarak yapılmıştır. Yerel gerileme hızı, yüzey sıcaklığı ve yakıt besleme hızını CFD-ACE ile etkileşimli olarak hesaplamak amacıyla REGRESS programı yazılmıştır. Elde edilen gerileme hızlan, teorik ve deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Toplam gerileme hızı ölçümlerine göre kabul edilebilir uyumluluk gözlemlenmiştir. Bugünkü hibrid yanma teorilerinin zayıflıkları bulunmuştur. Bu çalışmadaki önemli bir katkı, yeni bir hibrid roket motoru tasarım çözücüsü olan EULEC'in geliştirilmesidir. Bu çözücü, süreksiz, yaklaşık birboyutlu, denge yanma, Runge-Kutta yöntemi, açık, Euler çözücüsüdür. EULEC ile hesaplanmış toplam gerileme hızı ölçümlerle karşılaştırılmış ve iyi uyumluluk elde edilmiştir. EULEC ile akış özellikleri ve ürün kütle derişimleri için, CFD- ACE'inkilere yakın sonuçlar elde edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Hibrdi Roket Motoru, HTPB Yakıtı, Gerileme Hızı, Yanma Kararsızlığı, Ultrasonik Ölçüm, X-Ray Radyografi, İnce Telli Isıl-çift, Navier- Stokes Çözücü, Düzlem Yakıcı, Konjuge Isı Geçişi,, Runge-Kutta. vı ABSTRACT MEASUREMENT AND SIMULATION OF REGRESSION RATE AND DEVELOPMENT OF A DESIGN CODE FOR HYBRID ROCKET MOTORS SERÎN, Nadir Ph.D., Department of Aeronautical Engineering Supervisor: Prof. Dr. A. Yalçın GÖ?ÜS March 200 1,211 pages Solid fuel regression rate of hybrid rocket motors was investigated both experimentally and numerically. The measurements were carried out by the real time pulse-echo ultrasonic technique and the real-time X-ray radiography technique. A detailed database was generated and a regression rate model was developed. A new method was developed for pressure correction of ultrasonic and X-ray radiography measurements. The measurements were performed at the High Pressure Combustion Laboratory of The Pennsylvania State University. The combustion chamber of the test set-up was simulated using the commercial Navier-Stokes computer code CFD-ACE, in order to understand the important mechanisms affecting the regression rate. The code was validated by solving two problems. The hybrid rocket motor analog was simulated using CFD- ACE taking into account turbulent aerodynamics, gaseous phase chemical kinetics and heat transfer effects. A program, REGRESS, was written in order to compute the local regression rate, surface temperature and fuel injection velocity interactively with CFD-ACE. The evaluated regression rates were compared with theoretical and experimental results and good agreement was observed in mcomparison to global regression rate measurements. The weaknesses of the present hybrid combustion theories were found. One important contribution of the present study is the development of a new computer code, EULEC, for hybrid rocket motor design. EULEC is a quasi one-dimensional, equilibrium combustion, Runge-Kutta scheme, explicit, Euler solver. The computed global regression rate of EULEC was compared with measurements and good agreement was obtained. The results attained with EULEC for flow properties and species mass concentrations are close to those of CFD- ACE. Keywords: Hybrid Rocket Motor, HTPB Fuel, Regression Rate, Combustion Instability, Ultrasonic Measurement, X-Ray Radiography, Fine- Wire Thermocouple, Navier-Stokes Solver, Flat-Flame Burner, Heat Transfer, Runge- Kutta. IV 211