In this thesis study, the ablation of graphitic materials is modeled and two different analysis tools are developed. In the first model, the computations are conducted with a decoupled approach. Secondly, a more generalized calculation method is introduced via coupling the flow field and solid conduction analysis codes. In the modeling studies, both the gas and solid domains are assumed to be axisymmetric and the physical domains are discretized with structured finite volume cells. For the flow field analyses, Godunov type approximate Riemann solvers are used for the convective flux calculations and the gradient terms of the viscous fluxes are calculated with the help of grid transformation metrics. Mass diffusion terms are included in the Navier-Stokes equations. Baldwin-Lomax, Baldwin-Barth and Spalart-Allmaras turbulence models are implemented and the results are compared for the coupled approach. A linear solver is developed for the computation of gas phase chemical reaction source terms. The effects of the solid thermal properties with temperature are not neglected in the computations. The models are tested for hypersonic air and Solid Rocket Motor (SRM) nozzle flow conditions. Wall equilibrium is assumed for graphite in air problem and an implicit solver is developed for the calculation of surface species mass fractions rather than using previously prepared lookup tables. Both equilibrium and finite rate surface thermochemistry approaches are tested for the internal flows of the SRM nozzles.

Bu tez çalışmasında, karbon bazlı malzemelerin aşınması modellenmiş ve iki farklı hesaplama aracı geliştirilmiştir. İlk modelleme çalışmasında hesaplamalar bütünleşik olmayan bir yaklaşımla yürütülmüştür. Sonrasında, akış ve katıda ısı iletimi kodlarının bütünleştirilmesiyle daha genelleştirilmiş bir hesaplama yöntemi ortaya konmuştur. Modelleme çalışmalarında hem akış hem de katı bölgelerin eksenel simetrik olduğu varsayılmış ve fiziksel bölgeler yapısal sonlu hacimlerin kullanılmasıyla ayrıklaştırılmıştır. Akış çözümlerinde viskoz olmayan akı hesaplamaları için Godunov tipi yaklaşık Riemann çözücüler kullanılmış, viskoz akı terimlerinin hesaplanmasında ise ağ dönüşüm metriklerinden faydalanılmıştır. Navier-Stokes denklemlerine kütle difüzyonu terimleri dahil edilmiştir. Akış hesaplamalarında Baldwin-Lomax, Baldwin-Barth ve Spalart-Allmaras türbülans modelleri kullanılmıştır ve sonuçlar bu üç model için karşılaştırılmıştır. Gaz fazı kimyasal tepkimelerinin kaynak terimlerinin hesaplanabilmesi için yeni bir çözücü geliştirilmiştir. Katı bölgede ısı iletimi hesaplamalarında malzemenin termal özelliklerinin sıcaklıkla değişimi ihmal edilmemiştir. Modeller, hipersonik hava akışı ve katı yakıtlı roket motorlarının lülelerindeki iç akış şartları için test edilmiştir. Grafitin hava içerisinde aşınması problemi için duvarda kimyasal denge varsayımı yapılmış ve duvar türlerinin kütle oranlarının hesaplanabilmesi amacıyla kapalı formülasyon kullanan bir çözücü geliştirilmiştir. Bu problemin kimyasal denge hesaplamalarında önceden hazırlanmış interpolasyon tabloları kullanılmamıştır. Katı yakıtlı roket motorlarının lülelerindeki iç akış problemleri için, aşınan duvarda hem kimyasal denge hem de sonlu hızlı yüzey termokimyası yaklaşımları test edilmiştir.