Theses supervised by Prof. Dr. Haşmet Türkoğlu
12 theses · Gazi University, Çankaya University
Serpantin kanallı PEM yakıt hücresinin sayısal analizi
Günümüzde sağlık ve çevresel kaygıların yanı sıra enerji ihtiyacının artışı ve enerji kaynaklarının sınırlı olması, enerji üretimi için daha verimli, daha temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarıyla uyumlu yeni nesil enerji teknolojileri için araştırmalar başlatmıştır. Yakıt hücrelerinin yüksek verimlilik, yüksek akım yoğunluğu, düşük emisyon değerlerine sahip olmaları ve sessiz çalışmaları nedeniyle en umut verici enerji dönüştürme teknolojisi olduğu düşünülmektedir.Bu çalışmada serpantin kanallı PEM yakıt hücresi tek fazlı, izotermal olmayan, kararlı halde ve üç-boyutlu olarak analiz edilmiştir. PEM yakıt hücresi, anot ve katot tarafı için gaz kanalı, akım toplayıcı plaka, gaz difüzyon tabakası, katalizör tabakası ve membran tabakasını içeren dokuz tabakadan oluşmaktadır. Simülasyonlar için ANSYS FLUENT 12.1 paket programı kullanılmıştır. Simülasyonlar iki aşamada gerçekleştirilmiştir. Birinci aşamada farklı gaz kanalı genişlikleri ve membran kalınlıkları için simülasyonlar yapılmıştır. Uygun gaz kanalı genişliği ve membran kalınlığı belirlendikten sonra anot giriş nemliliği, reaktan gaz giriş sıcaklığı, çalışma basıncı ve gaz giriş yönü gibi işletme parametrelerinin yakıt hücresi performansı üzerine etkileri incelenmiştir. Bu parametrik çalışmalardan elde edilen sonuçlar polarizasyon eğrileri üzerinde gösterilmiş olup, analiz sonuçları sıcaklık, basınç, akım yoğunluğu, hız ve konsantrasyon dağılımları (H2, O2 ve H2O kütle kesirleri) grafikler ile sunulmuştur. Analiz sonuçları literatürdeki benzer çalışmalar ile karşılaştırılmıştır. Simülasyonlar gaz kanalı genişliği, anot giriş nemliliği, reaktan gaz giriş sıcaklığı ve çalışma basıncındaki bir artışın hücre performansını artırdığını göstermiştir. Aynı zamanda anot gazları ve katot gazları akışının zıt yönde olması hücre performansı üzerinde olumlu etkiye sahiptir. Buna karşın membran kalınlığının artışı hücre performansının azalmasına neden olmaktadır.Anahtar Kelimeler : PEM yakıt hücresi, sayısal akışkanlar dinamiği, serpantin kanal
Dairesel osilasyonlu çarpan jet akış ve ısı transferi karakteristiklerinin sayısal olarak incelenmesi
Bu çalışmanın amacı, dairesel bir lüleden çıkıp pürüzsüz bir yüzeye çarpan salınımlı hava jetinin, akış ve ısı transferi karakteristiklerinin, Reynolds sayısı, salınım genliği ve salınım frekansı gibi parametrelerden nasıl etkilendiğini sayısal olarak incelemektir. Bu sayısal çalışmayı yapmak için, kontrol hacmi formülasyonu ve SIMPLE algoritmasına dayanan bir bilgisayar programı geliştirilmiştir. Simülasyonlar, Reynolds sayısı 300, 500 ve 700, salınım genliği 0,0v0~0,8v0 aralığındaki değerler, ve salınım frekansı 1~6 Hz için yapılmıştır. Bütün simulasyonlarda lüle çıkışındahızv_in=v_0+Av_0 ?(t) basamak fonksiyonuna uygun, ve periyodik olarak değiştirilmiştir. Simülasyonlar sonunda elde edilen sıcaklık dağılımı kullanılarak, hedef yüzey üzerindeki anlık yerel Nusselt sayısı, anlık durma noktası Nusselt sayısı ve periyot boyunca zaman ortalama durma noktası Nusselt sayısı hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar, Reynolds sayısı arttıkça Nusselt sayısının arttığını göstermiştir. İncelenen parametre değerleri aralığında, salınım genliği ve frekansının, düşük Reynolds sayılarında, nusselt sayısı üzerine olan etkisinin belirgin bir trendi gözlenememiştir. Reynolds sayısı 700 için yapılan simülasyonlar, Reynolds sayısının bu değerinde salınım genliği ve frekansının, Nusselt sayısını artırdığı gözlenmiştir.
İçerisinde ısıtıcı bloklar bulunan bir kanalda, osilasyonlu akışın ve ısı transferinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi
Bu çalışmada, duvarlarından birinde ısı yayan bloklar bulunan bir kanal içindeki akış ve ısı transferi ele alınmıştır. Akışkan olarak kullanılan havanın kanal girişindeki hızı, zamana bağlı sinüs eğrisi şeklinde periyodik olarak değiştirilmiştir. Deneysel ve sayısal çalışmalar yapılarak, osilasyonun kanal içindeki akış yapısına ve ısı transferine etkisi incelenmiştir. Problem iki boyutlu ve zamana bağlı olarak formüle edilerek, sayısal çalışmalar laminer ve türbülanslı akışlar için gerçekleştirilmiştir. Bloklarda hacimsel ısı üretimi olduğu varsayılmıştır. Sayısal analizlerin gerçekleştirilebilmesi için kontrol hacmi yaklaşımına ve SIMPLE algoritmasına dayanan bir bilgisayar programı geliştirilmiştir. Türbülansın modellenmesi için k-? türbülans modeli kullanılmıştır. Konveksiyon terimlerinin diskritizasyonu için hybrid metot kullanılmıştır. Zamana bağımlı terimler ise tam implicit metot kullanılarak diskiritize edilmiştir. Cebirsel denklemlerin çözümü için ise Gauss-Seidel iterasyon tekniği kullanılmıştır. Geliştirilen program yardımıyla, çözüm alanı içersindeki hız ve sıcaklık dağılımı belirlenmiştir. Elde edilen sıcaklık dağılımı kullanılarak, blok yüzeylerindeki anlık yerel, anlık alan ortalama ve alan ve zaman ortalama Nusselt sayıları hesaplanmıştır.Deneysel çalışmalar için, bir deney düzeneği kurulmuş ve osilasyonlu akış durumu için deneysel veriler elde edilmiştir. Kanal ve blok geometrik boyutları sabit tutularak, Reynolds sayısının 250, 500, 750, 1000, 10000, 20000, 30000 ve 40000 değerleri, giriş hızı genliğinin 0.0Uo, 0.2Uo, 0.4Uo, 0.6Uo ve 0.8Uo değerleri ve frekansın 1, 2, 3, 4, 5 ve 6 Hz değerleri için analizler yapılmıştır. Bloklardan hacimsel ısı üretim değeri 0.025, 0.050, 0.075, 0.25, 0.50, 1.0 ve 1.5 W/cm3 olarak dikkate alınmıştır. Deneysel ve sayısal sonuçların ışığında, kanal içindeki akışın Reynolds sayısının, bloklarda gerçekleşen ısı üretiminin ve akışkan giriş hızının salınım genliğinin ve frekansının, akış ve ısı transferine etkileri analiz edilerek, aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir.Blok yüzey sıcaklığı birinci blokta en küçük değerde iken, akış yönünde ilerledikçe (blok numarasının artışıyla) artmaktadır. Benzer olarak, blok Nusselt sayısı birinci blokta en büyük değerde iken, blok numarasının artışıyla azalmaktadır. Reynolds sayısının artması ile, kanal boyunca tüm bloklarda yüzey sıcaklığı azalmakta, Nusselt sayısının değeri ise artmaktadır. Bloklarda üretilen ısının artması ile, blok yüzey sıcaklıkları artmakta, Nusselt sayısının değeri ise bu artıştan etkilenmemektedir. Laminer durumda, giriş hızı salınım genliği ve frekansının artmasıyla, tüm bloklarda sıcaklık azalmakta, Nusselt sayısı ise artmaktadır. Türbülanslı durumda, salınım frekansı 3Hz, Reynolds sayısı 20000 ve 30000 için kritik değerdir. Salınım frekansının 3 Hz'den daha küçük değerlerinde, blok sıcaklığı azalış eğilimine girmekte, 3 Hz'den daha büyük değerlerinde ise artış eğilimine girmektedir. Benzer olarak, salınım frekansının 3 Hz'den küçük değerlerinde, Nusselt sayısı artış eğilimine girmekte, 3 Hz'den büyük değerlerinde ise azalış eğilimine girmektedir. Reynolds sayısı 40000'de kritik frekans yaklaşık 5 Hz'dir. Salınım genliğinin artırılması, salınım frekansının değeri kritik noktadan küçük ise, zaman ve alan ortalama Nusselt sayısının değerini artırmakta, salınım frekansı kritik noktadan büyük değerde ise azaltmaktadır.
Proton değişimli membran (PEM) yakıt hücresinin sayısal olarak incelenmesi
Bu çalışmada yakıt hücrelerinin önemi ve çeşitleri sunulmuş, ardından PEM yakıt hücresinde gerçekleşen temel elektro-kimyasal reaksiyonlar, akış, ısı transferi, kütle transferi olayları matematiksel olarak modellenmiştir. Elektro-kimyasal denklemlerin çözümü için MATLAB ortamında bir program geliştirilmiştir. Bu program kullanılarak, sıcaklık ve basıncın hücre verimine etkisi analiz edilmiştir. Daha sonra kütle, momentum ve ısı aktarımı denklemlerinin çözümü için FLUENT hesaplamalı akışkanlar dinamiği programından faydalanılmıştır. FLUENT ortamında sıcaklık, basınç ve gaz difüzyon tabakası (GDL) gözenekliliğinin etkisi incelenmiş ve elde edilen sonuçlar literatürdeki benzer çalışmaların sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Yine bu program yardımıyla oksijen, hidrojen, su buharı konsantrasyon dağılımları, akım yoğunluğu şiddeti, elektriksel potansiyel, sıcaklık, hız ve basıncın hücresel dağılımı simüle edilmiştir. Çalışmalar ile sıcaklık, basınç ve GDL gözenekliliğindeki artışın hücre gerilimini ve akım yoğunluğunu artırdığı görülmüştür.
Binalarda TS 825 hesap yöntemine göre ısı kaybı, yakıt tüketimi, karbondioksit emisyonu hesabı ve maliyet analizi
Isıtma maliyetleri ve ısıtma kaynaklı çevre kirliliğinin azaltılmasına daha az enerji tüketen yalıtımlı binaların önemli katkısı olabilir. Bu çalışmada ülkemizin en yaygın kurumu olan okulların yalıtımlı ve yalıtımsız olması durumunda; ısı kaybı, yakıt tüketimi ve tüketilen yakıtın yanması sonucu atmosfere salınan karbondioksit miktarları dört farklı ısı yalıtım bölgesi ve üç farklı yakıt türü için incelenmiştir. Yaşam döngüsü maliyet analizi yöntemine göre ekonomik analiz yapılarak, farklı yalıtımlar birbiriyle kıyaslanmıştır. Daha sonra ısı yalıtım bölgelerinde optimum yalıtım kalınlıkları hesaplanmış, TS 825 hesap yöntemine göre belirlenen yalıtım kalınlıkları ile karşılaştırılmıştır.Yaşam döngüsü maliyet analizi yöntemine göre yapılan ekonomik analiz, tüm ısı yalıtım bölgelerinde yalıtımlı bir binanın yalıtımsız duruma göre daha ekonomik olduğunu, yakıt tüketimi ve ısıtma kaynaklı çevre kirliliğinin azaltılabileceğini göstermiştir.TS 825 hesap yöntemine göre hesaplanan ısı yalıtım kalınlıklarının, ısı yalıtım bölgeleri için hesaplanan optimum ısı yalıtım kalınlıklarından daha yüksek olduğu belirlenmiştir. En yüksek yalıtım kalınlığı dördüncü ısı yalıtım bölgesinde mineral yün (cam yünü) kullanıldığında, en düşük yalıtım kalınlığı ise birinci ısı yalıtım bölgesinde ekspande polistiren köpük ve ekstrüde polistiren köpük yalıtım malzemeleri kullanıldığında elde edilmiştir.Maliyet açısından en avantajlı ısı yalıtım malzemesi ekspande polistiren köpük, ikinci en avantajlı ısı yalıtım malzemesi ise ekstrüde polistiren köpük olarak belirlenmiştir. Tüm bölgelerde en ucuz yakıt linyit kömürü, ikinci en ucuz yakıt ise doğalgazdır. Çevre kirliliği açısından en az karbondioksit emisyonu doğalgaz kullanıldığında ortaya çıkmıştır. Çevreyi en fazla kirleten yakıtın ise linyit kömürü olduğu belirlenmiştir.
Proton değiştirici membran yakıt hücrelerinin katot tarafındaki akış ve hücre performansının sayısal olarak incelenmesi
Bu çalışmada bir PEM yakıt hücresinin katot tarafındaki akışkan akışı ve konsantrasyon dağılımı sayısal olarak incelenmiştir. İnceleme alanı, katot gaz akış kanalı, katot gaz difüzyon tabakası ve katot katalizör tabakasını içermektedir. Problemin temel denklemleri olan süreklilik, momentum ve konsantrasyon denklemleri kontrol hacim metoduyla ayrıklaştırılarak ve SIMPLE algoritması kullanılarak geliştirilen bir bilgisayar programı ile çözülmüştür. Geliştirilen programın doğruluğunu denemek için, düz kanal, tabanı gözenekli kanal ve PEM yakıt hücresinin katot tarafındaki akışlar simüle edilerek sonuçları, literatür sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Gaz difüzyon tabakası gözeneklilik değeri, Reynolds sayısı, işletme sıcaklığının ve hücre geriliminin farklı değerleri için simülasyonlar yapılarak bu parametrelerin akışa, konsantrasyon ve akım yoğunluğu dağılımına etkileri incelenmiştir. Yapılan çalışma sonucunda, gaz difüzyon tabakasının gözeneklilik değerinin ve Reynolds sayısının artması ile akım yoğunluğunun, güç yoğunluğunun ve katalizör tabakasındaki oksijen konsantrasyonunun arttığı belirlenmiştir. Gerçekleştirilen simülasyonlarsonucu elde edilen verilere göre, hücre işletme sıcaklığının artması ile akım yoğunluğu ve güç yoğunluğunun arttığı ancak katalizör tabakasındaki oksijen konsantrasyonunun azaldığı belirlenmiştir.Anahtar Kelimeler : PEM yakıt hücresi, gözenekli ortam, konsantrasyondağılımı, sayısal akışkanlar dinamiği
Bir odanın doğal havalandırılmasının sayısal analizi
Sosyal gelişmelere bağlı olarak konfor şartları da sürekli olarak artmaktadır. Bina içinde konfor seviyesi ya bir iklimlendirme sistemi kurularak ya da doğal yollarla sağlanabilmektedir. Bir iklimlendirme sistemi kurulması durumunda, hem ilk yatırım maliyeti hem de işletme maliyeti artmaktadır. Bu sebeplerden dolayı doğal havalandırma önemli bir alternatif olarak ortaya çıkmaktadır. Doğal havalandırma uygulamaları son yıllarda artış göstermiştir. Bu çalışmada, bir odanın doğal havalandırması sayısal olarak incelenmiştir. Oda içindeki hava hareketi, sıcaklık dağılımı, hava içindeki kirletici gazın (karbondioksit) konsantrasyonu dağılımı değişik pencere konumları ve rüzgâr hızı için sayısal olarak simüle edilmiştir. Bunun için problemin temel denklemleri olan süreklilik, momentum, enerji ve konsantrasyon denklemi zamana bağlı olarak FLUENT paket programı kullanılarak çözülmüştür. Türbülans realizable k- ? modeli kullanılarak modellenmiştir. Simülasyonlar yaz ve kış şatları havalandırması için değişik pencere konumları için farklı rüzgar hızlarında (0, 1,0 ve 1,5 m/s) yapılmıştır. Yaz şartları için yapılan analizlerde, yazın günün serin vakitlerinde birim zamanda ne kadar ısının doğal havalandırma yoluyla dışarıya atılabileceğinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Kış şartları için yapılan analizlerde, bir oda içindeki kirli havanın doğal havalandırma yoluyla ne kadar zaman içinde dışarıya atılabileceğinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Simülasyon sonuçları, örnek alınan odanın içindeki karbondioksit konsantrasyonunun kabul edilebilir seviyeler düşmesi rüzgâr hızına ve pencere konumlarına bağlı olmakla birlikte, yaklaşık ilk 60 saniye içerisinde oda içindeki karbondioksit konsantrasyonunun %90 azaldığını göstermiştir.
İçinde enine kanatçıklar bulunan kapalı hacimlerde ısı transferi ve akışın sayısal analizi
Bu çalısmada yan duvarlara monte edilmis enine bölmeler bulunan kapalı bir hacim içindeki dogal konveksiyon ısı transferinin sayısal analizi yapılmıstır. ki yan duvar birbirlerinden farklı sabit sıcaklıklarda tutulurken, alt ve üst duvarlar yalıtılmıstır. Problemi sayısal olarak çözmek için, diferansiyel denklemler, sonlu kontrol hacimlerinde integre edilerek cebirsel denklemlere dönüstürülmüstür. Cebirsel denklemlerin çözümü için, SIMPLE algoritması esas alınarak bir bilgisayar programı gelistirilmistir. Diferansiyel denklemlerin çözümünden elde edilen hız ve sıcaklık dagılımları kullanılarak, bölme uzunlugunun, bölme sayısının ve bölmelerin ısı iletim katsayısının, akıskan hareketi ve ısı transferi üzerindeki etkisi arastırılmıstır. Analizler sonucunda ortalama Nusselt sayısının, Rayleigh sayısı, bölme sayısı, bölmelerin ısı iletim katsayısı ve bölme uzunluguna baglı olarak degistigi görülmüstür. Bölme ısı iletim katsayısının ve / veya Rayleigh sayısının artısıyla, ısı aktarımı sürekli artmıstır. Anahtar Kelimeler : Isı geçisi, dogal tasınım, kapalı hacimler
Lüle-hedef yüzey arası uzaklığın çarpan jet akış ve ısı transferi karakteristiklerine etkisinin sayısal olarak incelenmesi
Bu çalısmada, bir hava jeti incelenmistir. Birbirine paralel olarak duran, iki yatay levhadan üst levhanın ortasında bulunan bir lüleden çıkan hava jeti alt levhaya çarptırılmıstır. Çalısmada sıcak yüzeye çarpan jetin akıs ve ısı transferi karakteristikleri sayısal olarak incelenmistir. Problemin temel denklemleri kontrol hacmi metodu ve SIMPLE algoritması kullanılarak gelistirilen bir bilgisayar programı ile sayısal olarak çözülmüstür. Alt levha sabit sıcaklıkta tutularak ve üst levha yalıtılarak, Reynolds sayısının 250, 400, 500 ve 650 degerleri için simülasyonlar yapılmıstır. Lüle-alt levha arasındaki mesafenin lüle genisligine oranı H/W=0,5, 1, 1,5, 2, 3,5 ve 5 degerleri için simülasyonlar gerçeklestirilmistir. Yapılan çalısmada, bütün Reynolds sayılarında, akıskan ile sıcak alt levha arasındaki maksimum ısı transferi, jetin durma noktasında gerçeklesmistir. Ayrıca, Nusselt sayısı; Reynolds sayısı arttıkça veya lüle ile levha arasındaki mesafe azaldıkça artmaktadır. Lüle ile levha arasındaki mesafe H/W=0.5'den 2'ye kadar arttıkça Nusselt sayısı hızlı bir sekilde azalmaktadır. Ancak, H/W'nun 2'den büyük degerlerinde, incelenen Reynolds sayısı aralıgında Nusselt sayısı yaklasık olarak sabit kalmaktadır. Anahtar Kelimeler: Çarpan jet, ısı transferi, Nusselt sayısı
Design, analysis and testing of centrifugal circulation pump with casing manufactured by plastic injection technique
Since the current sand-casting technique is not suitable for the mass production of small-sized pumps, the composite-plastic pump casing designed for plastic injection molding constitutes an important part of this study. The designed pump casing has been optimized based on manufacturability, hydraulic efficiency, cost-effectiveness, weight, and suitability for mass production. In this thesis study, a low-capacity circulation pump casing was designed, manufactured using a 3D printer, and tested. Various design criteria were defined and applied to different geometries to determine the most optimal and efficient design. Numerical analyses were performed using the ANSYS-CFX software (version 2021 R2) to optimize hydraulic efficiency and mechanical stress distribution. A test system was developed to validate the designs. All prototypes were tested step by step and compared with each other, and the most suitable design was determined in terms of efficiency and manufacturability.
Numerical analysis of nano-fluid flow and heat transfer in ducts
In this study, turbulent nanofluid flow and heat transfer in a square duct with constant heat flux at the top and bottom surfaces and insulated front a back faces were investigated numerically. Fluent was used for the numerical solution of the governing equations of the problem. To model the turbulence, realizable k-model is used. The finite volume method (FVM) was used to discretize the continuity, momentum and energy equations. Three different types of nanoparticles Al2O3, ZnO, and CuO with different diameters (30, 29, 29 nm) at different volume fractions (in the range of 1% to 4%) were considered. Effects of these parameters on heat transfer rate and flow characteristics in the Reynolds numbers range of 10000 to 35000 were studied. The results of the simulations show a good agreement with the existing experimental correlations. The numerical results show that Al2O3-water has the highest Nusselt number compared to other nanofluids considered while it has the lowest heat transfer coefficient due to low thermal conductivity. It was observed that the Nusselt number increases with the increase in the Reynolds number and the volume fraction of nanoparticles.
Numerical and experimental investigation of effects of porous layer on cooling of electronic components
In this thesis, heat transfer and fluid flow characteristics over an electronic component covered with a porous medium were investigated both experimentally and numerically. For these purposes, an experimental setup was developed and constructed, and a computer program was developed using the OpenFOAM platform. The electronic component considered was modelled by a heat dissipating block made from brass. The heat dissipating block was made in the same dimensions as a real graphic processing unit (GPU). The top surface of the block was covered by a porous layer made from aluminum. To study the heat transfer from the block under different flow conditions, it was placed in a rectangular channel. To compare the role of the porous layer on cooling of the electronic components, both experimental and numerical studies were also conducted for the block without porous layer. The problem was assumed to be three dimensional, turbulent and steady. In the experimental studies, the temperature distribution in the heat dissipating block was measured at different Reynolds numbers (20000