Sayısal akışkanlar dinamiği
Bu konu başlığı altında 106 tez
Silindir üzerindeki laminer ve türbülanslı akışın kontrolsüz ve kontrollü had analizleri
Küt bir cisme etkiyen dış akış, cismin arkasında girdaplar oluşturarak karmaşık ve zamana göre değişen bir davranış sergiler. Silindir üzerindeki akıştaki düzensizlikler hem laminer, hem de türbülanslı akış rejimlerinde karşımıza çıkmaktadır. Bu salınımı sönümleyebilmek veya akışın silindir üzerindeki etkilerini azaltabilmek için bir kontrol stratejisi geliştirmek mümkündür.Akış kontrolünün temel amacı, akışın temas ettiği cisimlerde neden olduğu sürüklemenin ve zamana göre değişen kuvvetlerin azaltılmasını sağlamaktır. Bu çalışmada, iki-boyutlu dairesel bir silindir üzerindeki zamana bağlı laminer ve türbülanslı akış ve bu akışların silindir üzerindeki muhtelif deliklerden hava üfleme yöntemi ile kontrol edilmesi incelenmektedir.Yapılan HAD analizlerinde laminer ve türbülanslı akış koşulları kullanılarak çözümler yapılmıştır. Türbülanslı akış analizlerinde Zamana-bağlı Reynolds-Ortalamalı Navier-Stokes (URANS) denklemleri çözülmüş ve türbülans modeli olarak Spalart-Allmaras türbülans modeli kullanılmıştır. HAD analizlerinin sonuçları literatürde yer alan Strouhal sayısı, zaman-ortalamalı sürükleme katsayısı ve basınç katsayısı dağılımı ile doğrulanmıştır.Dört adet delikten akış hızının %50'si büyüklüğünde bir hızla hava üflenmesi, sürükleme kuvvetinin kontrolsüz duruma göre laminer akışta %8.6, türbülanslı akışta ise %23.3 oranında azalmasını sağlamıştır. Ayrıca, iki-boyutlu akış simülasyonlarının doğruluğunu incelemek için silindir üzerindeki türbülanslı akışın kontrolsüz analizi üç-boyutlu olarak da gerçekleştirilmiş ve sonuçlar iki-boyutlu analiz ile karşılaştırılmıştır.
Ön-film oluşumlu, hava parçalamalı atomizere sahip bir yanma odasının sprey ve yanma karakteristiklerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile incelenmesi
Bu tez çalışmasında, insansız hava araçlarında kullanılacak olan küçük boyutlardaki bir turbojet motorun ön-film oluşumlu hava parçalamalı atomizere sahip yanma odası içerisindeki çift fazlı ve reaksiyonlu akış, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi ile analiz edilmiştir. Analiz edilen yanma odasının geometrisi, literatürde yer alan tasarım kriterleri çerçevesinde, bir boyutlu metodolojiler ve izotermal HAD simülasyonları ile oluşturulmuştur. Hava parçalamalı atomizerde oluşan spreyin karakteristikleri, atomizer içerisindeki çift fazlı akışın reaksiyonsuz HAD simülasyonları gerçekleştirilerek incelenmiştir. Sprey simülasyonlarında elde edilen damlacık çap ve hız değerleri, reaksiyonlu HAD simülasyonlarına sınır şart olarak girilmiştir. Reaksiyonlu simülasyonlarda, akışın türbülans ve yanma karakteristikleri, Realizable k-? ve Hibrit Eddy Break Up modelleriyle ele alınmış; bu modellerin ve HAD analizleri için kullanılan Star-CCM+ yazılımının güvenilirliği, bir türbülanslı yanma problemi olan Sandia Flame D deneyinin simülasyonları gerçekleştirilerek, kanıtlanmıştır. Hava parçalamalı atomizerde oluşan sıvı damlacıkların akışı ise Lagrange yaklaşımıyla hesaplanmıştır. Sprey simülasyonlarında, basınç atomizeri çıkışındaki birincil parçalanma, damlacıkların atomizer duvarına çarpması sonucu sıvı film oluşumu, duvar üzerinde oluşan sıvı filmin gaz fazı ile etkileşimi sonucu parçalanması ve gaz fazının yarattığı aerodinamik etkiler sebebiyle gerçekleşen ikincil damlacık parçalanması gibi olgular modellenmiş; sonuç olarak hava parçalamalı atomizerin ortalama 20 ?m çapında ve 15 m/s eksenel hıza sahip damlacıklar oluşturduğu görülmüştür. Reaksiyonlu simülasyonlar ile birlikte, yanma odası içerisindeki sıcaklık ve yakıt denge katsayısı dağılımı hesaplanmış; sonuç olarak, yanma verimi %97.4, RTDF değeri %16, OTDF değeri %28 ve toplam basınç kaybı %4.9 olarak bulunmuştur.
Üç boyutlu türbülanslı bir DMD içten yanmalı motorun yanma karakteristiklerinin incelenmesi
İçten Yanmalı Motor çalışmalarında, yanma konseptlerinin iyileştirilmesi ve buna paralel olarak kimyasal emisyonların düşürülmesi en önemli araştırma konularını oluşturmaktadır. Bu araştırmaların en önemli bölümünü sıfır emisyonlara sahip motorların geliştirilmesi olarak nitelendirilebilir. Dünya çapında otoritelerin koydukları emisyon standartları, otomobil firmalarını emisyon seviyelerini düşürmeleri konusunda zorlamaktadır. Bu standartlar ise otomobil firmalarına ek maliyetler olarak yansımaktadır. Yanma sonrası egzoz emisyonlarını azaltmanın getirdiği ek maliyetleri azaltmak için daha iyi yanma konseptlerinin geliştirilmesi gerekmektedir. Piston geometrisinin değiştirilmesi ile yakıt püskürtme de bu konseptler içinde değerlendirilebilir. Mevcut tez çalışması kapsamında, Doğu Motor Arge tarafından tasarlanan konsept motor incelenmiş, turbo beslemeli direkt yakıt püskürtmeli bir dizel motorda piston geometrisi değiştirilerek HAD, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği, ile türbülanslı yanma analizleri yapılmıştır. Bilindiği üzere dizel motorlarda yakıt püskürtme basıncı günümüz direkt püskürtmeli motorlarda 2000 bar civarındadır. Yapılan çalışma kapsamında ilk önemli amaç püskürtme basıncının 800 bara düşürülerek yanma verimi üzerindeki etkilerinin incelenmesidir. İkinci olarak yanma veriminin iyileştirilmesi için piston kasesinin geometrisi değiştirilmiştir. Ayrıca tez kapsamında çeşitli püskürtme koni açıları ve püskürtme başlangıç zamanları değiştirilerek parametrik çalışmalar yapılmıştır.
Ağır vasıta bir diesel motorun tasarımı, üç boyutlu hesaplamalı akışkanlar dinamiği ve emisyon analizi
Bu çalışmada öncelikle Bir Boyutlu (1B) 12 silindirli ağır vasıta bir Diesel motorun tam yükleme durumu düşünülerek tasarımı, performans ve emisyon analizleri yapılmış, motorun performans eğrisi elde edilmiştir. Bir Boyutlu analizden elde edilen ilk koşullar kullanılarak emme valfinin kapandığı andaki basınç ve sıcaklık değerleri Üç Boyutlu (3B) CFD analizinde kullanılmış ve tek bir silindir için akış analizi yapılmıştır. Hem 1B hem de 3B CFD analizinden elde edilen silindir içindeki ortalama sıcaklık ve basınç değerlerinin karşılaştırılması yapılmış, sonuçların birbirine yakın olduğu gözlenmiştir. Üç Boyutlu akış analizinde öncelikle farklı hücre sayıları için ağ yapısı analizi yapılmıştır. Daha sonra sırasıyla farklı türbülans ve yanma modellerinin sonuçlar üzerindeki etkisi incelenmiştir. Üç Boyutlu CFD akış analiz programı olarak AVL Fire EseDiesel modülü kullanılmıştır. Özellikle ECFM-3Z (Extended Coherent Flame Model-Three Zone) yanma modeli ile k-?-f türbülans modellerinin verdiği sonuçlar incelenmiş ve gerçeğe uygunluğu yorumlanmıştır. Son olarak kısmi yükleme ve tam yükleme durumları ile enjeksiyon zamanının yanmaya olan etkileri araştırılmıştır.
Dikdörtgensi bir kanal ile kuşatılmış silindirik bir çubuk üzerinde sabitlenmiş önkarışımlı laminer alevin deneysel incelenmesi
Çalkantılı yayınım etkilerinin bulunmadığı laminer alevler, alev yapısı, yanma kimyası ve akustik tahrik altında alevlerin davranışlarını incelemek amacıyla literatürde sıkça kullanılmaktadır. Bu çalışmada dikdörtgensi bir kanal ile kuşatılmış silindirik bir çubuk üzerinde sabitlenmiş önkarışımlı laminer bir alev, alevin pozisyonunun belirlenmesi adına, hidrokarbon alevlerinin ürettiği ısının iyi bir niteliksel ölçütü olduğu bilinen CH* emisyon fotoğrafları ve tepkimeli akış için alev öncesi ve tepkimesiz durum için kamera görüş açısının elverdiği oranda hız alanının ölçülmesine olanak veren Parçacık Görüntü Hız ölçümü teknikleriyle deneysel incelenmiştir. Sayısal yöntemler kullanılarak deneysel düzenekteki akış, açık kaynak hesaplamalı akışkanlar dinamiği kodu OpenFOAM ve CERFACS (Centre Européen de Recherche et de Formation Avancée en Calcul Scientifique) tarafından geliştirilen hesaplamalı akışkanlar dinamiği kodu AVBP kullanılarak modellenmiştir. Elde edilen deneysel ölçümler ve HAD sonuçları uzlaşma durumunun değerlendirilebilmesi için birbirleriyle karşılaştırılmıştır ve aralarındaki uyum incelenmiştir. Deneysel sonuçlar ve hesaplamalar alevin tutunma mekanizmasının incelenmesinde kullanılmıştır. Tepkimesiz sıkıştırılamaz akış durumu için gerçekleştirilen HAD çalışmaları ve deneysel sonuçlar kullanılarak burgaç kopması fenomeni incelenmiş ve sınır tabaka ayrılma noktaları araştırılmıştır. Silindirik çubuğun döndüğü durumlarda dönüş hızının burgaç kopması fenomenine etkisi araştırılmış ve kaldırma katsayıları incelenmiştir. Alev sönme mesafesi duvar sıcaklıkları, yanma kimyası ve gerilme etkilerine son derece bağlı olduğundan alev kök pozisyonu karışımın kompozisyonundan ve birbirleriyle ilişkili olan duvar sıcaklıklarından son derece etkilenecektir. Bu etki aynı serbestçe yayınan alev hızlarına sahip metan/hava ve hidrojenle zenginleştirilmiş metan/hava alevleri için karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Bunların yanında açık kaynak bir kimya çözücüsü olan CANTERA kodu kullanılarak değişik koşullar ve kimyasal mekanizmalar için serbestçe yayılan ve gerinim altındaki alev hızları, kendiliğinden tutuşma zamanları, ve denge kimyası hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. Fosil yakıtlara iyi bir alternatif olarak düşünülen hidrojen ve hidrojenin çalışmada kullanılan metan gibi fosil yakıtlara katıldığındaki etkileri araştırılmıştır. Aynı serbestçe yayılan alev hızlarına sahip metan/hava ve hidrojen katkılı metan/hava alevleri için gerinim etkisi altındaki alevler ve deneysel düzeneğin HAD benzetimleri hesaplanmış ve alev hızları ile alev tutunma mekanizmaları karşılaştırılmıştır.
Su türbinleri için dirsek tipi emme borusunun HAD tabanlı tasarımı ve eniyilemesi
Tepki tipi hidrolik türbinlerin en önemli parçalarından olan emme borusu tasarımında sadece emme borusu performansını ve verimliliğini değerlendirmekte kullanılan maksimum basınç geri kazanım katsayısı ve minimum düşü kaybı değil aynı zamanda kurulum maliyetlerini de dikkate almak gerekmektedir. Bu çelişen gereksinimleri karşılayan optimum tasarımı elde etmek amacıyla eniyileme tasarım süreci izlenmektedir. Bu çalışmada dirsek tipi emme borusu, meta-model tabanlı çok amaçlı tasarım eniyilemesi metodu kullanılarak Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yardımıyla elde edilmiştir. Bu amaçla öncelikle emme borusunun geometrisini tanımlayan değişkenler eniyileme yönteminde girdi parametreleri olarak tanımlanmakta ve basınç geri kazanım katsayısıyla düşü kaybı ise çıktı parametreleri olarak tanımlanmaktadır. Latin Hiperküp Örnekleme (LHÖ) metoduyla oluşturulan deney tasarımı kullanılarak dört farklı meta-model (İkinci Dereceden Polinom Standart Yanıt Yüzey, Kriging, Parametrik olmayan Regresyon ve Sinir Ağları) oluşturulmuştur. Oluşturulan bu meta-modeller üzerinde basınç geri kazanım katsayısını maksimize eden ve düşü kaybını minimize eden tasarım iki farklı arama metodu kullanılarak (Screening ve Çok Amaçlı Genetik Algoritma) elde edilmiştir. Elde edilen eniyilenmiş tasarım başlangıç tasarımına oranla basınç geri kazanımında %4,3 ve düşü kaybında %20 iyileşme sağlanmıştır. Eniyilenmiş tasarım Latin hiperküp örnekleme metoduyla oluşturulan ikinci dereceden polinom standart yanıt yüzey üzerinde çok amaçlı genetik algoritma kullanılarak elde edilmiştir. Ayrıca dirsek tipi emme borularında literatürden yararlanarak elde edilen geçerlilik sınırları dahilinde boyutsuz ve birbirlerinden bağımsız parametreler cinsinden basınç geri kazanım katsayısı için ikinci dereceden polinomsal regresyon modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan model doğrulama yapılarak hata oranları hesaplanmış ve modelin yaklaşık % 8 hata ile sonuçları doğru tahmin ettiği görülmüştür. Ayrıca oluşturulan model üzerinde genetik algoritma kullanılarak örnek bir eniyileme gerçekleştirilmiştir. Oluşturulan regresyon modelinin tahmini ile HAD analizinin sonucu karşılaştırılmış ve modelin % 7,2 hata ile basınç geri kazanım katsayısını tahmin ettiği görülmüştür.
Francis tipi hidrotürbin ayar kanadı ve çarkının hesaplamalı akışkanlar dinamiği bazlı eniyilenmesi
Günümüzde ve gelecekteki enerji ihtiyacı en önemli konulardan birisidir. Enerji tüketimi hızla artmaya devam etmekte ve dünya çapında kömür ve diğer fosil yakıtlara talep azalmaktadır. Gelecekteki enerji ihtiyaçlarını karşılamak için, yeni yenilenebilir enerji kaynaklarının geliştirilmesine ek olarak, mevcut enerji üretim yöntemleri mümkün olduğunca verimli olmalıdır. Enerji santrallerinde modern teknolojiler geliştirilmeli ve turbo makineler optimize edilerek mevcut enerji kaynakları daha ekonomik bir şekilde kullanılmalıdır. Bu noktada dünyada yaygın olarak kullanılan ve yenilebilir enerji kaynaklarında ilk sırayı alan hidroelektrik santrallerin geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır. Hidroelektrik santrallerde kullanılan hidrolik türbinler geliştirilirken verim, kavitasyon, güç gibi önemli hidrolik performans parametrelerinin belirlenen isterleri karşılaması gerekmektedir. Bu isterlere uygun türbin tasarımlarının gerçekleştirilebimesi ve akış karakteristiklerinin incelenebilmesi için, zaman, maliyet ve doğruluk açısından Hesaplamalı Akşkanlar Dinamiği (HAD) analizleri oldukça kullanışlı yöntemlerdir. Gelişen bilgisayar teknolojisi sayesinde HAD ve çeşitli optimizasyon yöntemlerini birleştiren tasarım optimizasyonları gerçekleştirilebilmektedir. Bu çalışmada Francis tipi bir hidrolik türbinin ayar kanadı ve çark bileşenleri ayrı ayrı olacak şekilde HAD analizlerine bağlı bir tasarım optimizasyon sistemi ile eniyilenmiştir. Ayar kanadı optimizasyonunda tek amaçlı optimizasyon metodu kullanılırak verim maksimize edilerek düşü kaybı azaltılmıştır. Çark optimizasyonunda ise tek amaçlı ve çok amaçlı optimizasyon metodları kullanılarak verim ve güç maksimize edilirken kavitasyonsuz bir tasarım sağlanmıştır. Anahtar Kelimeler: Hesaplamalı akışkanlar dinamiği, Francis türbini, Optimizasyon
Sıvı yakıtlı roket motorlarında çarpışmalı enjektörlerin atomizasyon karakteristiklerinin incelenmesi
Çarpışmalı jet enjektörler genellikle sıvı yakıtlı roket motorlarında kullanılan, uygulanabilirliği ve üretimi kolay yüksek verimli enjektör tipleridir. Özdeş veya farklı sıvı jetlerin belirli bir açıda belirli bir noktada çarpışmasını, çarpa sonucu sıvı bir tabaka oluşmasını ve oluşan tabakada meydana gelen kararsızlıklardan dolayı tabakanın koparak damlacıklara ayrılmasını sağlar. Jetlerin hızı, aralarındaki açı, sayısı ve içinden geçen sıvının özellikleri gibi parametreler birincil ve ikincil parçalanmayı belirler ve dolayısıyla yanma kararlılığı ve performansını doğrudan etkiler. Bu tez kapsamında ikili özdeş, ikili özdeş olmayan ve üçlü özdeş çarpışmalı enjektörlerin, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) kullanılarak analizleri gerçekleştirilmiştir. İlk olarak ikili özdeş çarpışmalı enjektör için analizler yapılmış ve literatürde bulunan deneysel bir çalışma ile doğrulanmıştır. İkinci olarak da ikili eş olmayan ve üçlü eş çarpışmalı enjektör analizleri tamamlanmıştır. İlk kısımda, türbülansı modelleyebilmek için Büyük Burgaç Benzetimi ve zamana bağlı Reynolds-Ortalamalı Navier Stokes yaklaşımları kullanılmıştır. İki farklı yaklaşımın da literatürdeki deney sonuçlarına göre karşılaştırılması yapılmış olup 18.5 m/s giriş hızındaki özdeş jetlerin, sıvı tabaka oluşumu ve damlacık-boyut dağılımı incelenmiştir. Analizler için en küçük hücre boyutunu kontrol ederek dinamik çözüm ağı uygulanmış ve farklı sayıdaki çözüm ağlarının deneye olan yaklaşımı incelenerek, çözüm ağından bağımsızlaştırma işlemi gerçekleştirilmiş ve çözüm ağı II seçilerek sonraki çalışmalar bu çözüm ağı üzerinden devam etmiştir. İkinci kısımda ise, öncelikle özdeş olmayan ikili jetin çarpışma analizleri gerçekleştirilmiştir. Özdeş olmayan jetler için sıvı metan ve sıvı oksijen kullanılmış ve sıvı tabaka oluşumu ile damlacık çap dağılımı incelenmiştir. Özdeş olmayan ikili jet analizlerinden sonra üçlü çarpışmalı eş enjektör analizleri yapılmıştır. Üç enjektörden de ikili enjektör için kullanılan koşullarda su gönderilerek, sıvı tabakanın kopma uzunluğu ve damlacık-boyut dağılımının farklılıkları incelenmiştir. Bu kısımdaki analizler için çözüm ağı II kullanılmış ve yeni bir çözüm ağı çalışması yapılmamıştır. İkili çarpışmalı özdeş enjektör analizleri Faz Doppler Parçacık Analizörü (Phase Doppler Particle Analyzer-PDPA) sonuçları ile uyum içerisinde olup ikili özdeş olmayan ve üçlü çarpışmalı enjektörler için bir deney sonucu bulunmamaktadır. Genel olarak jet hızı arttıkça damlacık boyutları küçülmektedir. Bunun nedeninin hızların artmasıyla türbülansın güçlenmesidir. Türbülans ne kadar güçlenirse kararsızlık o kadar artacak ve parçalanma daha güçlü olacaktır.
Sıvı yakıtlı bir roket motorunun rejeneratif yöntemle hesaplamalı akışkanlar dinamiği ve eşlenik ısı transferi kullanılarak soğutulması
Rejeneratif soğutma, sıvı yakıtlı roket motorlarının soğutulması için kullanılan bir yöntemdir. Roket motor duvarlarını soğutmak için sıvı yakıt (bazı motorlarda oksitleyici) duvarların içinde bulunan soğutma kanallarından geçerek duvarın motor boyunca soğumasını sağlar ve duvarların zarar görebileceği sıcaklığa ulaşmasını önler. Genel olarak en kritik yer, en yüksek ısı akısının meydana geldiği roket motoru yakınsak-ıraksak lülesinin boğaz bölgesidir. Rejeneratif olarak adlandırılan bu yöntem ile kanaldan geçen yakıtın sıcaklığı enjektöre kadar sürekli artar ve böylece yakıtın iç enerjisi yükselmiş olur ve bu olay yanma verimliliğine ve kararlığına olumlu yönde etki eder. Ancak, rejeneratif soğutma işlemi, kanaldan geçen yanıcı basıncının düşmesine neden olur. Bu nedenlerden dolayı, rejeneratif soğutma işleminde en iyi verimi elde etmek için düşük basınç kaybı ve düşük duvar sıcaklığı hedeflenmelidir. Wadel ve Meyer'in çalışmaları simülasyonların doğrulanması için kullanılmıştır. Rejeneratif soğutma analizlerinde zamandan bağımsız 3 boyutlu, türbülanslı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği farklı türbülans modelleri ve eşlenik ısı transferi ticari bir yazılım kullanılarak çözülmüştür. Yanma sonucu oluşmuş sıcak gaz karışımından kaynaklanan ısı akısı Bartz denklemi kullanılarak modellenmiştir. Rejeneratif soğutma analizleri için, literatürdeki çalışmalar incelenmiş ve deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Doğrulama çalışmasından sonra, yakıt dağıtıcısının rejeneratif soğutma kanallarına yakıtı nominal kütlesel debiden farklı dağıttığı koşulların soğutmaya olan etkisi incelenmiştir. Rejeneratif soğutma kanallarından bir tanesinin tıkanması durumunda roket motor duvarındaki sıcaklık değişimleri araştırılmıştır. Bunlara ek olarak, soğutma kanallarının sayısı ve boy-en oranı için farklı geometrik konfigürasyonların soğutma üzerindeki etkileri incelenmiştir.
Bir dizel motorda hesaplamalı akışkanlar dinamiği kullanarak özgül yakıt tüketimi ve emisyonlar açısından piston çanak geometrisinin optimizasyonu
Bu tez çalışmasında, bir dizel motorun piston çanak geometrisi özgül yakıt tüketimi açısından Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) kullanılarak optimize edilmiştir. Bir boyutlu gaz değişim analizi yardımıyla motor performans karakteristiği incelenmiştir. AVL Boost programı, bir boyutlu gaz değişim analizi ve motor performans karakteristiklerini belirlemek için kullanılmıştır. HAD analizlerinde öncelikle hava akış karakteristiği incelenmiştir. İki emme portuna sahip motorun döngü analizleri çalışılmıştır. Ticari HAD programı STAR-CD döngü analizleri için kullanılmıştır. Öncelikle, döngü analizleri kötü, orta ve iyi ağ yapılarında çalışılmıştır. Orta ve iyi ağ sonuçları birbirine oldukça yakın çıktığından, geri kalan HAD simülasyonları orta ağ yapısında gerçekleştirilmiştir. Türbülans modelinin döngü sayısı üzerindeki etkilerini görmek için Standard k-e, Realizable k-e ve RNG k-e türbülans modelleri kullanılmıştır. Motor valf hareketleri ve silindir bölgesindeki pistonun yukarı ve aşağı hareketi sonucu hücrelerin, katmanların eklendiği ve silindiği piston olayları için STAR-CD alt modülü olan ES-ICE programı kullanılmıştır. Reaktif Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (RHAD) simülasyonları, periyodik sınır koşulu kullanan ve bir yakıt enjektör deliğine karşılık gelen 45 derecelik sektör geometrisinde gerçekleşmiştir. Hesaplamalar, emme ve egzoz valfleri kapalı olduğu 600-800° krank açıları (KA) arasında 200° KA süresince gerçekleştirilmiştir. ECFM-3Z, Extenden Coherent Flame Model -3 Zone, yanma modeli olarak kullanılmıştır. Sıvı Dizel yakıtın iki fazlı modeli için Lagrangian yaklaşımı kullanılmıştır. Sprey oluşum ve atomizasyonunu simüle etmek için Bag Break-Up ve Stripping Break-Up modellerinin oluşturduğu Reitz ve Diwakar ayrışma modeli kullanılmıştır. Uzaysal ve zamansal ayrıştırma ve türbülans modelleme etkileri dikkatle incelenmiştir. Sonuçların doğruluğu, HAD tahminleri ile ölçüm verileri silindir içi basınç ve açığa çıkan ısı yayılımı karşılaştırılarak gösterilmiştir. 0.1° krank açısına karşılık gelen zaman adımı ile orta hesaplama ağ yapısını kullanan reaktif HAD tahminleri, ölçülen verilere kıyasla %2.3'lik bir tutarsızlık göstermektedir. Tahminlerin doğruluğu gösterildikten sonra, optimizasyon çalışması için piston çanak geometri parametreleri belirlenmiştir. Seçilen 9 parametre HEEDs programının SHERPA algoritması kullanılarak, Özgül Yakıt Tüketimini (ÖYT) göre optimize edilmiştir. 92 farklı geometrinin analizi sonucunda güç açısından %5.8, özgül yakıt tüketimi açısından %5.5 oranında iyileşme sağlanmıştır. Fakat optimize edilmiş yeni piston çanak geometrisinin mevcut tasarıma göre NOx emisyonunda %15 artışa sebep olduğu gözlemlenmiştir.
Helikopter motor yağ soğutucusu olarak kullanılan plaka ve kanatçık tipi bir ısı değiştirgeci için test düzeneği tasarımı ve kurulumu
Mühendislik uygulamaları enerji kaybını engellemek adına enerjinin en verimli şekilde transfer edilmesini amaçlamaktadır. Verimli bir şekilde enerji transferi doğal kaynakların kullanımının azalmasında önemli bir rol oynamaktadır. Günümüz hava araçlarında ısıtma, soğutma ve akışkanların sıcaklık seviyelerini kontrol etmek amacıyla Isı Değiştirgeçleri kullanılmaktadır. Hava araçlarında sıkça kullanılan Isı Değiştirgeçlerinden bir tanesi de Plaka-Kanatçık Tipi Isı Değiştirgeçleri'dir. Plaka-Kanatçık Tipi Isı Değiştirgeçleri kompakt olması ve muadillerine göre yüksek ısı atım kapasitesine sahip olması nedeni ile havacılık ve otomotiv endüstrisinde sıkça kullanılmaktadır. Bu çalışmada bir helikopter motorunda kullanılmak üzere geliştirilen bir Plaka-Kanatçık Tipi Isı Değiştirgeci'nin performans test standının tasarımı, kurulumu ve testleri üzerinde durulmuştur. Tasarım aşamasında parlama noktasına oldukça yakın ısıtılan yağın, yağ ısıtıcı tasar ımı ve hava kanalında sıcaklıkların eşit dağılması için HAD analizleri yapılmıştır. HAD analizlerine göre üretilen parçalarla deney düzeneği oluşturulmuştur. Bu kapsamda ANOVA Arge Teknolojileri Labaratuarı'nda deney düzeneği kurulmuş ve Plaka Kanatçık Tipi Isı Değiştirgeci deneyi yapılmıştır. Reynolds sayıları 1000 ile 2500000 arasında değişen değerlerde hava tarafı basınç kayıp deneyleri yapılmıştır. Plaka Kanatçık Tipi Isı Değiştirgecinin ısıl karakteristiğinin ortaya çıkarılması amacıyla sıvı ve hava hattında sıcaklık ölçümleri, hacimsel debi ölçümleri ve basınç kayıplarının ölçülmesi için basınç ölçümleri yapılmıştır. Literatürden elde edilmiş olan korelasyon ile deney düzeneğinde ölçülen değerler karşılaştırılmıştır.
Yüksek hızlı akışlarda asimetrik üç boyutlu şok tahmin algoritması geliştirilmesi
Şok dalgaları, ses üstü hızlarda hareket eden araçlar etrafında bozuntuların birleşimi sonucu oluşmaktadır. Bu dalgalar genelde ortamda ani ve süreksiz basınç, sıcaklık ve yoğunluk değişimleri ile karakterize edilmektedir. HAD uygulamaları şok fenomeni gibi yüksek gradyan barındıran karmaşık problemlerin çözümünde sıklıkla kullanılmaktadır. Günümüzde ise HAD temel odaklarından biri analiz doğruluklarını muhafaza ederek, minimum zamanda karmaşık çözümlemeler yapabilmektir. Bu kapsamda ses üstü hızlar içeren problemlerde en etkili yöntemlerden biri şok fenomeni gibi yüksek gradyan barındıran bölgelerde uygun çözüm ağı boyutunun kullanılması ve çözüm ağının uygun şekilde hizalanmasıdır. Buna ek olarak şok şeklinin doğru tahmini, tasarım problemlerinde sıklıkla kullanılan hızlı akış tahmin metotlarının kullanılabilmesi için gereklidir. Bu doğrultuda literatürde şok şeklinin belirlenmesi amacıyla farklı yaklaşımlar geliştirilmiştir. Yaklaşımlardan bazıları sadece basit geometriler için kullanılabilen analitik denklemler tabanlı yöntemler, basitleştirilmiş korunum denklemlerinin tersine çözümüne dayalı yöntemler ve önceden belirlenmiş çözümlere dayalı çözüm ağı adaptasyonu yöntemleri olarak örneklendirilebilir. Bu tez çalışması, herhangi bir pahalı HAD simülasyonu ve inceleme maliyeti olmadan, yüksek hızlı hava araçları etrafında durağan şok dalgalarını doğru ve literatürde tanımlı yöntemlerden daha hızlı tahmin edebilecek bir model oluşturulmasını amaçlamaktadır. Çalışmalar kapsamında öncelikle HAD uygulamalarında kullanılan açık kaynaklı SU2 v7.1.1 yazılımı doğrulama çalışmaları, küresel küt burunlu geometriler üzerinde farklı hücum açılarında (0, 5, 10.25) yapılmıştır. Spalart-Allmaras ve SST k-w türbülans modelleri kullanılarak, çözüm ağından bağımsız sonuçlar elde edilmiştir. Hesaplamalar sonucunda analiz sonuçlarının deneysel veriler ile uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. İki ve üç boyutlu şok şekli tahmin algoritmaları tez kapsamında detaylı olarak incelenmiştir. 2B şok şekli tahmin yöntemi temel olarak Billig deneysel hiperbol eğrileri ile ayrık şok tahmini, analitik şok-genişleme denklemleri ile bitişik şok tahmini ve HAD düzeltme faktörü kullanımı ile sonik çizgi ve Mach dalgaları düzeltme işlemlerinden oluşmaktadır. 3B şok tahmini yöntemi ise temelde 2B tahmin yönteminin yüzey akım çizgileri üzerinde uygulanması sonucu oluşturulmaktadır. Yüzey akım çizgilerinin hesaplanabilmesi için geometri yüzey çözüm ağı ile ifade edilmektedir. Ardından serbest akış hızı yüzey üzerine yansıtılarak, çözüm ağı üzerinden akışkan kinematik denklemleri çözümlenmektedir. Hesaplanan şok noktaları 3B bir yüzey haline getirilerek, şok şekli tahmin edilmektedir. 2B ve 3B şok şekli tahmin algoritmaları üzerinde doğrulama çalışmaları yapılmıştır. Çalışmalar kapsamında 2B ve 3B algoritmalar, ogive geometrisi ve küresel küt burunlu konik geometriler kullanımı ile HAD analiz sonuçları ve deneysel veriler ile karşılaştırılarak, incelenmiştir. Bu kapsamda kurgulanan HAD analizleri ogive için Mach 5; küt burunlu konik geometriler için ise Mach 3, 5, 8'de yapılmıştır. Serbest akış koşulları, 0, 5, 10 derece hücum açılarında incelenmiştir. HAD analizleri sonucunda elde edilen şok şekli ve algoritma sonucunda elde edilen şok geometrisinin, akışa maruz kalan geometri ile dik mesafeleri karşılaştırılmıştır. 2B ve 3B karşılaştırmalarda ogive geometrisinde neredeyse fark gözlemlenmezken, konik geometri karşılaştırmalarında yüzde farkların hücum açısı arttıkça arttığı gözlemlenmiştir. 2B geçerleme çalışmalarında maksimum fark yaklaşık %1 olarak hesaplanırken, 3B çalışmalarda fark %4 değerine kadar çıkabilmektedir. HAD çözümleri ile karşılaştırmalara ek olarak, 3B şok şekli tahmin yöntemi deneysel şok şekliyle karşılaştırıldığında ise benzer şekilde hücum açısı ile birlikte hatalar artmaktadır. Deneysel veriler ile geliştirilen algoritma arasındaki maksimum hata değeri %3 'tür.
Bir radyal türbin ve kompresörlü hava çevrim makinesinin tasarlanması ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri
İklimlendirme işlemi, geçmişten günümüze halen büyük önem arz eden bir konudur. Çeşitli elektronik cihazların soğutulmasından, ticari yolcu uçakları ve otomotiv kabinlerinin beklenen konfor sıcaklık aralığında tutulmasına kadar birçok benzer alanda çeşitli mühendislik faaliyetleri sürdürülmektedir. Özellikle hava platformlarında soğutma işlemi kritik rol üstlenmektedir. Konvansiyonal soğutma sistemleri, bünyelerinde buhar sıkıştırmalı çevrim içermekle beraber hava platformalarında artık nadiren kullanılmaktadır. Hava platformlarında iklimlendirme işlemi için hava çevrimi içeren soğutma sistemleri birçok avantajından dolayı yer almaktadır. Düşük güç tüketimi ve ağırlığı, bakım onarım kolaylığı, bünyesinde ozon yok edici, sera etkisi yaratan toksik gazların yerine güvenli ve temiz bir akışkan olan havanın bulunması bu avantajlara örnektir. Hava çevrim makinesi (HÇM), hava çevrimi yapılan soğutma sistemlerindeki en temel bileşendir. Hava çevrim makineleri; hava platformlarının uçuş profillerine, gerekli soğutma kapasitesine, basınçlandırma ve nem kontrolü gibi ihtiyaçlarına göre birçok farklı konfigürasyona sahiptir. Bu çalışma kapsamında; ram havası beslemeli ters önyüklemeli, 2 tekerli, hava çevrim makinesi ile savaş uçaklarının kanat altında bulunan podlarının soğutulması üzerine çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Deniz seviyesi, 322 K (49 °C) ortam koşulunda, 1 Mach seyir hızında uçan hava platfotmunun, kanat altında bulunan, aviyoniklerin bulunduğu poddaki ısıl yükler aktif iken hava çevrim makinesi ile soğutulması için radyal türbin ve kompresör tasarımı yapılmıştır. İlk başta, kavramsal tasarım çalışmaları yapılmış olup bu noktada bir boyutlu hesaplamalar yapılmıştır. Bu hesaplamalar için elde edilen girdiler, ANSYS Vista RTD (Radial Turbine Design) ve CCD (Centrifugal Compressor Design) ile elde edilen çıktılar üzerinden ANSYS BladeGen programına girdi sağlanarak üç boyutlu kanat geometrileri elde edilmiştir. Kanat geometrilerine ve yönlendirici kanatçık profilleri eklenerek tek kanatçık geometrisinin modellendiği üç boyutlu Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği analizleri gerçekleştirilmiştir. Daha kapsamlı sayısal çalışmaların yapılması adına tüm sistem bileşenlerinin yer aldığı üç boyutlu Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizleri koşturulmuştur. Tüm sistem bileşenlerinin yer aldığı HAD analizlerinde kullanılan geometri bünyesinde, türbin ve kompresör rotorları ve salyangozları, yönlendirici kanatçık profili ve borulamalar yer almaktadır. Tüm sistem bileşenlerinin geometrisinin hazırlanmasındaki temel motivasyon, tasarlanan hava çevrim makinesine ait ANOVA ARGE Teklonojileri A.Ş altyapısında kurulan test düzeneği geometrisinin kurulmasıdır. Üç boyutlu HAD analizleri kapsamında, sayısal ağ ve türbülans modeli çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği analizleri ticari bir yazılım olan ANSYS CFX çözücüsü ile gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan Hava Çevrim Makinesi test düzeneğinde testler gerçekleştirilmiş olup elde edilen sonuçlar HAD analiz sonuçları ile karşılaştırılmıştır
Pıhtı birikimi ve efor koşullarının abdominal aort anevrizması üzerinde oluşturduğu hemodinamik etkilerin sayısal yöntemlerle incelenmesi
Abdominal aort anevrizması damar genişlemesine bağlı olarak oluşan önemli bir sağlık sorunudur. Tedavi edilemediği takdirde anevrizma büyümeye devam eder ve yırtılma riski içerir. Olası bir anevrizma yırtılması, ciddi bir kan kaybına yol açmakta ve ölümle sonuçlanabilmektedir. Bu nedenle, abdominal anevrizmaların erken safhada teşhis edilmesi ve olası yırtılma risklerinin tahmin edilmesi kritik öneme sahiptir. Genel olarak, 5 cm üzerinde çapa sahip olan anevrizmalar riskli olarak değerlendirilmektedir. Ancak, 5 cm'den daha büyük çapa sahip olup ömür boyu yırtılmayan anevrizmalar bulunmaktadır. Öte yandan, 3 cm gibi nispeten küçük bir çapa sahip olup yırtılan abdominal anevrizmalar bulunmaktadır. Bu durum, riskli olan vakaları belirlemek için sadece çap değerini kullanmanın yeterli olmadığını göstermektedir. Bu nedenle, anevrizma içindeki hemodinamik değişkenlerin ve damar duvarındaki yapısal parametrelerin detaylı olarak hastaya özgü bir şekilde incelenmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, anevrizma yırtılma riskini belirleyebilmek amacıyla, gerçek bir anevrizma geometrisi kullanılarak hemodinamik ve katı-sıvı etkileşimli analizler gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen analizlerde, pıhtı hacminin büyüklüğü, pıhtının sertliği ve efor koşullarının değişkenliği gibi parametreler göz önüne alınmıştır. Pıhtı hacmi ile ilgili olarak pıhtısız, düşük seviyede pıhtılı, orta seviyede pıhtılı ve yüksek seviyede pıhtılı durumlar düşünülmüştür. Pıhtı sertliği ile ilgili olarak yumuşak, normal ve sert pıhtı durumları düşünülmüştür. Efor koşulları ile ilgili olarak dinlenme halindeki düşük efor, normal efor ve egzersiz halindeki yüksek efor koşulları düşünülmüştür. Yırtılma riskini değerlendirebilmek için katı- sıvı etkileşimli analizler ile damar duvarında oluşan maksimum gerilme değerleri belirlenmiştir. Damar üzerindeki gerilme değerleri arttıkça anevrizmanın yırtılma riski artmaktadır. Elde edilen sonuçlara göre, pıhtı birikiminin artmasının ve pıhtının sertleşmesinin, damar duvarındaki gerilme seviyelerini azalttığı ve dolayısıyla yırtılma riskini düşürdüğü gözlemlenmiştir. Efor koşullarının artması ile birlikte damar duvarındaki gerilmeler kısmi de olsa artmaktadır. Ancak, efor koşullarının etkisi pıhtı birikiminin etkisine kıyasla sınırlıdır. Yırtılma riskinin en yüksek olduğu bölgeler, anevrizmada en büyük genişlemenin olduğu bölge ile aortun anevrizma ile birleştiği bölge olarak belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, abdominal aort anevrizmasında oluşan hemodinamik değişimleri ortaya koymuş ve yırtılma riski açısından kritik öneme sahip olan parametreleri göstermiştir.
Borulu tip radyant ısıtıcılarda yanmanın nümerik modellenmesi
Bir ısıtma sürecinin verimliliğinin arttırılması, ısıtma amaçlı harcamaların azaltılması anlamına gelmektedir ve uzun yıllardır ekonomik ısıtma yöntemi araştırılan bir konudur. Çalışma kapsamında bir oda içerisine yerleştirilmiş U tipi radyant borunun içerisindeki yanma olayı ve dış ortamda meydana gelen değişimler Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği programı (HAD) yardımıyla nümerik olarak incelenmiştir. Yapılan bu hesaplamalar literatürden alınan deneysel verilerle kıyaslanmıştır. Ayrıca türbülans modeli, radyasyon modeli, ısıl güç ve hava fazlalık katsayısı parametreleri değiştirilerek, bu değişimlerin radyant ısıtcı duvar sıcaklığına, radyant ısıtıcı içerisindeki sıcaklık dağılımına ve dış ortamdaki sıcaklık dağılımına etkisi araştırılmıştır. Nümerik çalışmalarda Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) programı olarak Fluent paket programı kullanılmıştır. Hesaplamalar üç boyutlu olarak gerçekleştirilmiştir. Türbülans modeli olarak Standart k-ε, RNG k-ε model ve Realizable k-ε model ayrı ayrı uygulanmıştır. Yanma modeli olarak türlerin taşınımı (species transport) modeli içerisinde yer alan eddy dissipation modeli uygulanmıştır. Radyasyon modeli olarak DO model ve P1 model ayrı ayrı uygulanmıştır. Sonuçlar incelendiğinde P1 radyasyon modeli ve Standart k-ε model kullanılması durumunda elde edilen nümerik sonuçların deneysel sonuçlara oldukça yaklaştığı görülmüştür. En iyi sonuçların elde edildiği P1 radyasyon modeli ve Standart k-ε modelin kullanıldığı durumlarda oluşan maksimum yüzey sıcaklıkları 700 K civarlarındayken, deneysel olarak bu değer 655 K civarlarında çıkmıştır. DO radyasyon modeli ile elde edilen sonuçlarda ise oldukça yüksek sıcaklıklar oluşmuştur ve maksimum yüzey sıcaklıkları 900-950 K değerleri arasındadır. Nümerik hesaplamalarda ısıl gücün artması ve hava fazlalık katsayısının azalması, oda içerisinde oluşan sıcaklıkların artmasına sebep olduğu belirlenmiştir.
Ateşli silahlarda bastırıcı içerisindeki bölme plakası sayısının akış ve ses karakteristiklerine etkisinin incelenmesi
Ateşli silahlar için atış esnasında meydana gelen sesi tamamıyla ortadan kaldırmak imkânsız olsa da bu sesi makul bir seviyeye indirmek atışın nerede gerçekleştiğinin anlaşılmasını engelleyebilir veya sesin ateşli bir silaha ait olmasının anlaşılmaması gibi kazanımlar sağlayabilir. Bu çalışma kapsamında 9x19 mm mermi ateşleyen silahta ses altı ve ses üstü mermilerin ses seviyesi üzerindeki etkisi deneysel olarak araştırılmıştır. Daha sonra nümerik bir program yardımıyla farklı model kullanımlarının deneysel sonuçlarla kıyaslaması yapılmıştır. Son olarak, patlama sonucu meydana gelen seslerin düşürülmesi için kullanılan bastırıcılardaki bölme plakalarının sayısının ve mesafesinin akış alanı ve uzak alan gürültü seviyeleri üzerindeki etkisi nümerik olarak incelenmiştir. Hesaplamalar iki boyutlu eksenel simetrik, zamana bağlı şartlarda gerçekleştirilmiş ve uzak alan gürültüsünü tahmin etmek için Ffowcs Williams ve Hawkings akustik analoji (FW-H) denklemleri çözülmüştür. Bastırıcısız tabanca, bölme plakasız bastırıcılı, bastırıcı girişinden 20 mm aralıklarla yerleştirilmiş bir, üç ve beş bölme plakalı ve eşit aralıklarla yerleştirilmiş bir, üç, beş, yedi ve dokuz bölme plakalı olmak üzere toplam dokuz durum simüle edilmiş ve karşılaştırılmış; atış sırasında oluşan gürültü analiz edilmiştir. Sonuçlar, susturucusuz durumda ses basınç seviyesinin 2.5 m mesafede 156.1 dB olduğunu, yedi bölmeli susturucuda ise bu değerin yaklaşık %6 düşerek 144.2 dB değerine ulaştığını göstermiştir. Çalışma kapsamında elde edilen sonuçlar, küçük kalibreli tabanca sistemleri için namlu ağzında oluşan sesi tahmin etmek ve bastırıcıdaki bölme plakası sayısını optimize etmek için yararlı bir referans sağlayabilir.
Aort anevrizmalarının hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) kullanılarak hemodinamik açıdan incelenmesi
Vasküler akış koşulları kardiyovasküler hastalıklarının gelişiminde önemli bir rol oynamaktadır. Bu tezde, aort anevrizması Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ve Akışkan-Yapı Etkileşimleri (AYE) yöntemleriyle hemodinamik açıdan incelenmiştir. Aort anevrizmalarında Asendan Aort Çapı'nın (AAÇ) artması ile birlikte, oluşabilecek rüptür risklerinin tespiti amaçlanmıştır. Çalışmada bilgisayarlı tomografilerden elde edilmiş gerçek bireylere ait aort geometrileri, segmentasyon tekniği ile torasik aort için oluşturulmuştur. Normal bir aort ve bir hastanın iki farklı anevrizmalı aortu ile hastalara özgü çalışmalar yapılmıştır. Aorttaki hız profili ve sınır koşulları klinik ölçümler ile elde edilerek, rijit ve elastik damar analizleri gerçekleştirilmiştir. Kan için ise Newton tipi kan modeli ve Newton tipi olmayan beş farklı viskozite modeli kullanılmıştır. Bunlara ek olarak, nümerik sonuçlar ile yapay zeka yöntemlerinden biri olan Yapay Sinir Ağları (YSA) metodu kullanılarak rüptür riskleri üzerine Pyhton dilinde bir makine öğrenmesi modeli geliştirilmiştir. HAD sonuçları incelendiğinde, anevrizmalı aortların damar yüzeylerinde normal aorta göre sırasıyla %18.56 ve %24.7 daha yüksek basınç, kayma gerilmelerinin ise anevrizma bölgelerinde daha düşük olduğu gözlemlenmiştir. Viskozite bazlı analizlerde ise Newton tipi olmayan viskozite modellerinin, kayma gerilmelerinde Newton tipi kan modeline göre %32.5, %25.7, %22.4, %12.3 ve %8.7 fark yarattığı görülmüştür. Elastik damar analizleri, rijit damar analizlerine göre daha düşük kayma gerilmesi gösterirken, rüptür riskinin ise AAÇ değişimi ile üç kata kadar arttığı bulunmuştur. Makine öğrenmesi modeli ile de R2 performansının 0.986 olduğu tahminler yapılarak aorttaki rüptür riski, güvenlik faktörü ile tahmin edilmiştir. Sonuç olarak ise HAD ve AYE analizleri ile gerçekleştirilen mühendislik çalışmalarının, klinik yöntemlere destek olabileceği ve ışık tutabileceği gösterilmiştir.
Eksenel fanlarda rotor-stator etkileşim yüzeyi modellerinin ve kanat profillerine kaydırma uygulamasının performansa etkileri
Bu çalışmada eksenel fan modeli kullanılarak rotor ve stator kademeleri arasında tanımlanan etkileşim yüzeyi modellerinin ve rotor kanadı profilleri üzerinde uygulanan kaydırma yönteminin etkileri HAD analizleri yapılarak incelenmiştir. Turbomakinelerin HAD analizlerinde rotor ve stator kademeleri arasındaki geçişler için tanımlanan duran çark (frozen rotor), karışım yüzeyi (stage-mixing plane) ve zamana bağlı rotor stator (transient rotor-stator) modeli olmak üzere üç farklı model bulunmaktadır. Tezin ilk bölümünde bu üç modelin referans eksenel fan modelinin performansına etkisini incelemek için zamandan bağımsız analizlerde kullanılan duran çark ve karışım yüzeyi modelleri ile zamana bağlı analizler için geliştirilen zamana bağlı kanat kademesi (transient blade row) modellerinden zaman dönüşümü (time transformation) modelleri kullanılarak analizler gerçekleştirilmiş ve sonuçlar değerlendirilmiştir. Analizler, belirlenen devir sayısında ilk olarak zamandan bağımsız rotor-stator etkileşim yüzeyi modellerinden duran çark ve karışım yüzeyi modelleriyle çözülmüştür. Daha sonra başlangıç şartları karışım yüzeyi çözümleri tanıtılarak zamana bağlı kanat kademesi modellerinden, zaman dönüşümü yöntemiyle çözülmüş ve analiz sonuçları farklı performans parametreleri üzerinden kıyaslanmıştır. Üç farklı etkileşim yüzeyi modeli kullanılarak analiz edilen eksenel fan modeli analizi sonuçları kıyaslandığında, karışım yüzeyi ve duran çark modelleri ile elde edilen statik basınç ve verim eğrilerinin birbirlerine yakın sonuçlar verdiği, zaman dönüşümü modelinin ise bu iki modelden özellikle düşük debilerde daha fazla statik basınç artışı ve verim oluşturduğu görülmüştür. Daha sonra bu üç yöntemle elde edilen HAD analizi sonuçları son işleyici modülü üzerinden, rotor ve stator kanatları üzerinde oluşan basınç ve hız dağılımları, akım çizgileri ve kanat üzerinde oluşan basınç dağılımları gibi parametrelerce farklı kanat kesitlerinde incelenmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde ise eksenel fanlarda kanat profillerinin taşınması uygulamalarından kaydırma yöntemi, refereans fan modeli rotor kanatlarına uygulanmıştır. Rotor kanadı profilleri, kanat kesidinin veter uzunluğu doğrultusunda öne ve arkaya doğru 30°'lik açıda kaydırılarak iki farklı model elde edilmiştir. Kaydırma yöntemiyle hazırlanan fan modelleri ilk olarak karışım yüzeyi modeliyle analiz edilerek performans eğrileri incelenmiştir. Kaydırma uygulanan modeller ile referans fan modelinin debiye göre statik basınç artışları ve verim eğrileri birbirinden farklı sonuçlar ortaya çıkarmıştır. Öne doğru kaydırma uygulanan rotor modeli fanın çalışma aralığını genişletmiş ancak düşük debilere kaydırmıştır. Arkaya doğru kaydırma uygulanan model ise tam tersi fanın çalışma aralığını daraltmış fakat daha yüksek debilerde akış geçirdiği görülmüştür. Verim eğrisi incelendiğinde ise öne doğru kaydırma uygulanan modelin rererans fana göre nispeten daha yüksek değerler verdiği, arkaya doğru kaydırma uygulanan modelin ise daha düşük değerlerde verim sağladığı görülmüştür. Daha sonrasında analizler sonucunda, rotor kanatları üzerinde farklı kesitlerdeki boyutsuz basınç katsayısına göre basınç dağılımları incelendiğinde ise öne doğru kaydırma uygulanan modelin referans modele göre aerodinamik yükü bir miktar azalttığı, arkaya doğru kaydırma uygulanan modelin ise aerodinamik kanat yükünü arttırdığı görülmüştür. Son olarak, kaydırma uygulanan modeller karışım yüzeyi modeli çözümlerine ek olarak en yüksek verim noktalarındaki debiler için duran çark ve zaman dönüşümü modelleriyle da analiz edilerek sonuçlar değerlendirilmiştir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri, ANSYS CFX 17.2 üzerinden gerçekleştirilmiştir. Fan katı modelinin geometrisi, ANSYS DesignModeler modülü kullanılarak oluşturulmuş ve ağ yapıları hazırlanmak üzere ANSYS TurboGrid modülüne aktarılmıştır. TurboGrid ile rotor ve stator kademeleri kanatları için çözüm ağları hazırlanmıştır. Hazırlanan çözüm ağlarının, ağdan bağımsız sonuçlar verdiği ve y+ değerlerinin kabul edilebilir düzeyde olduğu değerlendirmesi yapılmasının ardından orta sıklıktaki ağ yapısı üzerinden çalışmalara devam edilmiştir. Hazırlanan çözüm ağları ANSYS CFX programına aktarılarak akış koşulları ve çözüm parametreleri tanıtılmıştır. Akış bölgesi, zaman dönüşümü modeli uygulanmasında gerekli olan aralık (pitch) koşulunun sağlanabilmesi için 5 stator ve giriş hacmi ile birlikte 3 rotor ve çıkış hacmi şeklinde periyodik sınır koşulları uygulanarak modellenmiştir. Daha sonra ön işleyici (CFX-Pre) modül üzerinden akış özellikleri, sınır şartları, akış bölgesi ara yüzeyleri ve çözüm kontrol parametreleri tanımlanmıştır. Analizlerde SST k-w türbülans modeli tercih edilmiştir. Hesaplamalar, çözücü (CFX-Solver) modülü üzerinden yapılarak son işleyici (CFD-Post) modülü ile analiz sonuçları görüntülenmiştir. Bu çalışma ile hem dönen ve dönmeyen hacimlerden oluşan eksenel fanlar arasındaki arayüzler için tanımlanan rotor stator etkileşim yüzeyi modellerinin hem de literatürde farklı değerlendirmeler yapılan kanat profillerine kaydırma uygulamasının fan performansına etkileri incelenmiştir. Çalışma sonucunda iki konuda da literatüre katkıda bulunacak sonuçlar elde edilmiş ve değerlendirmelerde bulunulmuştur.
İleriye dönük kanatlı radyal fan tasarım yöntemlerinin HAD ile incelenmesi
Fanlar, motordan aldıkları enerjiyi içerisinden geçen havaya aktaran turbomakinalardır. Akışın çarka giriş ve çıkış yönüne göre eksenel ve radyal fanlar olarak iki ana başlık altında incelenirler. Eksenel fanlarda akış çarka eksenel olarak girer ve çarkı eksenel olarak terk eder. Radyal ya da diğer bir adıyla santrifüj fanlarda ise çarka eksenel olarak giren akış 90° dönerek çarkı radyal olarak terk eder. Radyal fanlar kendi aralarında geriye dönük kanatlı radyal fanlar, tam radyal fanlar ve ileriye dönük kanatlı radyal fanlar olmak üzere üçe ayrılır. Geriye dönük kanatlı radyal fanlar bu üç çeşit içerisinde en çok kullanılandır. Kanatları motorun dönme yönünün tersine yönlendirilmiştir. Deneysel ve teorik çalışmaların büyük bir çoğunluğu bu fanlar kullanılarak yapılmıştır. Teorik olarak oluşturulmuş tasarım yöntemleri de bu fanlar için oluşturulmuştur. Verimleri ileriye dönük kanatlılara kıyasla daha yüksek olmakla birlikte boyutları da aynı debi için kıyaslandığında ileriye dönük kanatlılardan daha büyüktür. Literatürde Sirocco fanları ya da sincap kafesli fanlar olarak da bilinen ileriye dönük kanatlı radyal fanlar 19. Yüzyıldan beri havalandırma sitemlerinde, otomobil endüstrisinde ve elektronik aletlerin soğutulmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Kanatları motorun dönme yönüne doğru yönlendirilmiştir. Diğer tip radyal fanlarla kıyaslandığında aynı debiyi daha küçük boyutlardaki çarklar ile basabilmektedirler ve daha sessiz çalışırlar. Daha sessiz çalışmalarının nedeni aynı debiyi daha düşük devir sayılarında basabilmeleridir. En önemli dezavantajları ise %50-60'ı geçmeyen verimleridir. Diğer fanlarla kıyaslanırsa kanat sayıları daha fazla ve kanat boyları daha kısadır. En önemli karakteristik özellikleri düşük debi bölgesinde görülen basma yüksekliğindeki düşüştür. Geniş bir kullanım alanına sahip olmalarına rağmen akış hacmi ve tasarım parametreleri üzerinde geriye dönük kanatlı radyal fanlara kıyasla daha az çalışma yapılmıştır. Bu tezdeki esas amaç ileriye dönük kanatlı radyal fan tasarımındaki etkin parametreleri belirlemek ve ilerde yapılacak tasarımlar için tasarım yöntemi önermektir. Literatürde bulunan tasarım yöntemleri ileriye dönük kanatlı radyal fanlar için yeterli uygunlukta olmadıkları gibi, o yöntemler kullanılarak yapılan tasarımlar büyük çoğunlukla tasarım noktası özelliklerini sağlayamamaktadır. İlk olarak literatürden bulunan deneysel verilerin ANSYS FLUENT ve ANSYS CFX yazılımları yardımıyla doğrulanması amaçlanmıştır. Analiz sonuçlarıyla deneysel verilerin kıyaslanması sonucu CFX çözücüsünün genel olarak daha yüksek doğrulukta sonuçlar verdiği görülmüştür. Her iki çözücüde de üç farklı türbülans modeli denenmiş ve en doğru sonucun k-ω SST ile elde edildiği görülmüştür. Çözücü olarak seçilen CFX yazılımında kullanılan türbülans modeli gibi bir çok çözüm parametreleri belirlenmiş ve ileride yapılacak HAD analizlerinde bu çözücü ve çözüm parametreleri kullanılmıştır. 5 farklı tasarım yöntemi kullanılarak tasarımlar gerçekleştirilmiştir. İlk tasarım tek boyutlu tasarım yöntemi olan Euler turbomakina denklemleri kullanılarak yapılmıştır. Tez kapsamında klasik yöntem olarak geçen bu yöntem geriye dönük kanatlarda yüksek doğrulukta sonuçlar vermesine karşın ileriye dönük kanatlar için tasarım noktası özellikleri bu yöntem ile sağlanamamıştır. Bu yöntem ileriye dönük kanatlı fanlar için beklenenden daha az kanat sayısı ve düşük kanat giriş açısı vermektedir. Bu yöntemin gerekli düzeltmeler yapılmadan ileriye dönük kanatlı radyal fan tasarımı için kullanılması önerilmemektedir. İkinci tasarım ise Peng tarafından kendi kitabında önerilen parametreler kullanılarak yapılmıştır. Teorik hesaplamalar sonucunda kanat giriş açısının 37° olması gerektiğini öneren yöntemde kanat genişliği ise diğer yöntemlere göre daha küçüktür. HAD analizleri sonucunda bu yöntemle tasarlanan fanın tasarım noktasını sağlamadığı görülmüştür. Üçüncü tasarım ise klasik yöntem ile literatürde bulunan ve çok sayıda ileriye dönük kanatlı radyal fanda kullanılan parametrelerin kombinasyonuyla oluşturulmuştur. Kanat giriş ve çıkış açıları ile kanat sayısının literatürdeki fanlara yakın olarak belirlenmesiyle elde edilen değerlerle bu tasarımın tasarım noktasını sağladığı görülmüştür. Dördüncü tasarımda ise üçüncü tasarımda kullanılan ve tasarım noktasını sağlayan parametreler Peng yöntemine uygulanmıştır. Kanat giriş açısı 90° olarak belirlenmiş ve kanat giriş açısından etkilenmeyen diğer parametreler aynen korunmuştur. Sonuçlar incelendiğinde sadece kanat giriş açısının değiştirilmesi Peng yöntemi kullanılarak yapılan tasarımda tasarım noktasını sağlayamamıştır. Beşinci tasarımda da tekrar üçüncü tasarımda kullanılan bir parametre olan çark genişliği 22mm'den 40mm'ye çıkarılmış ancak bu değişiklik fan karakteristiğini iyileştirmiş olsa da tasarım noktasını sağlayamamıştır. Yapılan beş ayrı tasarım sonucunda Peng tarafından öne sürülen teorik çıkarımların ileriye dönük kanatlı radyal fan tasarımı için pek uygun değerler vermediği ve tasarım noktası değerlerini sağlamadığı görülmüştür. Geriye dönük kanatlı radyal fanlarda kullanılan yöntemin ise çeşitli parametreler düzeltilmeden ileriye dönük kanatlılar için kullanılmasının sakıncalı olduğu sonucuna varılmıştır. Kanat giriş açısının tek başına değiştirilmesi fan performansında önemli bir etki yapmadığı ve fan tasarımı yapılırken kanat genişliğinin çok önemli bir parametre olmasına rağmen performansı sağlanması için tek başına yeterli olmadığı görülmüştür.
Laboratuvar ölçekli yeraltında kömür gazlaştırma reaktörünün hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile yapay gaz üretiminin analizi
Yeraltında kömür gazlaştırma işlemi, kömür cevherinden, geleneksel madencilik yöntemlerinden farklı bir şekilde, yanıcı gaz elde edilerek faydalanılmasını sağlayan bir teknolojidir. Bu yöntemde, yeraltındaki kömür damarına sondaj yapılarak, sırasıyla, besleme kuyusu ve üretim kuyusu olarak isimlendirilen iki adet kuyu açılmaktadır. Besleme kuyusudan gazlaştırma ajanı olarak adlandırılan hava, saf oksijen, su buharı, karbondioksit veya bunların karışımından olan gazlar gönderilmektedir. Beslenen gazlar yeraltındaki kömür ile yanma ve gazlaşma tepkimelerine girerek kömürden ikincil bir yakıt elde edilmesini sağlamaktadır. Yapay gaz olarak adlandırılan bu ikincil yakıt ise üretim kuyusundan toplanarak yüzeye çıkartılır. Üretilen yapay gazın içeriğinde büyük oranda CO2, CO, H2 ve CH4 görülmektedir ve bu içerik sayesinde enerji ve hammadde kaynağı olarak çeşitli endüstriyel işlemlerde kullanılmaktadır. Yeraltında kömür gazlaştırma işlemi özellikle madenciliği ekonomik olmayan kömür yatakları için gelecek vaat etmektedir. Ancak YKG işlemi kontrolü zor ve çıktıları zamana bağlı olarak değişen bir süreçtir. Ayrıca işlem çıktıları kömür ve kömür yatağının özelliklerine göre büyük oranda değişmektedir. YKG işlemindeki bu değişkenliğin, çıktıların tahminini zorlaştırdığı açıktır. Süreç tahminini kolaylaştırmak için pilot denemeler ve saha deneyleri yapılmaktadır. Ancak bu deneme çalışmaları pilot ölçekli tesis kurulumu gerektirdiği için oldukça maliyetlidir. Saha deneyleri yerine son yıllarda laboratuvar ölçekli YKG deney tesisatları kurularak düşük maliyetlerle çeşitli kömürlerin YKG işlemine ve işlem parametrelerine etkisi ölçülebilmektedir. Tüm bu deneysel çalışmaların yanında YKG işlemi için matematiksel model geliştirme çalışmaları da yürütülmektedir. Matematik modeller sayesinde deneysel çalışmalarla da elde edilmesi mümkün olmayan veriler elde edilebilmektedir. Bunun yanında farklı işletme parametreleri de daha hızlı ve az maliyetle test edilebilmektedir. Bu tez kapsamında yeraltında kömür gazlaştırma işlemi için süreç sırasında görülen kinetik reaksiyonları kullanan 2 boyutlu, zamana bağlı matematik model geliştirilmiş ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile matematik modelin çözümü elde edilmiştir. YKG işleminin gerçekleştiği kömür bloğu gözenekli olarak modellenmiş ve kömür içerisinde gerçekleşen kuruma, piroliz, homojen ve heterojen reaksiyonlar model içerisinde yer almıştır. Kömürün gözeneklilik değeri, kömürün nem, kül, uçucu ve sabit karbon içeriğine bağlı olarak değişken ele alınmıştır. Böylece, reaksiyonlar neticesinde gerçekleşen kömür tükenimi modellenmiştir. Bu kömür tükenimi sırasında aynı zamanda kömür içindeki oyuk (kavite) oluşumu da modellenmiştir. Kömür bloğunun yanında gazlaştırma ajanları ve yapay gaz akışının gerçekleştiği gazlaştırma kanalı modele dahil edilmiştir. Gözenekli ortam olarak kabul edilen kömür bloğunda ve gazlaştırma kanalında momentum, kütle korunumu ve enerji korunumu denklemleri yardımıyla momentum, ısı ve kütle transferi hesaplanmıştır. Gazlaştırma kanalı ve kömür bloğu içinde gerçekleşen türbülanslı akış etkileri ise k-ε modeli ile hesaplanmıştır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemini kullanan ANSYS Fluent paket programı kullanılarak modelin sayısal çözümü sağlanmıştır. Sayısal çözüm çalışması için kullanılan geometri olarak, İTÜ Makina Fakültesinde, TÜBİTAK projesi kapsamında kurulan laboratuvar ölçekli YKG tesisatının reaktörü kullanılmıştır. Matematik model çözümünün doğrulanması, yine aynı deney tesisatında gerçekleştirilen bir deneysel çalışma ile yapılmıştır. Bu deneysel çalışmada Malkara-Pirinççeşme/Tekirdağ bölgesi linyit örneği ile oksijen ve su buharı kullanarak gazlaştırma işlemi yapılmıştır. Numerik sonuçların deneysel çalışmalar ile doğrulanmasında sonra YKG işleminde görülen oyuk (kavite) gelişimi, sıcaklık, kimyasal bileşen dağılımı sonuçları verilmiştir.
Numerical model of flue gas desulfurization spray tower in power plant
Flue gas desulphurization system is designed by many companies for power plant system due to the environmental regulations. As coal is the main energy source, many power plants were built in coal-reserve areas of Turkey. Besides the plants were built, many FGD systems were also built by different global companies. Every company has its own FGD technology to clean the gas before releasing from the flue. These technologies are developed and protected by patent applications. The Babcock & Wilcox Company, Lenthes Bischoff GMBH, Mitsubishi Heavy industries and Noell-KRC Umwelttechnik GMBH are well-known FGD companies which they were built Kemerköy, Yatağan, Afşin and Orhaneli power plants in the 1990s. These plants powers are various from 210 MW to 360 MW. FGD systems have been installed in as many power plants as ever, but there is still no method to accurately predict their behavior. It is desired to study the flow in the column in detail to achieve optimum column design, which is its difficulty. Among of FGD systems design requirements, cleaning of flue gas at high (90% and above) rates, maximum desulphurization and minimum pressure drop, is a priority. In this thesis numerical model of the flue gas tower is applied to a real scale power plant and investigate the performance of the column. Some design factors are selected to compare the results. These are (1) adding spray level, (2) integrate perforated plate, like Babcock & Wilcox patented tray and (3) putting a ring to reduce leaks either flue gas or slurry liquid due to the column wall. Numerical analyses in FGD system designs have become one of the most widely used methods today due to the development of computational fluid dynamics (CFD) techniques and increase in computational power. As a result of the CFD analysis, detailed flow field estimates are obtained, and this provides a better understanding of dynamics. In the literature review given in the introduction part of the thesis, besides numerical modeling studies, laboratory scale testing and mathematical modeling studies were included. Studies on FGD systems in the literature have been investigated and referenced in the thesis content. In the section on physical systems and simplifications, the modeling steps of the FGD system are given in titles. To summarize, the modeling steps are respectively solved by creating the geometry, extracting the flow volume, dividing the flow volume into the finite elements, meshing, and the geometry that is ready for model definition. Modeling steps of the flue gas system have also been given in this order. The FGD system, the column geometry, and piping in the spray levels were primarily created with Siemens NX cad program. Spray levels are modeled as surface due to simplification of the geometry. The prepared geometry was transferred to Ansys-SpaceClaim program and necessary definitions were made and sent to Ansys-Meshing program. Appropriate size meshing was created and necessary surfaces in the boundary definitions were also named. In Fluent program, it was solved by making appropriate definitions and results were obtained. The information obtained from literature and with some simplifications, the flue gas desulphurization system was modeled on the power plant scale. These simplifications are that the density of the sprayed droplets is much greater than the flue gas, and as a result, the forces can be neglected other than drag force. In the calculation of the drag force acting on the droplets, it is assumed that the droplets are in spherical form. At the same time, it was considered two-way interaction between the gas and liquid phases in the flue-gas column. Eulerian and Lagrangian approaches generally used for mathematical modeling of two-phase flow. The advantage of Lagrangian approach is that droplet physical properties (diameter, density, etc.) can differ in. In this thesis, Euler-Lagrange approach is used for these reasons. When the gas phase is defined as Euler, the droplets are modeled as a discrete phase by Lagrange trajectory approach. The modeling of the discrete phase is defined detailly. Especially since working FGD model has too many nozzles, a total of 460 nozzles, must be defined together with the position informations and the properties of each injection. For this process, MATLAB program and Excel file that define the injector properties are used. How the droplets will behave after hitting the column wall is governed by the added UDF code. Reflection angles and velocities are calculated by using the velocity and incidence angle of each droplet that hit the column wall. Numerical and test results of Weiss and Wieltsch were taken as reference in these calculations. First, FGD column was analysed without the injectors to provide convergence for the gas phase, and the results are given as a comparison. After the gas phase converges, the discrete phase is activated with unsteady particle tracking. While the quencher level and the second spray level are operated in all analyses, the first spray level, which usually reserves in power plants, is operated in a single analysis condition. When the tray is modeled, the porous-jump boundary condition is applied on the surface where the tray is located. The coefficients necessary for porous-jumping were found out from the literature with perforated-plate values of 50% porosity and estimated the height of slurry flow values to be accumulated on the plate were entered. If FGD column has a ring geometry, a ring surface was created in the model geometry, and wall boundary condition was defined for this surface. The results and interpretations are given in the last two sections, with each analysis of the resulting velocity and pressure figures, and the effects of comparative graphics and design factors are summarized. From these sections, it is seen that the pressure drop in the flow of the flue gas is observed as a corrective effect of flue gas distributions. However, this pressure drop will increase operating costs. Efficiency reduction of the desulfurization systems is mainly caused by colliding gases in the column walls. The inability to place a nozzle near the wall areas and the flow of the sprayed slurry from the wall cause inefficiency. Therefore, the design proposed by the ring addition analysis clearly shows that the flue gas escaping without desulfurization accelerates to the center of the column and helps to meet with the slurry. In the appendix, simple implementations that can be done before the modeling of the flue gas systems are given. UDF code for controlling droplet-wall interaction and some numerical results which were used to create figures were given in the appendix, too. In addition, since the study requires for defining a hollow-cone nozzle, the parameters to be defined for the hollow-cone nozzle, have been summarized from the Ansys Fluent User's Guide document along with explanations.
Effects of leading edge tubercles on wing sail performance
In this thesis study, effects of leading edge tubercles on 2013 America's Cup boat wing sail are investigated by using commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) code Star-CCM+. Adding tubercles on the leading edge of the sail is inspired by humpback whales, which are fast and maneuverable animals along baleen whales thanks to their distinctive flippers. Understanding the basic principles of sailing physics and difference between upwind and downwind sailing plays important role on designing a boat and its sails. Therefore, as a beginning, theoretical background of sailing physics is studied and explained in the chapter 2. Basic principles of lift generation and underlying flow phenomena are also tried to be explained in this chapter. There are numerous incorrect theories about lift generation which generates misconceptions about this nature phenomenon. Most widely accepted correct theory is lift generation by turning fluid which obtained by Kutta and Joukowski. Wing sail design and current state of the art bio-inspired wing design is explained in the chapter 3 of this thesis. It has been seen from the studies of whale flippers and bio-inspired wings that tubercles on the leading edge of the wings delay stall and provide better Lift/Drag ratio in high angle of attacks (AoA) compared to the plain wing with no undulations. Current theories about the physics of this phenomena are also explained in chapter 3. It has been observed from both in literature review and in this study that tubercles play similar role as vortex generators and exchange momentum in boundary layer which attaches flow to airfoil and creates better pressure distribution. Before the investigation of wing sails, validation study is carried out to determine optimum mesh values, numerical and mathematical models. Firstly, grid independence study is carried out and best mesh setting are determined for further analysis's. NACA 0012 airfoil wing performance is compared to experimental data performed in wind tunnel by Tezel et al (2017). Wing is tested at angles ranging from 10 to 32 degrees by using Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes Equation Solver (U-RANS) of Star CCM+. It has been seen that best results are achieved with implicit unsteady method by using Shear Stress Transport k-w (SST k-w) turbulence model. Same lift and drag behavior is observed between CFD and wind tunnel tests. Also NACA 0012 wing with leading edge tubercles analyzed and compared to wind tunnel tests. Both wind tunnel and CFD study show that modified wing is giving better overall performance than base NACA 0012 wing. Modified wing did not stall as base wing at AoA around 24 degrees and continued to provide lift in high angles of attacks. To conclude, similar results are archived between wind tunnel experiment CFD analysis after validation study. 2013 America's Cup boat wingsail geometry is developed according to the race rules to be able to measure effects of tubercles on its performance. Profile selection, element number and dimensions of sail are determined according to both literature review and rule book. After design of sail geometry, test matrix for CFD analysis is generated with totally six different tubercle dimensions. Sinusoidal tubercles are placed on leading edge with different wave lengths and amplitudes varying as a function of chord length. As a beginning, plain wing sail's lift coefficient, drag coefficient and lift to drag ratio is measured in CFD with different angle of attacks ranging from 140 to 320. It has been observed that stall angle is around 260. Therefore, modified wing sails with tubercles are tested in CFD at angle of attacks 230 and 300 to see performance change in pre-stall and post-stall regimes. Best results are achieved with largest wavelength and smallest amplitude tubercles in test matrix. Stall angle remained same with modified wingsail with tubercles while increasing lift/drag ratio after stall angles and having negligible negative effect in pre-stall regime. As a final step, this modified wingsail is compared with plain wingsail in all angles of attack between 140 to 320 with incremental step of 20. Tubercle geometry on the leading edge increased wing sail performance as expected after post-stall regimes by increasing lift/drag ratio compared to plain wingsail. In small angles of attack performance almost remained same between two wingsails. Final results, comments and future study suggestions are discussed in chapter five.
Use of hydrodynamic stability approach for the calculations of inflow boundary conditions and spread of an axisymmetric turbulent jet
The purpose of this study is to generate proper and sufficiently accurate inflow boundary conditions for turbulent jet simulations using the LES method with the help of hydrodynamic stability approach. This goal is achieved in two stages: In the first stage, the hydrodynamic stability of a circular pipe flow was analyzed by deriving linearized equations of motion for fluctuation components, which were solved by the parallel shooting method to obtain Fourier modes. In the second stage, by using these modes, instantaneous velocity profiles with correct space-time correlations were generated, which were then applied as an inflow boundary condition in several LES simulations of an incompressible, axisymmetric turbulent air jet. Finally, results were compared with the experimental data.
Mekan içi havalandırmada kullanılan rüzgar kapanı–atış bacası geometrisinin sayısal olarak incelenmesi
Doğal havalandırma, diğer mekanik sistemlere göre daha maliyetsiz ve daha temiz bir havalandırma sistemi olduğundan ötürü günümüzde tercih edilmektedir. Doğal havalandırma ile ilgili yapılan çalışmalar sürdürülebilirlik ve yeşil enerji kavramlarından ötürü artmaktadır. Doğal havalandırma, belirli bir hacim içerisinde bulunan kirli atık havanın sıcaklık veya basınç farkları sebebiyle binadan uzaklaştırılması prensibine dayanır. Tez çalışması kapsamında, eski zamanlardan beri kullanılan ve modern binalara uyarlanan rüzgar kapanları detaylı bir şekilde incelenmiştir. Günümüzde birçok modern yapıya uyarlanmış rüzgar kapanı örneğine rastlanmaktadır. Yapılan tez çalışması kapsamında, tek katlı 18 m x 14.5 m x 4 m boyutlarındaki bir binanın rüzgar kapanı ve atış bacası geometrilerine göre hesaplamalı akışkanlar mekaniği ile doğal havalandırma analizi incelenmiştir. Bu bina üzerine 5.5 m yüksekliğinde bir rüzgar kapanı yerleştirilmiştir. Rüzgar kapanı arkasına bir adet atış bacası konumlandırılmıştır. Bina modelinde rüzgâr kapanı rüzgâr geliş yönüne konumlanmıştır. Rüzgâr kapanı arkasına bir atış bacası konumlandırılarak rüzgâr kapanı engelinden dolayı oluşan basınç düşümünden faydalanılarak bina içerisindeki atık havanın dışarı atılması amaçlanmıştır. Bu etkiyi gözlemlemek için atış bacası çeşitli yüksekliklerde denenmiştir. Bu bina için 10 adet havalandırma modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan havalandırma modellerindeki değişken parametre atış bacası yükseklikleridir. Rüzgâr kapanı yüksekliği sabit bir değerdedir. Atış bacası yüksekliği 1 metreden başlayarak 0.5 m aralıklarla arttırılarak 10 adet model oluşturulmuştur. 10. Modelde atış bacası yüksekliği ve rüzgar kapanı yüksekliği aynı değerdedir. Ortalama rüzgâr hızı (3 m/s) ve yönü Çin Dezhou bölgesi meteoroloji verilerinden alınmıştır. Sayısal analiz çalışmalarından önce, binanın 3 boyutlu modeli fluent programının geometri kısmında oluşturulmuştur. Modelin ayrıklaştırılma(mesh) işlemi ve sınır koşullarının belirlenerek modelin çözdürülmesi yine FLUENT ANSYS programında yapılmıştır. Bina içerisindeki çözümlerde, vizkoz özelliğinden dolayı türbülans modeli olarak standart k-ɛ modeli kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre belirlenen en verimli model için iyileştirme yapılarak yeni bir model olan M11 modeli oluşturulmuştur. Rüzgar kapanı köşeleri yuvarlatılarak elde edilen M11 modeli en verimli model olarak gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, kütlesel debi, hava hızı ve basınç katsayısı(cp) değerlerini içermektedir.