Otomotiv ön cam buz çözme performansının sayısal olarak modellenmesi ve buzun erimesine etki eden parametrelerin irdelenmesi

Otomobil iklimlendirme sistemlerinin geliştirilmesinde sürücü ve yolcu güvenliği ile ısıl konfor en önemli parametre olarak görülmektedir. Özellikle şiddetli soğukların olduğu kış aylarında ön cam ve kapı camları üzerinde buz ve buğu tabakasının oluşumu sürücü görüş alanını kısıtlamakta ve sürüş dikkatini dağıtmaktadır. Bu nedenle otomobil kalorifer sisteminin performansı araç klima sisteminin dizaynında önemli bir yere sahiptir. Buz ve buğu çözme sisteminin yeteneği, cam üzerinde oluşan buz tabakasının ne kadar hızlı ve efektif çözüldüğü, cam içerisinde oluşan buğunun ise ne oranda temizlendiği ile ölçülmektedir. Sistemin belirtilen bu özellikleri sağlayabilmesinin altında cama üflenen hava sıcaklığı ve üfleci terkeden sıcak havanın cam etrafındaki hareketi yatmaktadır. Sıcak havanın cam yüzeyi etrafındaki dolaşımı camdan buza doğru olan ısı transferini arttırmakta ve cam dış yüzeyinde bulunan buzun erimesini sağlamaktadır. Uygun hava hızlarının ve sıcaklıklarının sağlanması durumunda kalorifer sisteminin buz çözme performansı sürüşün her anında güvenli görüş açısının elde edilmesini sağlayabilmektedir. Bu tez çalışması kapsamında basitleştirilmiş iki boyutlu bir model oluşturulmuş ve bu model üzerinde numerik çalışmalar yapılmıştır. Model üzerinde buz tabakasının kalınlığı sabit kabul edilmiş ve sistem performansı buzun erimesi ile değil bu tabaka içerisindeki sıvı oranının takip edilmesi ile belirlenmiştir. Fluent programı yardımıyla entalpi-porozite yöntemi kullanılarak türbülans modelinin, sayısal çözüm ağ yapısının, hava jetinin cama çarpma açısının, cam üzerindeki buz kalınlığının ve kullanılan sınır şartlarının buzun erimesine olan etkileri teker teker irdelenmiştir. İki boyutlu analizlerden sonra ağır ticari bir yol kamyonunun kabin içi ve ön cam üfleçleri modellenmiş analizlere üç boyutlu olarak devam edilmiştir. Yapılan numerik analizlerin sonuçları modellenen yol kamyonunun soğuk odada yapılmış test sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Oluşturulan üç boyutlu model ile test sonuçlarının farklılıkları nedenleri ile birlikte ortaya konulmuş, modelde yapılan yaklaşımlar sonuçlar ile birlikte özetlenmiştir. Tezin ilk bölümünde tezin amacı ve konu hakkında yapılan literatür araştırması paylaşılmıştır. Yapılan çalışmalarda kullanılan modeller incelenerek elde edilen sonuçlar irdelenmiştir. Bu çalışmalardan yola çıkılarak tez kapsamı belirlenmiş ve çalışma kapsamında yapılacak yaklaşım ve kabuller ortaya konmuştur. İkinci bölümde buz oluşum sürecinden ve otomobil buz çözme sistmeminin çalışma prensibinden bahsedilmiştir. Cama üflenen sıcak havanın cam boyunca oluşturduğu iletim ve taşınımla ısı transfer mekanizması detaylı olarak açıklanmıştır. Cam içerisinde ısı iletiminin üç boyutlu olduğundan bahsedilmiş ve camı oluşturan katmanların ısı iletimine olan etkisi açıklanmıştır. Ayrıca buz çözme performansını etkileyen en önemli iki parametrenin, üflenen havanın sıcaklığı ve hava hızlarının optimize edilmesi olduğu belirtilmiştir. Tezin üçüncü bölümünde buz çözme mekanizması için kullanılan numerik metotlar ve ilgili eşitlikler paylaşılmıştır. Akış ve ısı transfer eşitlikleri kütlenin korunumu, momentum ve enerji denklemleri yardımıyla çıkarılmıştır. Entalpi-porozite modelinin detaylarından bahsedilmiş buz tabakasının poroz ortam olarak tanımlanması gerektiği açıklanmıştır. Erime modelindeki porozite değerinin sıvı oranına eşit olduğu açıklanmıştır. Araç buz çözme performansı için firmaların takip ettiği şartnameler ve bu şartnamelerin gereklilik ve içerikleri tezin dördüncü bölümünde gösterilmiştir. Bu şartnamelere uyabilmek için hava üflecinin konumu, hava jetinin cama çarpma açısı, üflecin geometrik yapısı ve sayısı gibi parametrelerin çok iyi şekilde incelenmesi gerekmektedir. Otomobil ön cam buz çözme testinin yapılışı, aracın teste hazırlanması ve test sırasında kullanılan takip metotları beşinci bölümde açıklanmıştır. Kızıl ötesi görüntüleme tekniği, çizgi takip metodu, lazer ışın tekniği ve dijital fotoğraflama yöntemlerinden detaylı olarak bahsedilmiştir. Üflenen havanın sıcaklığının zamanla değişimi ve ön cama üflenen havanın ortalama sıcaklığı paylaşılmıştır. Motor suyu sıcaklığı test başlangıcında ortam sıcaklığına eşitken, testin başlamasıyla birlikte ısınmakta ve kalorifer peteği içerisinde dolaşan akışkanın sıcaklığı da artmaktadır. Böylece petek üzerinde kabin içerisine üflenen havaya doğru olan ısı transferi artmakta ve üfleme sıcaklığı giderek yükselmektedir. Buna paralel olarak cam üzerindeki buzun erimesi artan cam yüzey sıcaklığı dolayısıyla hızlanmaktadır. Bu bölümde paylaşılan, test sırasında toplanmış olan üfleme sıcaklıkları zamana bağlı bir fonksiyona çevrilmiş ve sayısal analizlerde giriş şartı olarak kullanılmıştır. Tez kapsamında oluşturulan iki boyutlu ve üç boyutlu modeller ve yapılan analizler altıncı bölümde detaylandırılmıştır. İki boyutlu model Creo programında tasarlanmış, Ansys 15.0 programında çözüm ağı oluşturulmuş ve analiz yapılmıştır. İki boyutlu model üzerinde yapılan parametrik çalışmalar sonucunda, kullanılan türbülans modelinin ve ağ yapısının cam etrafındaki hava hızlarına ve buzun erime süresine önemli derecede etki ettiği gösterilmiştir. Hava jetinin cama çarpma açısı arttıkça erimenin camın daha alt kısımlarında başladığı görülmüştür. Ayrıca buz tabakasının kalınlığının artmasıyla gerekli olan toplam erime gizli ısı miktarı da artacağından erime süresinin uzadığı gösterilmiştir. Araç yan duvarları için kullanılan sınır şartlarının adyabatik ya da taşınım sınır şartı olması durumunda buzun erime sürecinin nasıl değiştiği karşılaştırılmıştır. İki boyutlu modelleme çalışmasının ardından ağır ticari kamyonun yarım kabin modeli oluşturularak erime üç boyutlu olarak analiz edilmiştir. Araç geometrisi CATIA V5 programında modellenmiş, hacimsel çözüm ağı ANSA V15 programında oluşturulmuştur. Katı ağ modeli kullanılarak cam ve buz tabakası örülmüş, buz içerisinde toplam 5 adet, cam içerisinde ise toplam 10 adet eşit kalınlıkta tabaka oluşturulmuştur. Fluent programında entalpi-porozite yönteminden yararlanılarak erime simüle edilmiştir. Soğuk oda test korelasyonu yapabilmek için yan duvarlarda adyabatik ve taşınım sınır şartı karşılaştırılmıştır. Son bölümde sonuçlar detaylı olarak açıklanmış, model için yapılan kabullerin ne derece doğru olduğu tartışılmıştır. Test sonuçlarından yola çıkarak model iyileştirmesi için gerekli olan öneriler paylaşılmıştır.