Geri Dön

Uçak yakıt termal yönetim sistemlerinde entropi üretimi minimizasyonu: Simscape ve Matlab tabanlı modelleme ve optimizasyon

Entropy generation minimization in aircraft fuel thermal management systems: Simscape and Matlab based modeling and optimization

PDF İndir

  1. Tez No: 1002393
  2. Yazar: GÜLSÜM YESİR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM ÖZKOL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Bu tez çalışması, günümüz ticari ve savaş uçaklarının kritik bileşenlerinden biri olan Uçak Yakıt Termal Yönetim Sistemi'nin (UYTYS) devridaim hattının termodinamik performansının iyileştirilmesi amacıyla hazırlanmıştır. Uçaklarda termal yönetimin önemi ve tasarım gereksinimleri kapsamında, yakıt devridaim hattının ısı kaynakları ve soğutma yöntemleri analiz edilmiştir. Ayrıca, entropi kavramının termal yönetimdeki rolü detaylı şekilde incelenmiş ve uçak termal sistemlerine entegrasyonu üzerine temel bilgiler verilmiştir. Uçaklardaki termal yüklerin yönetiminde kullanılan ısı transfer mekanizmaları, entropi kavramı ve entropi üretiminin termal sistemlerde kullanımı kapsamlı biçimde ele alınmıştır. Ayrıca, ısıl akış yollarının analizi ve gelişmiş soğutma teknolojileri incelenmiş, termal yönetim sistemlerinin optimizasyon yaklaşımları ile modelleme teknikleri literatür çerçevesinde değerlendirilmiştir. Bu sayede, çalışmanın temel kavramsal altyapısı oluşturulmuş ve UYTYS'de entropi üretiminin minimize edilmesinin önemine dikkat çekilmiştir. Entropi üretimi minimizasyonunun termodinamik temelleri, uygulama alanları ve avantajları açıkça ortaya konmuştur. Sistemin matematiksel modeli oluşturulmuş, yakıt devridaim hattı boyunca akış ve ısı transferi kaynaklı geri döndürülemezliklerin entropi üretimi üzerindeki etkileri formüle edilmiştir. Genetik algoritma kullanılarak çok değişkenli optimizasyon problemi tanımlanmış ve MATLAB tabanlı nümerik analizlerle çözülmüştür. Uçuş koşullarına ve sistem parametrelerine uygun olarak belirlenen sınırlar dahilinde, boru çapı, boru uzunluğu ve yakıt debisi optimize edilmiştir. Son olarak, fiziksel doğrulama amacıyla Simscape ortamında sistem modeli kurulmuş ve sayısal doğrulama yapılmıştır. Simülasyon sonuçları, matematiksel modelin güvenilirliğini ve gerçekçilik derecesini ortaya koymuştur. Tez kapsamında gerçekleştirilen optimizasyon çalışmasında elde edilen minimum entropi üretimi değeri yaklaşık 90 kW/K seviyesinde gerçekleşmiş ve bu sonuçlar literatürde benzer uygulamalarda bildirilen değerlerle (örneğin Zhang ve diğ, 2023) uyumlu bulunmuştur. Bu, çalışma kapsamında uygulanan metodolojinin doğruluğunu ve pratik geçerliliğini göstermektedir. Ayrıca, literatürde sıklıkla göz ardı edilen yakıt devridaim hattının entropi üretimi detaylı şekilde analiz edilerek özgün bir katkı sağlanmıştır. Bu çalışmanın en önemli kazanımları şunlardır: İlk olarak, entropi üretimi temelli optimizasyon yaklaşımının uçak yakıt termal yönetim sistemine uygulanması ve böylece sistem verimliliğinin artırılması sağlanmıştır. İkinci olarak, genetik algoritma tabanlı çok değişkenli optimizasyon ile gerçek uçuş koşulları ve fiziksel sınırlar göz önünde bulundurulmuştur. Üçüncü olarak, Simscape tabanlı fiziksel modelleme ile sayısal ve teorik sonuçların doğrulanması mümkün olmuş, bu sayede geliştirilen modelin pratik uygulamalarda kullanılabilirliği ortaya konmuştur. Son olarak, devridaim hattının entropi etkileri detaylı incelenerek, literatürde nadiren ele alınan bu kritik parametreye özgün bir perspektif kazandırılmıştır. Bu tez hem akademik literatüre hem de havacılık sektöründeki uygulamalara önemli katkılar sunmaktadır. Uçak yakıt termal yönetim sistemlerinin tasarımında enerji verimliliğini artırmak, ısıl stabiliteyi sağlamak ve geri kazanılabilir enerji potansiyelini yükseltmek açısından özgün ve sayısal temellere dayanan bir optimizasyon modeli geliştirmiştir. Ayrıca, geliştirilen metodolojinin erken tasarım aşamalarında sistem performansını iyileştirmek için kullanılabileceği ortaya konmuştur.

Özet (Çeviri)

This thesis focuses on improving the thermodynamic performance of the recirculation line integrated into the fuel thermal management system, one of the critical sub-components of modern commercial and fighter aircraft. The fundamental approach of the study is to increase the system's energy efficiency and reduce irreversible losses by using the criterion of minimizing entropy production. According to the second law of thermodynamics, entropy is a measure of disorder and irreversibility within a system. Therefore, reducing entropy production corresponds to both theoretically higher energy efficiency and, in practice, more stable and reliable thermal management. In the first phase of the thesis, the general importance and design requirements of aircraft thermal management were discussed, and external environmental conditions, pressurized and unpressurised compartments, cargo sections, passenger comfort, and the thermal requirements of aircraft equipment were examined in detail. Heat loads in aircraft originate from engines, electronic components, and environmental factors, and failure to manage these loads effectively has negative impacts on aircraft safety and operational efficiency. In this context, the role of heat transfer mechanisms (conduction, convection, radiation, and mixed processes) in thermal management has been examined, and the current cooling methods used in aircraft have been evaluated. The concept of entropy and its role and importance in thermal systems form the fundamental theoretical basis of this study. Entropy production arises due to flow friction, heat transfers resulting from temperature differences, and internal imbalances within the system, thereby reducing available energy. Consequently, the entropy minimization approach has been adopted as a design strategy aimed at minimizing energy losses. The use of ram-air-assisted fuel cooling systems, particularly in aircraft, offers a critical solution under high thermal loads; however, significant entropy production also occurs during this process. In this thesis, reducing this production is considered a fundamental criterion for improving system performance. One of the original aspects of the study is the detailed examination of the fuel recirculation line. While the literature generally focuses on the overall performance of the system, this study treats the recirculation line, through which fuel returns to the tank, as a separate subsystem, analyzing the irreversibilities caused by heat transfer and flow in this line. Thus, it fills a gap rarely addressed in the literature and provides new findings about the critical parameters of the system. During the mathematical modelling stage, entropy production was formulated based on design parameters such as pipe diameter, pipe length, and fuel mass flow rate. The model considered the fluid inlet-outlet entropies, heat losses, and entropy production arising from pressure drops. Thus, the total entropy production was determined as a measure of irreversible energy losses, and the minimization objective function was defined. This process resulted in a multivariable and non-linear optimization problem. A genetic algorithm was used to solve the problem. Genetic algorithms can produce effective results in large search spaces and approach the optimal solution without getting stuck in local minima, thanks to their structures inspired by biological evolution principles. Using this method, the complex relationships between pipe diameter, length and fuel flow rate were solved, and the optimal design parameters were obtained. Physical constraints and thermal limitations appropriate to the flight scenarios were taken into account during the optimization process. To ensure the reliability of the mathematical model, a physical model was established in the Simscape environment. In this model, system performance was examined for different fuel flow rates, and the results obtained were compared with the mathematical model. The analyses showed a high degree of agreement, confirming the accuracy of the developed methodology. Physical modelling also provided the opportunity to evaluate how the parameters determined by optimization affect system behavior under practical conditions. The study resulted in a minimum entropy production of approximately 90 kW/K, representing a 67.3% reduction in entropy production compared to the initial state. This value is consistent with those reported in the literature for similar systems, demonstrating that the study provides strong validation from both theoretical and practical perspectives. The most significant achievements of this thesis include the application of entropy production minimization to aircraft fuel thermal management systems, the effective use of genetic algorithm-based multi-variable optimization, the integration of Simscape-based physical modelling for verification purposes, and a detailed examination of the recirculation line, which is largely overlooked in the literature. Thus, both the overall performance of the system and a unique subsystem analysis have been conducted. The practical value of the study lies in its potential to increase energy efficiency and operational reliability in aircraft thermal management. Reducing energy losses in the fuel line provides a more stable temperature profile, increased thermal efficiency, and improved equipment life. These findings directly contribute to engineering applications in the design of thermal systems in the aviation industry. Furthermore, the use of the developed methodology in the early design stages has the potential to reduce engineering costs and improve system performance. However, the study has certain limitations. The investigations were conducted under steady flight conditions, and time-dependent dynamics were not taken into account. The effects of the pump, valve, and other control elements were not included in the model; the focus was solely on the recirculation line. Furthermore, the parameter ranges used in the optimization process were limited to specific literature data, and validity for different aircraft types and operational scenarios was not additionally tested. Recommendations for future work include performing time-dependent analyses, integrating the dynamic effects of control elements into the model, testing alternative coolants other than fuel, investigating entropy production in other components of the system, and performing parameter optimizations for different aircraft types. In line with these recommendations, a more comprehensive and holistic thermal management system optimization can be achieved. In conclusion, this thesis study has demonstrated the applicability of the entropy minimization approach in the design of aircraft fuel thermal management systems and emphasized the importance of the recirculation line, which has been addressed only to a limited extent in the literature. By comprehensively integrating mathematical modelling, optimization, and physical validation steps, this study offers valuable contributions to both academic literature and engineering applications.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    945895

    Hydrogen fuel cell integration in aviation: Conceptual design of a CS-23 category aircraft

    Havacılıkta hidrojen yakıt hücresi entegrasyonu: CS-23 kategorisindeki bir uçağın kavramsal tasarımı

    CANER İLHAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET SUHA YAZICI

  2. Tez No

    948047

    Cryogenıc hydrogen tank thermal ınteractıons and effects on thermal stratıfıcatıon

    Kriyojenik hidrojen tanki termal etkileşimleri ve termal katmanlaşmaya etkisi

    SÜLEYMAN KURAL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET ZİYAETTİN ŞAHİN

  3. Tez No

    1000799

    Design, advanced manufacturing, and performance evaluation of optical sensor-integrated laminated composite monoleaf springs for heavy commercial vehicles: A numerical and experimental study

    Ağır ticari araçlar için optik sensör entegreli lamine kompozit tek katlı yaprak yayların tasarımı, ileri üretimi ve performans değerlendirmesi: Sayısal ve deneysel bir çalışma

    MUSTAFA BAŞARAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2026

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN

    PROF. DR. MEHMET YILDIZ

  4. Tez No

    941215

    Development of novel green monopropellant thrusters

    Yenilikçi tek bileşenli itki motorlarının geliştirilmesi

    UĞUR KOKAL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM ÖZKOL

    DOÇ. DR. MUSTAFA ARİF KARABEYOĞLU

  5. Tez No

    930932

    Type 4 700 bar hydrogen storage tank optimization study

    Tip 4 700 bar hidrojen depolama tankı optimizasyon çalışması

    KADİR DEMİRCİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ DEMET BALKAN

    PROF. DR. NURİ BÜLENT ERSOY

Geri Dön