CFD based ınvestıgatıon of demıstıng performance ın helıcopter applıcatıons
Helikopter uygulamalarında had tabanlı bugu önleme performansının incelenmesi
- Tez No: 1011485
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİİHSAN KOCA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Savunma ve Savunma Teknolojileri, Uçak Mühendisliği, Mechanical Engineering, Defense and Defense Technologies, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
- Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu çalışmada, helikopter ön camında oluşan buğulanma problemini gidermeyi amaçlayan buğu çözme performansı sayısal olarak incelenmiş ve sistemin farklı işletme koşulları altındaki davranışı nicel performans metrikleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Havacılık uygulamalarında kokpit görüşünün korunması, uçuş emniyetinin en kritik unsurlarından biri olarak kabul edilmektedir. Özellikle yüksek nemli atmosfer koşullarında, sıcaklık farkları nedeniyle cam yüzeyi üzerinde meydana gelen yoğuşma olgusu, pilot görüş alanını hızla azaltabilmekte ve uçuş operasyonlarını olumsuz yönde etkileyebilmektedir. Buğulanma, yalnızca yüzeyde biriken sıvı suyun oluşturduğu bir tabaka problemi değil; aynı zamanda nemli hava akışı, ısı transferi, faz değişimi ve yüzey üzerinde gerçekleşen sıvı film taşınımını içeren karmaşık bir ısı ve kütle transferi sürecidir. Bu nedenle buğu oluşumu ve giderilmesi, zamana bağlı çok fazlı bir problem olarak ele alınmalıdır. Bu çalışmada söz konusu fiziksel süreçler bütüncül bir yaklaşımla incelenmiş ve helikopter ön camı üzerinde gerçekleşen buğu çözme mekanizması sayısal akışkanlar dinamiği (CFD) yöntemleri kullanılarak analiz edilmiştir. Pilot görüşünü ve uçuş emniyetini doğrudan etkileyen buğulanma olgusu, yoğuşma, sıvı film oluşumu ve cam yüzeyi üzerindeki film taşınımını içeren zamana bağlı çok fazlı bir ısı ve kütle transferi problemi olarak ele alınmıştır. Ön cam yüzeyinde meydana gelen yoğuşma ve sıvı film oluşumu Eulerian Wall Film (EWF) modeli kullanılarak modellenmiştir. Bu modelde, duvarla temas eden sıvı tabaka ayrı bir faz olarak ele alınmakta ve duvar yüzeyi boyunca gelişen ince film tabakasının davranışı detaylı şekilde temsil edilmektedir. Eulerian Wall Film yaklaşımı, duvar üzerindeki sıvı filmin kalınlığını, hızını ve kütlesini zamanla değişen bir alan değişkeni olarak ele almakta ve film bölgesi içerisinde kütle, momentum ve enerji korunum denklemlerinin çözülmesini sağlamaktadır. Böylece yoğuşma sonucunda oluşan sıvı suyun yüzey üzerinde nasıl yayıldığı, hangi bölgelerde biriktiği ve hava akışı etkisiyle nasıl taşındığı fiziksel olarak temsil edilebilmektedir. Bu yaklaşım, özellikle ince sıvı film tabakalarının davranışının incelenmesinde yaygın olarak kullanılan ve deneysel gözlemlerle uyumlu sonuçlar verebilen bir modelleme tekniğidir. Aynı zamanda nemli hava bölgesindeki yoğuşma süreci, tür taşınımı yaklaşımı kullanılarak zamana bağlı bir CFD ortamında çözülmüş; su buharının difüzyonu, taşınımı ve faz değişimi mekanizmaları birlikte dikkate alınmıştır. Tür taşınımı modeli sayesinde hava içerisindeki su buharı kütle kesri alanı hesaplanabilmekte ve doyma koşullarına ulaşılan bölgelerde yoğuşma süreci başlatılabilmektedir. Bu kapsamda, gaz fazı içerisinde bulunan su buharının cam yüzeyi yakınındaki sıcaklık ve basınç koşullarına bağlı olarak sıvı faza dönüşmesi modellenmiştir. Yoğuşma sürecinin başlamasıyla birlikte yüzeyde sıvı film oluşmakta ve bu film tabakası hava akışının etkisi altında taşınarak yüzey boyunca yayılmaktadır. Bu süreçte hem gaz fazı hem de sıvı film fazı arasında kütle ve enerji alışverişi gerçekleşmekte; böylece yoğuşma, film oluşumu ve film taşınımı mekanizmaları birbirine bağlı olarak çözümlenmektedir. Zamana bağlı çözüm yaklaşımı kullanılarak buğu oluşumu ve giderilmesinin dinamik karakteri ortaya konmuş, sistemin farklı zaman ölçeklerindeki davranışı incelenebilmiştir. Buğu çözme performansının yalnızca kütlesel bir bakış açısıyla değerlendirilmesinin optik görüş koşullarını tam olarak temsil etmekte yetersiz kalacağı göz önünde bulundurularak iki bağımsız performans metriği tanımlanmıştır. Birinci metrik, belirli bir zaman aralığında cam yüzeyinden uzaklaştırılan toplam sıvı film kütlesi olup, hava akışının yoğuşmuş suyu camdan temizleme etkinliğini nicel olarak ifade etmektedir. Bu metrik, yüzey üzerinde oluşan sıvı film miktarının zamanla nasıl değiştiğini ve hava akışının film tabakasını ne ölçüde uzaklaştırabildiğini değerlendirmeye olanak sağlamaktadır. Özellikle yüksek debili hava akışlarında artan duvar kayma gerilmesinin film taşınımı üzerindeki etkisi bu metrik aracılığıyla incelenebilmektedir. İkinci metrik ise toplam görüş alanının, film kalınlığının kritik eşik değerinin altına düştüğü alanlara oranı olarak tanımlanmıştır ve optik açıdan kabul edilebilir temiz bölgeyi temsil etmektedir. Bu yaklaşım, yüzey üzerinde bulunan sıvı film kalınlığının görüş üzerindeki etkisini dikkate alarak gerçekçi bir değerlendirme yapılmasını sağlamaktadır. Belirli bir eşik film kalınlığının üzerindeki bölgelerde optik bozulmanın meydana geldiği kabul edilmekte ve bu bölgeler görüş açısından olumsuz olarak değerlendirilmektedir. Buna karşılık, film kalınlığının kritik değerin altında olduğu bölgeler ise optik açıdan kabul edilebilir temiz alanlar olarak tanımlanmaktadır. Bu iki metrikli yaklaşım sayesinde hem fiziksel su uzaklaştırma kapasitesi hem de görsel netlik performansı eş zamanlı olarak değerlendirilebilmekte, böylece buğu çözme etkinliği daha gerçekçi ve mühendislik açısından anlamlı bir şekilde yorumlanabilmektedir. Giriş hava debisi, giriş hava sıcaklığı, nemi temsil eden kütle kesri ve helikopter irtifasına bağlı olarak değişen işletme basınç parametrelerinin bu performans metrikleri üzerindeki etkileri parametrik olarak incelenmiştir. Her bir parametre, gerçek uçuş ve çevresel koşulları temsil edecek operasyonel aralıklarda değiştirilmiştir. Böylece sistemin farklı atmosfer koşulları ve operasyon senaryoları altındaki davranışı kapsamlı şekilde değerlendirilmiştir. Parametrik analiz yaklaşımı, her bir değişkenin buğu çözme performansı üzerindeki bağımsız ve birleşik etkilerinin ortaya konmasına olanak sağlamıştır. Giriş sıcaklığı hem cam yüzeyinin duyulur ısıtılmasını hem de çarpan hava akışının bağıl nemini etkilemektedir. Daha yüksek giriş sıcaklıkları, cam yüzeyi sıcaklığını artırarak yoğuşma oluşumunu baskılamakta ve yüzey üzerinde sıvı film oluşma eğilimini azaltmaktadır. Ayrıca sıcak hava akışı, yüzey üzerinde mevcut olan sıvı filmin buharlaşmasına katkıda bulunarak buğu çözme sürecini hızlandırabilmektedir. Kütlesel debi ise taşınımla ısı transfer katsayısını ve sıvı film üzerine uygulanan kayma gerilmesini belirlemektedir. Debinin artması, yüzey üzerindeki akış hızını yükselterek duvar kayma gerilmesini artırmakta ve bu sayede sıvı film tabakasının yüzey boyunca taşınarak uzaklaştırılmasını kolaylaştırmaktadır. Aynı zamanda artan akış hızı taşınımla ısı transfer katsayısını da yükselterek yüzey ile hava akışı arasındaki enerji transferini güçlendirmektedir. Nem parametresi yoğuşma potansiyelini kontrol ederken, irtifa hava yoğunluğunu ve termofiziksel özellikleri değiştirerek sistemin genel ısı ve kütle transferi karakteristiğini etkilemektedir. Yüksek nem oranlarında hava içerisindeki su buharı miktarı arttığından yoğuşma eğilimi güçlenmekte ve cam yüzeyinde daha kalın sıvı film tabakaları oluşabilmektedir. Bu nedenle nem parametresi özellikle doyma koşullarına yakın durumlarda buğu oluşumu üzerinde belirleyici bir rol oynamaktadır. İrtifa ise atmosfer basıncını ve buna bağlı olarak hava yoğunluğunu değiştirmektedir. Yoğunluk değişimi akış karakteristiğini ve Reynolds sayısını etkileyerek taşınım süreçlerini dolaylı biçimde değiştirebilmektedir. Bu nedenle irtifa parametresi de sistemin genel performansı üzerinde dolaylı fakat dikkate değer bir etkiye sahiptir. Elde edilen CFD sonuçları kullanılarak, işletme parametreleri ile tanımlanan performans metrikleri arasındaki ilişkileri ortaya koymak amacıyla regresyon tabanlı korelasyon modelleri geliştirilmiştir. Bu modeller sistematik parametrik veri işleme süreciyle oluşturulmuş ve genellenebilirliklerinin sağlanması amacıyla ayrı eğitim ve test veri setleri kullanılarak doğrulanmıştır. Regresyon analizi kapsamında, CFD simülasyonlarından elde edilen geniş veri seti istatistiksel yöntemler kullanılarak analiz edilmiş ve performans metriklerini temsil edebilecek indirgenmiş mertebeli matematiksel ifadeler elde edilmiştir. Bu yaklaşım sayesinde yüksek hesaplama maliyetine sahip ayrıntılı CFD çözümlerine ihtiyaç duyulmadan sistem performansının hızlı bir şekilde tahmin edilebilmesi mümkün hâle gelmiştir. Regresyon sonuçlarının CFD verileri ile yüksek derecede uyumlu olduğu ve hata oranlarının kabul edilebilir sınırlar içinde kaldığı görülmüştür. Bu durum, önerilen indirgenmiş mertebeli modellerin buğu çözme sürecini yöneten baskın fiziksel eğilimleri başarıyla yakaladığını göstermektedir. Aynı zamanda geliştirilen korelasyonların farklı işletme koşulları için güvenilir tahminler üretebildiği ve parametrik tasarım çalışmalarında etkin bir araç olarak kullanılabileceği ortaya konmuştur. Analizler, buğu çözme performansını etkileyen en baskın parametrenin hava sıcaklığı olduğunu ortaya koymuştur. Bu durum, sıcaklığın doyma koşulları ve yoğuşmanın bastırılması üzerindeki doğrudan etkisinden kaynaklanmaktadır. Kütlesel debi ise sıvı film taşınımında belirleyici rol oynamakta; duvar kayma gerilmesini artırarak ve taşınımla ısı transferini iyileştirerek film uzaklaştırma sürecini hızlandırmaktadır. Nem parametresinin etkisi sıcaklık ile birlikte değerlendirilmelidir; özellikle doyma koşullarına yakın durumlarda kritik hâle gelmektedir. İrtifa etkisinin sabit ısı transfer koşulları altında sınırlı olduğu görülmekle birlikte, operasyonel koşullara bağlı olarak hava yoğunluğu ve Reynolds sayısı üzerinden dolaylı etkiler oluşturabileceği değerlendirilmiştir. Bu çalışmada gerçekleştirilen sayısal modelleme yaklaşımının güvenilirliği ve fiziksel tutarlılığı, çözüm sürecinde kullanılan sayısal yöntemlerin dikkatli bir şekilde seçilmesi ve uygun sınır koşullarının tanımlanması ile sağlanmıştır. Zamana bağlı çözüm yaklaşımı kullanılarak yoğuşma ve sıvı film oluşumunun geçici davranışı yakalanmış, böylece buğu oluşumu ve giderilmesi sürecinin zamana bağlı evrimi ayrıntılı biçimde incelenebilmiştir. Ayrıca çözüm ağı bağımsızlığı ve zaman adımı hassasiyeti gibi sayısal doğrulama adımları dikkate alınarak elde edilen sonuçların ağ yapısına veya zaman çözünürlüğüne bağlı olarak değişmediği doğrulanmıştır. Bu sayede elde edilen akış, sıcaklık ve film kalınlığı dağılımlarının fiziksel olarak anlamlı ve güvenilir olduğu ortaya konmuştur. Özellikle cam yüzeyi yakınındaki sınır tabaka bölgesinde meydana gelen sıcaklık ve nem gradyanlarının doğru şekilde temsil edilmesi, yoğuşma sürecinin doğru modellenmesi açısından kritik önem taşımaktadır. Bu bağlamda kullanılan modelleme yaklaşımı, hem gaz fazındaki taşınım süreçlerini hem de yüzey üzerinde gelişen sıvı film davranışını eş zamanlı olarak çözebilme yeteneği sayesinde buğu oluşumu ve buğu çözme mekanizmalarının fiziksel doğasını kapsamlı bir şekilde temsil etmektedir. Sonuç olarak geliştirilen yaklaşım, hesaplama maliyeti yüksek CFD analizlerine alternatif olarak buğu çözme performansının hızlı ve güvenilir şekilde tahmin edilmesini sağlayan bir yöntem sunmaktadır. Yüksek çözünürlüklü simülasyonlara olan ihtiyacı azaltarak parametrik tasarım ve optimizasyon çalışmalarını önemli ölçüde hızlandırmaktadır. Böylece bu metodoloji, helikopter buğu çözme sistemlerinin tasarım, değerlendirme ve ön boyutlandırma süreçlerine hem mühendislik içgörüsü hem de pratik uygulanabilirlik açısından katkı sağlamaktadır. Ayrıca geliştirilen sayısal modelleme yaklaşımı ve regresyon tabanlı indirgenmiş modeller, benzer yoğuşma ve buğu giderme problemlerinin incelendiği diğer mühendislik uygulamalarına da uyarlanabilecek potansiyele sahiptir.
Özet (Çeviri)
In this study, the demisting performance aimed at eliminating the fogging problem on the helicopter windscreen is numerically examined, and the system behaviour under different operational conditions is evaluated using quantitative metrics. The fogging phenomenon, which directly affects pilot visibility and flight safety, is considered as a transient multiphase heat and mass transfer problem involving condensation, film formation, and subsequent film transport over the glass surface. Condensation and liquid film formation on the windscreen surface are modelled using the Eulerian Wall Film (EWF) model, which treats the wall-adjacent liquid layer as a separate phase and solves the conservation equations for mass, momentum, and energy within the film region. Meanwhile, the condensation process within the humid air domain is solved in a CFD environment over time using the species transport approach, where water vapour diffusion, convection, and phase change mechanisms are simultaneously accounted for. Considering that evaluating demisting performance solely from a mass perspective is insufficient to fully represent optical visibility conditions, two independent performance metrics are defined to provide a more comprehensive assessment. The first metric is the total liquid film mass swept off the window surface within a specific time period, which quantifies the effectiveness of the airflow in removing condensed water from the glass. The second metric is defined as the ratio of the total viewing area to the areas where the film thickness falls below a critical threshold value, representing the optically acceptable clear region. This dual-metric framework enables the simultaneous evaluation of both physical water removal capability and visual clarity performance, thereby offering a more realistic interpretation of demisting efficiency. The effects of operating pressure parameters, which vary depending on the inlet air flow rate, inlet air temperature, mass fraction representing humidity, and helicopter altitude, on these performance metrics are examined parametrically. Each parameter is varied within operationally realistic ranges to reflect actual flight and environmental conditions. The inlet temperature influences both the sensible heating of the glass surface and the relative humidity of the impinging airflow. The mass flow rate determines the convective heat transfer coefficient and the shear stress applied to the liquid film. The humidity parameter governs the condensation potential, while altitude affects air density and thermophysical properties, thereby modifying the overall heat and mass transfer characteristics of the system. Regression-based correlation models are developed using the obtained CFD results in order to establish predictive relationships between the operating parameters and the defined performance metrics. These models are constructed through systematic parametric data processing, and they are validated using separate training and test data sets to ensure robustness and generalization capability. The regression results are found to be highly consistent with CFD data, with error rates remaining within acceptable limits, indicating that the proposed reduced-order models successfully capture the dominant physical trends governing the demisting process. The analyses reveal that air temperature is the most dominant parameter affecting demister performance, primarily due to its direct influence on saturation conditions and condensation suppression. The mass flow rate plays a decisive role in liquid film transport by increasing wall shear stress and enhancing convective heat transfer. The humidity parameter must be evaluated in conjunction with temperature, as its impact becomes critical near saturation conditions. The altitude effect is found to be limited under constant heat transfer conditions; however, it is assessed to have indirect influences depending on operational conditions, especially through variations in air density and Reynolds number. Overall, the developed approach offers a method that enables the rapid and reliable prediction of demister performance as an alternative to computationally expensive CFD analyses. By reducing the need for repeated high-resolution simulations, this methodology significantly accelerates parametric design studies and optimization processes. Consequently, it contributes to the design, evaluation, and preliminary sizing processes of helicopter demister systems, providing both engineering insight and practical applicability for aerospace thermal management applications.
Benzer Tezler
- Otomotiv ön cam buz çözme performansının sayısal olarak modellenmesi ve buzun erimesine etki eden parametrelerin irdelenmesi
Numerical modeling of windshield de-icing performance and parametric evaluation of ice melting process
SERHAN TATAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
- CFD based thermal and hydraulic performance investigation of air heating plate type solar collectors with different duct profiles
Farklı kanal kesitlerine sahip hava ısıtıcı güneş kolektörlerinin CFD yöntemi ile ısıl ve hidrolik performanslarının incelenmesi
CEM ÇORAPÇIOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİGEN KADIRGAN
- Yüzer platformlarda demirleme davranışının hesaplamalı akışkanlar dinamiği tabanlı incelenmesi
CFD-based investigation of mooring behavior in floating platforms
BURCU ÖZSELEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Gemi MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TANER ÇOŞGUN
DOÇ. DR. AHMET YURTSEVEN
- MRI kanaklı insan boğazı simülasyonunda sprey karakteristiklerinin incelenmesi
Investigation of spray characteristics in a MRI based human throat simulations
ASLIHAN KURNUÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
Makine MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. KENAN YAKUT
- Cfd-based design and experimental assessment of a gerotor pump for aircraft applications
Havacılık uygulamaları için bir gerotor pompanın cfd tabanlı tasarımı ve deneysel değerlendirilmesi
YUNUS HÖÇÜK
Yüksek Lisans
İngilizce
2026
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEHER EKEN