Geri Dön

Serbest halka sızdırmazlık elemanlarının performans analizi için test verisiyle kalibre edilmiş 1b iteratif çözücü geliştirilmesi ve sayısal doğrulaması

Development and numerical validation of a test-calibrated 1d iterative solver for the performance analysis of floating ring seals

PDF İndir

  1. Tez No: 1022505
  2. Yazar: MUHAMMED KEREM SARI
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ VEDAT TEMİZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Savunma ve Savunma Teknolojileri, Defense and Defense Technologies
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
  12. Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Gelişmiş sıvı yakıtlı roket motorlarının (SYRM) geliştirilmesinde, turbopompa sistemleri yakıtların yanma odasına son derece yüksek basınçlarda iletilmesinden sorumlu en kritik bileşenlerdir. Bu yüksek hızlı dönen sistemler içerisinde, ikincil akışların kontrolü için serbest halka sızdırmazlık elemanları yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu sızdırmazlık elemanları, sızdırmazlık performansını kaybetmeden termal genleşmeleri ve yüksek frekanslı şaft titreşimlerini dinamik olarak tolere edebilmeleri nedeniyle özellikle tercih edilmektedir. Ancak bu sızdırmazlık elemanları; genellikle 50000 dev/dak'a ulaşan dönme hızları, yaklaşık 240°C sıcaklıklar ve yüksek basınç farkları gibi son derece zorlu koşullar altında çalışmak zorundadır. Bu tür sert çalışma koşulları için optimum bir serbest halka sızdırmazlık elemanı tasarlamak, farklı boşluk (clearance) değerleri, çalışma basınçları ve geometriler altında oluşan kaçak kütlesel debilerini belirlemek amacıyla binlerce yinelemeli hesaplama yapılmasını gerektirir. Geleneksel olarak mühendisler, bu performans parametrelerini öngörebilmek için üç boyutlu Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizlerine ve fiziksel testlere başvurmaktadır. HAD simülasyonları, karmaşık akış fiziğini yüksek doğrulukla ve detaylı biçimde görselleştirebilse de, her bir tasarım iterasyonu için kullanılması; yüksek hesaplama süresi, iş gücü ve maliyet açısından ciddi yükler oluşturmaktadır. Benzer şekilde, her tasarım varyasyonu için prototip üretimi ve test edilmesi de ekonomik açıdan sürdürülebilir değildir. Bu nedenle, hızlı, güvenilir ve hesaplama maliyeti düşük bir performans tahmin aracına yönelik kritik bir mühendislik ihtiyacı ortaya çıkmaktadır. Bu tezin temel amacı, serbest halka sızdırmazlık elemanlarının performans değerlendirmesi için yüksek verimli tek boyutlu (1B) analitik bir çözücü geliştirmek, kalibre etmek ve doğrulamaktır. Yalnızca yüksek hesaplama maliyetine sahip HAD analizlerine dayanmak yerine, bu çalışma geliştirilen analitik kodun operasyonel üstünlüğünü ve pratik avantajlarını ortaya koymaya odaklanmaktadır. Bu 1B aracın güvenilirliğini kanıtlamak amacıyla, farklı çalışma koşulları altında ampirik kaçak verileri toplamak için bir deney düzeneği kurulmuştur. Elde edilen bu deneysel veriler, özel kod içerisinde yer alan kayıp katsayısının (K) sistematik olarak kalibre edilmesinde kullanılmıştır. Ardından, akış karakteristiklerini detaylı şekilde incelemek ve temel fiziksel davranışı doğrulamak amacıyla ANSYS Fluent yazılımı kullanılarak kapsamlı iki boyutlu eksenel simetrik dönel akış (swirl) HAD simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak, bu tezin önemi karşılaştırmalı doğrulama metodolojisinde yatmaktadır. Geliştirilen 1B analitik kodun tahminleri, hem yüksek doğruluk içeren ANSYS HAD simülasyonları hem de deneysel veriler ile karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Bu çalışma, geliştirilen kodun yinelemeli tasarım süreçleri için son derece verimli, maliyet etkin ve yeterli doğruluğa sahip bir alternatif sunduğunu ve kapsamlı 3B simülasyonlara sürekli duyulan ihtiyacı büyük ölçüde ortadan kaldırabileceğini göstermeyi amaçlamaktadır.

Özet (Çeviri)

Modern space missions need liquid-propellant rocket engines (LREs) to work at very high rotational speeds and high pressure drops. In the turbopumps of these engines, controlling the secondary flow is an important engineering problem. Floating ring seals are mostly used in high-performance turbopumps because they are non-contact seals. They can easily adapt to shaft vibrations and temperature changes. However, it is very difficult to accurately calculate the leakage mass flow rate of these seals during the design phase. When we look at the literature, there are usually two main methods for seal design: very detailed 3D Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations or simple 1D theoretical formulas. 3D CFD gives very good results, but it takes a lot of time and computer power. Therefore, it is not useful when engineers need to test hundreds of different design geometries. On the other hand, classic 1D equations (like Stephanoff's formulas) use constant friction factors and a fixed loss coefficient (usually 1.5). These constant values cannot correctly model the complex flow, vena contracta, and strong swirl effects caused by high speeds like 50,000 RPM. The main aim of this thesis is to develop, calibrate, and validate a fast and custom 1D iterative solver to solve this problem. To do this, a hybrid method was used. This method includes three parts: physical experiments, Python-based code, and 2D axisymmetric swirl CFD simulations. First, an experimental test setup was designed to collect real physical data. The closed-loop test system used water to simulate the working conditions of a turbopump. During the experiments, 12 different cases were tested by changing the pressure difference, rotational speed, and radial clearance. The test results clearly showed that even a small change in the radial clearance affects the leakage mass flow rate ($\dot{m}$) a lot. This happens because the changing clearance changes both the cross-sectional flow area and the dynamic friction coefficient (f). To solve the problems of standard formulas, a 1D analytical solver was written in Python. The most important feature of this code is its iterative algorithm. The code does not use a constant friction factor. Instead, it calculates the local Reynolds number (Re) and updates the friction coefficient in a loop. Also, the solver has a“reverse-calibration”part. By putting the measured experimental leakage rates (m ̇_exp) into the code, the empirical loss coefficient (K) was calculated for the specific seal geometry. After finding this optimized K value, it was permanently added to the solver. This way, the code learned the real flow physics and became a highly accurate tool. After that, CFD simulations were run in ANSYS Fluent to see the flow details and check the 1D results. To save calculation time but keep the 3D flow physics, a 2D axisymmetric swirl model was used. The mesh had about 150.000 cells (y+1) and the k-ω Shear Stress Transport (SST) turbulence model was selected. The CFD results successfully showed the flow separation at the inlet, vena contracta, and the high shear stresses on the walls caused by the rotating shaft. Finally, all three methods were compared. The results proved the main hypothesis of the thesis. The leakage mass flow rates from the calibrated 1D Python solver matched the experimental results in all 12 operational cases. The 1D solver gave very accurate results with an error up to 7%. This is very close to the CFD simulations, which had an error up to 10%. The biggest advantage of this new method is the calculation time. A single steady-state CFD analysis took about multiple hours using a strong computer. However, the Python algorithm solved the same problem and reached numerical convergence in less than a minute. In conclusion, this thesis gives aerospace engineers a fast, cheap, and verified design tool. By removing the need for long 3D simulations in early design steps, this hybrid method provides a very practical way to optimize secondary flow systems in modern liquid rocket engine turbopumps.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    421066

    Natural ventilation of high-rise buildings a methodology for planning with different analysis tools and case-study integration

    Çok katlı binalarda doğal havalandırma farklı analiz araçları ve örnek alan entegrasyonu ile planlama için bir yöntem

    TOBIAS SCHULZE

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    Prof. Dr. AYŞE ZERRİN YILMAZ

    PROF. DR. MARCO PERINO

  2. Tez No

    32

    The Effect of government price support on wheat farming and wheat marketing in Turkey

    Başlık çevirisi yok

    GÜNEŞ GÜLSEN ÖZEL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1987

    EkonomiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Yöneylem Araştırması Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALİM DOĞRUSÖZ

  3. Tez No

    282

    Çiğit ve ayçiçek yağlarının doğal antioksidan içerikleri ile bu yağların stabilitelerinin arttırılmaları üzerinde araştırmalar

    Başlık çevirisi yok

    ALİ KEMAL YALNIZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1985

    Gıda MühendisliğiEge Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MAHİR ÇOLAKO¦LU

  4. Tez No

    293

    Ön işlemenin ve askorbik asitin dondurularak depolanan yılan balıklarının (Anguilla anguilla) kalitesine etkileri

    Başlık çevirisi yok

    H.VOLKAN GÖKSEL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1985

    Gıda MühendisliğiEge Üniversitesi

    Su Ürünleri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYDIN URAL

  5. Tez No

    715

    Valsli kurutucuda patates püresi eldesi üzerine çalışmalar

    Başlık çevirisi yok

    ÜNAL RIZA YAMAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1986

    Gıda MühendisliğiEge Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. COŞKAN ILICALI

Geri Dön