Geri Dön

Flow simulation of high speed high pressure radial blower

Yüksek hızlı yüksek basınçlı radyal üfleyicide akış benzetimi

PDF İndir

  1. Tez No: 315240
  2. Yazar: ÖZGE ÖZGÜL
  3. Danışmanlar: PROF. İ. BEDİİ ÖZDEMİR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Mechanical Engineering, Aircraft Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2012
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 81

Özet

Mühendislik teknolojisindeki sürekli gelişme, içten yanmalı motorların daha küçük, daha verimli ve daha ekonomik olması gerekliliğini de beraberinde getirmektedir. Bu da ancak daha verimli bir yanmayla elde edilir. Daha verimli bir yanma için, en çok, turboşarjlar kullanılmaktadır. Bir turboşarj, egzoz gazlarının enerjisini bir türbin aracılığıyla mekanik enerjiye çevirir ve bu enerjiyi kullanarak bir şaft aracılığıyla bir kompresör veya üfleyiciyi çevirir. Böylece, motora giren hava basıncını yükselir. Hava basıncının yükselmesi silindirlere daha yoğun bir havanın girmesi, başka bir deyişle daha çok oksijen girmesi demektir. Bu da daha verimli bir yanma sağlar. Turboşarj fikri yaklaşık yüzyıldır kullanılmaktadır ve turboşarj kullanımı günden güne motor endüstrisinde daha da önemli hale gelmektedir. Günümüzde turboşarjlar küçük uçaklarda, lokomotiflerde, gemilerde, kamyonlarda, traktörlerde, motosikletlerde, güç ünitelerinde ve en önemlisi, yüksek performanslı otomobillerde ve yarış arabalarında kullanılmaktadır.Turboşarjlar hakkında yapılmış oldukça çok ve çeşitli çalışma bulunmaktadır. Bunların arasında yapısal tasarım çalışmaları, dinamik stabilite çalışmaları ve akış performansı çalışmaları başlıca çalışma konularıdır. Fakat, turboşarj tasarımını etkileyen en önemli konu turboşarjın akış performansıdır. Bu tezin konusu, temel olarak turboşarjlarda kullanılmak için tasarlanmış bir radyal üfleyici içerisindeki akışın benzetimidir.Radyal üfleyiciler, turbomakinelerin bir grubudur. Turbomakine, dönen bir elemandan sağlanan kinetik enerjiyi akış enerjisine, başka bir deyişle basınç ve momentuma çeviren veya akış enerjisini kinetik enerjiye çeviren araçların genel ismidir. Radyal ve eksenel fanlar, üfleyiciler, kompresörler, pompalar, gaz veya buhar türbinleri, hidrolik türbinler turbomakinelere örnek verilebilir. Pompalar ve kompresörlerle birlikte, radyal üfletyiciler bir dönen elemandan sağlanan kinetik enerjiyi akış enerjisine çeviren turbomakine grubuna dahildir. Bu tip turbomakinelerde genellikle iki ana eleman vardır: akışı hızlandıran bir hareketli eleman (rotor) ve rotoru içinde barındırıp akışkanın basıncını yükselten sabit bir eleman (salyangoz). Akışkan, radyal üfleyiciye eksenel yönde girer, 90 derece dönerek radyal doğrultuda statoru terk eder. Bir radyal üfleyicinin performansını etkileyen en önemli parametreler giriş ve çıkıştaki sınır koşulları, rotor ve salyangozun geometrileri, ayrıca gürültü özellikleridir.Bu tezde çözümlemesi yapılan radyal üfleyici, yüksek hızlı ve yüksek basınçlı bir radyal üfleyicidir. Üfleyici 110000 dev/dak hızla dönüp, 0.1 m^3/s hava akışı ile 90000 Pa basınç artışı sağlamak üzere tasarlanmıştır. Rotor çapı 0.03 m olup rotor, NACA 25010-25040-25045 profillerinden oluşan değişken profilli 20 kanatçıktan oluşmaktadır. Kanatçıkların genişliği 0.015 m'dir. Salyangoz çıkış alanı ise 0.000692 m^2 olarak belirlenmiştir. Üfleyici tasarımı nokta bulutu halinde alınmış, daha sonra ticari bir yazılım yardımıyla önce eğriler, sonra yüzeyler oluşturularak katı modele dönüştürülmüştür. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği modellemeleri hesaplama alanının hücrelere ayrıklaştırılmasını gerektirir. Böylece her hücrede süreklilik, momentum ve enerji denklemleri çözülür. Bu çalışmada, hesaplama ağı oluşturulması ve sıkıştırılabilir akış alanının çözülmesi ticari yazılımlar kullanılarak yapılmıştır. Hesaplama ağı oluşturulurken düzgün altıyüzlü elemanlardan oluşan düzenli ağ yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntem, özellikle yüksek derecede türbülanslı ve zamana bağlı problemlerde diğer yöntemlere göre daha doğru sonuç vermektedir. Sınır tabaka çözümlerinin de doğru yapılabilmesi için $y^+$ değerleri de göz önünde bulundurularak yaklaşık $5.4$ milyon hücreden oluşan bir hesaplama ağı oluşturulmuştur.Bu çalışmada çözümlemesi yapılan akış türbülanslı bir akıştır. Türbülans, hem zamanda hem de uzayda değişken olan, rastgele ve tahmin edilemez bir harekettir. Yüksek Reynolds sayılarında tüm akışlar türbülanslı hale gelir. Türbülanslı akışlarda eddy denilen çok miktarda kararsız eleman biraradadır. Türbülanslı akış bu elemanların rastgele hareketi ile oluşur. Türbülanslı akışa enerji, büyük ölçekli eddylerden daha küçük ölçeklilere kademeli bir şekilde aktarılır. En küçük ölçekte ise enerji ısıya dönüşerek kaybolur. Türbülans halen tam olarak çözülememiş bir konudur ve türbülans için küresel olarak kabul edilmiş bir çözüm yöntemi yoktur. Bunun yerine pekçok farklı yöntem bulunmaktadır. Bu çalışmada k-epsilon ve Large Eddy Simulation türbülans yöntemleri kullanılmıştır.k-epsilon türbülans yöntemi, standart akış denklemlerine ek olarak türbülans kinetik enerji, k, ve dissipasyon oranı, epsilon, denklemlerinin çözülerek türbülansın tüm ölçeklerinin modellenmesine dayanır.Large Eddy Simulation türbülans yöntemi ise, büyük ölçekli eddylerdeki akışın doğrudan hesaplanıp, küçük ölçeklerin modellenmesine dayanır. Bu yöntem genellemeye daha elverişli küçük ölçekli eddyleri modelleyip, geometriye ve probleme göre değişen büyük ölçekli eddylerin akışını hesaplar. Böylece problemin karakteristiğini ağırlıkla belirleyen büyük ölçekli eddyler birebir olarak çözüme katılmış olur. Fakat küçük eddyler modellendiği için hesaplama kapasitesi açısından, tüm ölçekleri hesaplama yöntemine göre oldukça elverişlidir. Bu yöntem sadece zamana bağlı olarak çözülebilmektedir. Çözüm yöntemleri ve çözüm sürecinin mantıksal kurgusu teorik olarak açıklanmıştır.Akış alanı çözümlemesi için basınç bazlı yöntem olarak ifade edilebilecek bir çözüm yöntemi takip edilmiştir. Bu yöntemde, önce sırayla momentum denklemlerinin çözülür, daha sonra süreklilik denklemine göre bulunan değerler güncellenir. Bundan sonra güncellenmiş değerlerle enerji denklemi ve diğer skaler denklemler çözülür. Çözüm yakınsayana kadar bu algoritma iteratif olarak devam eder. Bu çalışmada sonlu hacim yöntemi kullanılarak hesaplama yapılmıştır. Diferansiyel denklemler genellikle nonlineer yapıdadır ve çözümleri zordur. Sonlu hacim yöntemi hesaplama alanının hücrelere ayrılıp her hücrede denklemlerin ayrı ayrı çözülerek daha sonra integralinin alınmasına dayanır. Bu nedenle sonlu hacim yönteminde akış denklemlerinin integral formları kullanılır. Genel taşınım denklemlerinin sayısal olarak çözülecek cebirsel bir forma dönüştürmek için ise ayrıklaştırma uygulanır. Zamana bağlı hesaplamalarda gerektiği üzere, bu çalışmada da hem uzayda hem de zamanda ayrıklaştırma uygulanmıştır.Akış çözümlemesi yaparken sınır koşulları oldukça önemlidir. Radyal üfleyici çözümü yapılırken basınçlı giriş, basınçlı çıkış sınır koşulları kullanılmıştır. Tasarımdaki ana kriter akışkan giriş hızı veya kütlesel debi değil, basınç olduğu için bu sınır koşulları çözümler için en uygun sınır koşulları olarak belirlenmiştir. Entalpi ve yoğunluk hesaplaması için ise ticari programa bağlı ayrı bir programlama yapılmıştır. Bu programlamaya User Defined Function denilmektedir. User Defined Function içerisinde skalerler için taşınım denklemleri çözülebileceği gibi çeşitli sınır koşulları, malzeme özellikleri vb. için hesaplamalar da yapılabilir.Sonuçlar grafikler halinde sunulmuştur. Hesaplanan akış alanı sıkıştırılabilir ve yüksek derecede türbülanslıdır. Her iki türbülans modeli ile elde edilen sonuçlar birbiriyle uyumlu bulunmuştur. Akım çizgileri göstermiştir ki, akış istenildiği gibi şekillenmiştir. Akışın terse dönmesi söz konusu değildir. Salyangoz içerisinde büyük girdap yapıları gözlemlenmiştir. Her iki çözümde de en yüksek hızlar rotor kısmında gözlemlenmiştir. Rotor kanatçıklarının negatif taşıma özelliğinden dolayı hızlar kanatların alt yüzeylerinde daha yüksektir. Salyangoz içerisindeki basınç gradyantları, akışın girdaplı yapısından kaynaklanmaktadır. Akışın istenildiği gibi şekillendiği ve basıncın stator içerisinde kademeli olarak artarak çıkışta en yüksek seviyeye ulaştığı görülmüştür. Negatif taşıma özelliğinden dolayı kanatçıkların alt yüzeylerindeki basınç üst yüzeylerinden daha düşüktür. Sıkıştırılabilir akış, yoğunluktaki değişim ile de gözlemlenmiştir. Yoğunluk basınç ile uyumlu olarak, salyangoz içerisinde kademeli artmıştır. Üfleyici içerisinde sıcaklık artışı veya entalpi değişimi görülmemiştir.k-epsilon hesaplamaları zamandan bağımsız yapılmış ve 75000 Pa basınç artışı elde edilmiştir. Daha sonra, problemin çözümü için Large Eddy Simulation yöntemi daha uygun olduğundan, bu yönteme geçilmiştir. Large Eddy Simulation çözümleri zamana bağlı olarak yapılmış ve 85000 Pa basınç artışı elde edilmiştir. Her iki yöntemin sonuçlarının birbiri ile uyumlu olması sonuçların doğruluğunu desteklemektedir. Bununla birlikte Large Eddy Simulation sonuçlarının daha çabuk yakınsadığı ve hesaplamaların daha stabil ilerlediği görülmüştür.Sonuç olarak, 110000 dev/dak hız ile sorunsuz olarak çalışan üfleyici ile 85000 Pa basınç artışı elde edilmiştir. Hacimsel debi tasarım debisi olan 0.1 m^3/s olarak kaydedilmiştir. Bu çalışmayla turboşarjlarda kullanılmak üzere, başarılı bir şekilde yeni bir radyal üfleyici tasarımının akış benzetimi gerçekleştirilmiştir. Gelecekte, hesaplama süreci zaman açısından daha verimli hale getirilebilir, bu tip bir turboşarjın çalışmasında etkili olacak dış etkenler incelenebilir veya böyle bir üfleyicide akustik inceleme yapılabilir.

Özet (Çeviri)

The constant advancement in engineering technology demands internal combustion engines to be smaller, more efficient and economical. For this purpose, mostly, a turbocharger is used. A turbocharger uses the energy from the exhaust gasses by a turbine and increases the intake air pressure by a compressor or blower to provide a more effective combustion. There are quite a number of studies on turbochargers. However, the most important considerations that effect turbocharger design are on flow performance. The subject of this thesis is the flow simulation of a radial blower that will be used mainly in turbochargers.The flow analysis of a new radial blower design that has high speed and high pressure was performed. The blower was designed to rotate at 110000 rpm and deliver air flow of 0.1 m^{3}/s at a pressure rise of 90000 Pa. The impeller and volute geometries were cast into solid model using a commercial Computer Aided Design (CAD) program. Computational fluid dynamics (CFD) simulations require the computational domain to be discretized into cells so that in each cell, transported quantities are solved with continuity, momentum and energy equations. In the present work, computational grid of the geometry was created and the compressible flow field was calculated using commercial software. To calculate enthalpy, a user defined function was written. Turbulent flow in the blower was computed using both k-epsilon and Large Eddy Simulation methods. These methods as well as the logical set-up of the solution process was explained in detail.The results were presented in graphics. The calculated flow was compressible and highly turbulent. The flow field was calculated using first k- epsilon and then LES turbulence methods. The results of both turbulent methods are found to be compatible. In both calculations, the flow was streamlined and no reverse flow was observed. The highest velocity values were observed at the impeller region. Also, the velocities were higher on the lower sides of the blades which stems from the negative lift nature of the blade design. The pressure contour showed that the pressure gradually increased throughout volute and reached maximum at outlet. The compressibility of the flow was observed by the increase in the density. The density contour was compatible with pressure contour which is a desired result that shows density increase stemmed from pressure rise. Overall, a pressure rise of 85000 Pa was obtained at a speed of 110000 rpm. The volumetric flow rate was found as 0.1 m^3/s which is the design flow rate. The temperature and enthalpy change was not observed. The results were found to be satisfactory. In future work, acoustics analysis of this blower could be performed, the user defined function could be improved or environmental effects to the turbocharger operation could be investigated.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    828245

    Jet motorlarında kullanılan yakıt enjektörlerinin çok fazlı akış karakteristiklerinin incelenmesi

    Investigation of multiphase flow characteristics of jet engine fuel nozzles

    MUSTAFA BAL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YAKUP ERHAN BÖKE

    DOÇ. DR. ÖZGÜR ERTUNÇ

  2. Tez No

    787566

    Otonom temizlik aracına ait emiş sisteminin tasarımı ve prototip imalatı

    Design and prototype manufacturing of the suction system of the autonomous cleaning vehicle

    FURKAN GÖKTAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EKREM BÜYÜKKAYA

  3. Tez No

    349788

    Eksenel akışlı fan tasarımı

    Axial flow fan design

    MESUT ÇALIŞKAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FIRAT OĞUZ EDİS

  4. Tez No

    467227

    Dikey dalan sıvı jeti için farklı jet çıkış geometrilerinin havalandırma miktarına etkisinin sayısal olarak incelenmesi

    Investigation of the different nozzle geometries for vertical plunging water jet air entrainment with numerical methods

    BURAK ALP KARAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. YAKUP ERHAN BÖKE

    DR. ZAFER GEMİCİ

  5. Tez No

    904448

    Özel bir piston ve kilit mekanizmasına sahip yüksek başlangıç ivmeli göğüs kompresyon cihazının tasarımı, simülasyonu ve üretimi

    Design, simulation, and fabrication of a high initial acceleration automatic chest compression device with a special piston and locking mechanism

    AHMET KAĞIZMAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. VOLKAN SEZER

Geri Dön