Geri Dön

Numerical investigation of the bubble departure and lift-off boiling model with the implementation of Taguchi method

Taguchi metodu uygulaması ile kabarcık sürüklenme ve ayrılma kaynama modelinin sayısal incelemesi

PDF İndir

  1. Tez No: 677478
  2. Yazar: MERT YALÇIN ZENGİNER
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İLYAS BEDİİ ÖZDEMİR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 120

Özet

Günümüz mühendislik uygulamalarının çoğunda yüksek ısıl enerjinin aktarımı esnasında kaynama durumundan yararlanılır. Kaynama yoluyla ısı transferi, belirli koşullar altında birim alandan aktarılan enerjiyi mertebe olarak arttırabilir. Özellikle kabarcıklı akış kaynaması, verim artışı açısından büyük öneme sahiptir. Bu bağlamdaki ısı taşınımı büyük boyutlardaki buhar kazanlarından, çok küçük mikroişlemcilere kadar geniş bir alanda kullanılmaktadır. Artan maliyetlerle birlikte birçok endüstriyel uygulama boyutsal küçülme yönünde ilerlerken, bu küçülmeyle birlikte taşınan ısıl yoğunluğun artması, üzerinde çalışma isteyen karmaşık bir probleme dönüşmüştür. Bu problemin çözümünde, gerek hesaplama sürelerinin kısalmasıyla az maliyetli oluşu, gerekse hesaplama hassasiyetinin artmasıyla yüksek doğruluğa sahip oluşu sayesinde, sayısal hesaplama yöntemleri vazgeçilmez olmuştur. Kaynama, fazla sayıda değişken parametrelerden büyük ölçüde etkilendiği için fiziksel açıdan çok kompleks bir olgu olarak bilinmektedir. Yıllardır birçok araştırmacı kaynama fiziği üzerinde çalışmıştır; fakat günümüzde tamamen geçerli olduğu düşünülen herhangi bir çözüm modeli halen bulunmamaktadır. Bu çalışmada, görece yeni bir kaynama modeli olan kabarcık sürüklenmesi ve ayrılması (KSA) kapsamlı olarak incelenmiştir. Çalışmanın amacı, düşük hata payıyla ısı transferi hesaplamalarının gerekli olduğu mühendislik uygulamaları için KSA modelinin kullanılabilirliğini irdelemektir. İlk olarak kaynama fiziği üzerine kapsamlı bir literatür araştırması yapılmıştır. En sık kullanılan kaynama modelleri arasında, yarım asırı aşkın bir süredir geliştirilmeye devam eden ampirik bağıntılardan günümüzde dahi söz edilmektedir. Ardından, gelişen teknolojiyle birlikte artan ölçme kabiliyeti, kabarcık hareketlerini gözlemleyerek mekanik modellerin üretilmesine öncülük etmiştir. Son yıllarda ise yeni trend olan sayısal hesaplamalı ve istatistiksel modeller literatürde yer bulmaya başlamıştır. Bütüne baktığımızda ise, günümüzde halen geliştirmeye açık birçok nokta bulunmaktadır. İkinci bölümde kabarcık sürüklenmesi ve ayrılması modelinin matematiksel incelemesi yapılmıştır. Genel olarak bahsetmek gerekirse KSA mekanistik modeli, taşınım yoluyla ısı transferine ek olarak kabarcıklanmadan kaynaklanan mikro düzeydeki akış hareketinin, ısı transferini arttırıcı etkisini de hesaba katar. Bu amaçla buhar kabarcığının, akış sınır tabaka ile termal sınır tabaka içerisindeki davranışına istinaden üzerine etkiyen fiziksel kuvvetlerin çözümlemesi yapılır. Bu çözümlemeden elde edilen baskılama faktörleri, genel ısı taşınım denklemi içerisinde yer bulur. Üçüncü bölümde, yapılan üç aşamalı araştırma yöntemi açıklanmıştır. Birinci aşamada incelemeyi derinleştirmek için kabarcık sürüklenmesi ve ayrılması modelinin cebirsel hesaplama algoritması MATLAB programı kullanılarak oluşturulmuştur. Basit bir anlatımla bu algoritma, girdi olarak kullandığı ısı akısına, akışkan hızına ve akışkan basıncına karşılık gelen yüzey sıcaklıklarını belirlemektedir. Bu sayede ilgili koşullardaki kaynama eğrileri üretilerek, bağımlı veya bağımsız değişkenlerin, duvar sıcaklığını veya ısı akısını ne durumda etkilediği analiz edilmiştir. Algoritma oluşturulurken bazı bilinmeyen noktalarla karşılaşılmıştır. Referanslanan çalışmalarda, kabarcık sürüklenmesi ve ayrılması modeli duvar sürtünme hızları için deneysel ölçümlerden yararlanmaktadır. Bu çalışmada deneysel ölçümleri temsil edebilecek farklı ampirik kayma gerilmesi bağıntıları denenerek literatürden eklenmiştir. Model algoritması sayesinde, daha sonra kullanılmak üzere birçok girdi ve çıktı seti oluşturulmuştur. Deney koşulları da ayrıca KSA model algoritmasıyla simule edilerek, çıktılar referanslanan deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Suyun farklı basınç ve ısı akısı gibi çalışma koşullarında, akış kaynamasının duvar sıcaklıklarına olan etkisi gözlenmiştir. Çalışmanın amacı doğrultusunda, ikinci aşamada, cebirsel algoritmayla elde edilen tecrübelerden yararlanılarak üç boyutlu hesaplamalı akışkanlar mekaniği modeli geliştirilmiştir. Bu aşamada algoritmanın yönü değiştirilerek, C/C++ programlama diliyle bazı fonksiyonlar oluşturulmuştur. Oluşturulan fonksiyonlar Star-CCM+ yazılımına eklenerek, referanslanan denklem koşulları denenmiştir. Bu aşamada girdi olarak duvar sıcaklığı kullanılıp, karşılık gelen ısı akısı değerleriyle farklı kaynama eğrileri bulunmuştur. Elde edilen eğriler referanslanan deneye ait ölçümlerle karşılaştırılmıştır. Üçüncü aşamada ise bir dizi istatistiksel yöntemle, elde edilen veriler incelenip sonuçları yorumlanmıştır. Bu aşama deney tasarımı tekniği ve varyans analizi olmak üzere iki metodu kapsar. Deney tasarımında, elde olan veri setine uygun olarak Taguchi deney tasarımı yöntemi seçilmiştir. Taguchi deney tasarımı ile amaç, çıktıların güvenilirliğini test etmek ve modelin performans karakteristiğini maksimize etmektir. Bu adımla KSA cebirsel algoritmasını temsil edecek bir regresyon denklemi oluşturulmuştur. Elde edilen regresyon denklemi, ikinci adım olan varyans analizi ile incelenmiştir. KSA modeli üzerinde akış hızı, akışkan sıcaklığı ve akışkan basıncı olmak üzere üç farklı bağımsız değişkenin, duvar sıcaklığına olan etkileri gözlenerek ana etkileşim grafikleri çıkarılmıştır. Son bölümde ise, üç aşamadan elde edilen sonuçlar toplanarak, bulunan kaynama eğrileri deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. İlk aşamanın sonuçları olarak, 6 farklı çalışma koşulu için iyi bir korelasyonun elde edildiği söylenebilir. Makul bir hata payı içerisinde, algoritma genel olarak iyi sonuçlar çıkararak deneysel verilerle uyum göstermiştir. Genel olarak kabarcık sürüklenmesi ve ayrılması modelinden elde edilen kaynama eğrilerinde; kaynama başlangıç noktası civarında ve tam gelişmiş kaynama bölgesinde trendin değiştiği gözlenmiştir. Artan akış hızlarında, düşük olan hızlara göre çok daha iyi sonuçlar elde edilmiştir. Bu durum KSA modelinin çıkış noktasına uyum göstermektedir. Çalışma koşulları, havuz kaynamasına ya da sütun kabarcıklanma noktasına yaklaştıkça hata payı artmaktadır. Cebirsel algoritmanın bir diğer çıktısı olan sürüklenme ve ayrılma durumundaki kabarcık büyüklükleri, yine referanslanan deneysel çalışma ile ilişkilendirilerek, modelin çok yakın tahminler elde ettiği görülmüştür. Ek olarak, model içine gömülen kayma gerilmesi bağıntısıyla kaynama eğrilerinin değişimi de ilişkilendirilmiştir. Karşılaştırma ölçütü olarak ortalama mutlak hata ile R kare değerleri kullanılmıştır. Ortalama mutlak hata oranı en fazla olarak neredeyse havuz kaynama koşullarında %3.35 olarak gözlenmiştir. En düşük hata payı değeri ise %1.5 ile akış hızının maksimum olduğu koşullarda gerçekleşmiştir. KSA modelinin akış kaynama koşullarında daha iyi çalıştığı söylenebilir, bu durum KSA modelinin çıkış noktasına ve algoritmanın kurulma ilkelerine uyum göstermektedir. R kare değeri karşılaştırıldığında algoritmanın kabiliyeti genel olarak %95 üzerindedir. Yine neredeyse havuz kaynama koşullarında en düşük %89 ve akış kaynama koşullararında en yüksek %99'dur. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizindeki ilk sonuç, kabarcık sürüklenmesi ve ayrılması modelinin, yaratılan C/C++ kodu ile HAD ortamına başarıyla aktarılabileceğidir. Bu bağlamda; KSA modeliyle yapılan kaynama ısı transferi hesaplamalarında, öntanımlı olan kaynama modellerine göre ağ örgüsüne bağlılığının azaldığı görülmüştür. Elde edilen kaynama eğrilerinin, referanslanan deneysel çalışmaya ve cebirsel hesaplama sonuçlarına göre yakın tahminler verdiği görülmüştür. Üçüncü aşamada elde edilen regresyon denklemi, deneysel verilerle ve cebirsel KSA algoritmasından elde edilen 64 rastgele seçilmiş kontrol noktasıyla karşılaştırıldığında, elde edilen hata payı maksimum %6.4 ile literatürde kabul gören hata aralığının altında bulunmaktadır. Buradan üretilen regresyon denklemi için iki sonuç çıkarılabilir; birincisi KSA algoritması deneysel verilere yakın çıktılar vermektedir, ikincisi ise belirli bir çalışma aralığı için deney organize etmeye gerek kalmaksızın düşük bir hata payıyla deneyi temsil edebilir.

Özet (Çeviri)

Utilization of the boiling phenomenon has been used in a great diversity. An accurate heat transfer model is required for all the applications, in which designed to take advantage of the heat transfer superiority of boiling state. Boiling is known as a very complex phenomenon physically, due to its large number of variable parameters. Many researchers studied on the boiling physics for decades, however today there is still no accepted model that is considered to be fully valid. First of all, a comprehensive literature survey was conducted on the boiling physics. Amongst the most accepted boiling models, there are still empirical correlations which have been developed over the half century. These models are followed by mechanistic models. Depending to the advancements of computational techniques, experimental methods and statistical boiling models also developed lately. In this study, relatively new the bubble departure and lift-off (BDL) boiling model has been studied extensively, with the aim of a contribution to literature and taking the first step towards a possible methodology for the future applications. In chapter two, the mathematical description of the BDL model has been analysed. In the third chapter, the three-stage research methodology is explained. The first stage of the methodology is creating a methodology in order to see the changes in boiling curve according to the changes in variables, by using MATLAB program. While doing this stage, some unknown points were encountered which were used from the experimental measurements as input. These inputs were trying to be simulated by using some empirical relations from the literature. Experimental conditions were simulated with BDL model algorithm and the outputs were compared with referenced experimental data. Additionally, different boiling curves were created for later use and the effect of different operating conditions over the flow boiling curve was observed. In line with the purpose of the study, in the second stage, a three-dimensional computational fluid dynamics model was developed by utilizing the experiences obtained with the dimensionless algorithm. Star-CCM+ program with the implementation of C/C++ user code was used to simulate the experimental conditions in computational fluid dynamics (CFD) simulation environment. The boiling curves were obtained by calculating the heat flux values according to each wall temperature. Obtained boiling curves were compared with the measurements and algebraic model algorithm. In the third stage, the obtained data were analysed with a series of statistical methods and the results were interpreted. For the design of experiments, Taguchi methodology has been used in the direction of the availability of the data set. A regression equation was created to represent the algebraic model algorithm and the results were used in order to test the reliability and maximize the quantity of information obtained for the amount of testing performed. For the determination of the parameter's effectiveness the analysis of variance (ANOVA) has been conducted. In the last chapter, the results obtained from the three stages were collected and boiling curves were compared with the experimental data. In general, within a reasonable margin of error, the algorithm performed well in comparison to the experimental data. The bubble departure and lift diameters were correlated with experiment, the predictions were satisfactorily close. The first result of computational fluid dynamics analysis is that the BDL model can be successfully transferred to the CFD environment with the generated C/C++ code. Mesh dependency was reduced in comparison to the default boiling models within the program. Obtained boiling curves were approximated within some error margin to the experimental values. CFD and algebraic model comparison was slightly better. The regression equation from the third stage was correlated with the experimental data and the random tests from the BDL boiling algorithm, the error margin from those comparisons was far below the accepted in the literature. The main result obtained from Taguchi methodology was the multiple linear regression equation that made accurate predictions of wall temperature with a maximum absolute error percentage of 6.9%. This was confirmed by 64 randomly generated test cases.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    356029

    İç Akışta Kaynamanın Sayısal Modellenmesi

    Numerical Modelling of Internal Boiling Flow

    ÜNSAL KAYA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LÜTFULLAH KUDDUSİ

  2. Tez No

    455380

    Düz ve girintili yüzeylerde havuz kaynamasının sayısal modellenmesi

    Numerical investigatinon of pool boiling on flat and patterned surface

    TUĞÇE KARATAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEYHAN ONBAŞIOĞLU

  3. Tez No

    455417

    Mikro yapılı yüzeylerde gözenek çaplarının ve girinti aralıklarının parametrik olarak çekirdekli kaynama üzerinde deneysel incelenmesi

    Experimental investigation of effect of pore diameter and reentrant cavity width on nucleate boiling in micro structured surface

    ALİ CAN İSPİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEYHAN ONBAŞIOĞLU

  4. Tez No

    245204

    Kare mini kanalda kabarcık dizisi akışının kararlılığının sayısal olarak incelenmesi

    Numerical investigation of the stability of bubble train flow in a square mini channel

    MURAT CAN ÖZTAŞKIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2009

    EnerjiSakarya Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN RIZA GÜVEN

  5. Tez No

    698448

    Experimental and numerical investigation of single and multiple droplet interactions with high-temperature surfaces

    Yüksek sıcaklığa sahip yüzeylerde tek ve çoklu damlacık etkileşimlerinin deneysel ve sayısal incelenmesi

    AHMET GÜLTEKİN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÜNER ÇOLAK

Geri Dön