Aeroacoustic investigations for a refrigerator air duct and flow systems
Buzdolabı hava kanalı ve akış sistemlerinin aeroakustik incelemesi
- Tez No: 720566
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BAYRAM ÇELİK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 105
Özet
Endüstrileşme ile birlikte, gürültü önemli bir toplum sağlığı sorunu olmaya başlamış ve mühendislik için de bir tasarım problemi haline gelmiştir. Bu sebeple, özellikle insanla etkileşimi yüksek olan beyaz eşya, otomotiv ve havacılık sektörlerinde gürültü azaltma çalışmaları odak noktası olmuştur. Bahsi geçen sektörlerdeki araç ve ürünler içerisinde buzdolapları diğerlerinden farklı olarak yaşam alanının merkezinde bulunduğu ve gün boyu çalıştığı için olası ses problemleri kullanıcılar tarafından daha hızlı gözlemlenmekte ve rahatsız edici bulunmaktadır. Bu noktada, mevcut ürünlerin akustik yayılımının çeşitli nümerik ve deneysel yöntemlerle incelenmesi ve azaltılması hem endüstri hem de literatür için önemli bir katkıdır. Günümüzde soğutucu ürünlerde en sık kullanılan çevirimi buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimidir. Bu çevrim dört ana komponentten oluşur: kompresör, kondenser, kısılma cihazları ve evaporatör. Kompresör tarafından sıkıştırılan ve sıcaklığı yükselen soğutucu akışkan kondensere iletilir. Kondenser boyunca ilerleyen akışkan yoğuşarak gaz halden sıvı hale geçiş yapar. Fazı değişmiş ve bir miktar ısı kaybetmiş olan akışkan, sistemdeki kısılma cihazından geçerken yüksek basınç ve ısı kaybına uğrar. Artık soğuk ve düşük basınçta olan akışkan buzdolabı kabinleri içerisinde yer alan evaporatöre geçer. Soğuyan evaporatör boruları kabin içerisindeki ortamı düşük sıcaklıkta tutarak gıdaların uzun süreli saklanmasını sağlar. Standart bir statik buzdolabı bu sistemle çalışır. Sistemde sık karşılaşılan bir sorun evaporatör boruları üzerinde karlanma meydana gelmesidir. 3-5 mm kalınlığını aşan karlanma sonucunda buzdolabı soğutma performansı ve enerji verimliliği olumsuz etkilenir. Bu sorunun üstesinden gelmek adına buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimine fanların eklendiği No frost teknolojisi ortaya konmuştur. No frost buzdolaplarında taze gıda soğutma ve dondurucu bölmelerine eklenen fanlar ile karlanma sorununun önüne geçilmesiyle birlikte kabin için sıcaklığın homojen dağılımı da sağlanmaktadır. Bu teknolojinin faydaları bariz olsa da çevrime eklenen fanlar, karşımıza ek ses kaynağı olarak çıkmaktadır. Bu tez kapmasımında amaç belirlenen bir buzdolabı dondurucu bölmesinin nümerik ve deneysel yöntemler ile aeroakustik perspektifte incelenmesi ve sistem akustik yayılımını azaltacak tasarım önerilerinin ortaya konmasıdır. Dondurucu bölmesi; gıdaların yerleştirileceği üç çekmece, hava akışını sağlayan bir eksenel fan, evaporator boruları ile iç hacmi birbirinden ayıran bir evaporator kapağı ve bunları çevreleyen plastik duvarlardan oluşur. Sistemde hava akışı kaynaklı gürültüyü oluşturan ana kaynak eksenel fandır. Bu sebeple, çalışmanın ilk adımında eksenel fanın solo aeroakustik incelemesi yapılmıştır. Daha sonra tüm dondurucu hacminin incelenmesi yapılmış ve akustik yayılımın azaltıldığı üç farklı model önerisi ile çalışma tamamlanmıştır. Tez çalışması kapsamında, fanların ve soğutucu cihazların akustik yayılımı, akustik inceleme metotları literatür araştırması yapılmıştır. Fanlar özelinde geçmişten günümüze birçok yayın olmasında rağmen buzdolabı akustiğini inceleyen yayın sayısı kısıtlıdır. İncelenen yayınlar göstermektedir ki sistem genelinin akustik performansını etkileyen önemli bir kıstas fan pozisyonudur: fanın konumu, orifise olan mesafasi, ön ve arkasında kalan engellere göre yerleşimi akustik yayılımı doğrudan etkilemektedir. Bunun yanında, nümerik inceleme için kullanılan hibrit yaklaşımlar yeterli doğrulukta sonuç vermektedir. Literatür araştırmalarından yola çıkarak nümerik incelemeler için hibrit bir aeroakustik model kurulumu gerçekleştirilmiştir. Operasyonel hızı 1200 rpm olan eksenel fanın akış alanı incelemesi ANSYS Fluent'te kurulmuş analiz ile yapılmıştır. Bu nümerik modelde Shear Stress Transport 𝑘 – 𝜔 türbülans modeli kullanılmıştır. Akışkan dinamiği temel denklemlerinin çözümü; üç boyutlu, zamana bağlı, viskoz, sıkıştırılamaz akış kabülleri altında yapılmıştır. Fanın dönüşü kayan ağ methodu ile tanımlanmıştır. Nümerik akış çözümü, deneysel hacimsel debi verisi ile doğrulanmıştır. Nümerik ve deneysel sonuçlara göre eksenel fanın belirtilen şartlardaki debisi 19 L/s olarak tespit edilmiştir. Akış çözümünün basınç çıktıları, akustik modele girdi olarak verilerek hibrit bir aeroakustik model oluşturulmuştır. Akustik çözüm için ANSYS Fluent'te tanımlı olan Ffowcs Williams & Hawkings (FW-H) modeli kullanılmış ve çözüm sonucu tam yansımasız akustik odada toplanan ses basıncı verileri ile karşılaştırılmıştır. Nümerik ve deneysel ses basıncı eğrileri arasında bir miktar fark olsa da genel eğilimi anlamak ve kanat geçiş frekansını yakalamak için kurulan hibrit modelin başarılı olduğu gözlemlenmiştir. Deneysel ve nümerik ölçümler arasındaki farkın iki sebeple oluştuğu ön görülmüştür. Birincisi, nümerik analizlerde fan motor sesinin hesaplara katılmamasıdır. Diğer bir neden ise hava akışının sistem yapılarını uyarmasından açığa çıkan akustik yayılımın bu model ile ön görülememesidir. Çalışmanın ikinci adımında, eksenel fan çözümleri ile doğrulanan model mevcut dondurucu bölmesine uygulanmıştır. Burada amaç dondurucu hacim içerisindeki hava akışı dağılımını ortaya koymak ve türbülans etkilerinin arttığı bölgeleri tespit etmektir. Nümerik modelde, eksenel fan 1200 rpm operasyonel hızda döndürülmüş ve bu dönüş kayan ağ metodu ile sağlanmıştır. Analiz sonucunda, türbülans oluşumunun solo fan analizlerinde gözlemlendiği gibi kanat uçlarında başladığı ve firar kenarı uçlarından çıkan girdapların özellikle dondurucu hacminin üst duvarı ile üst iki çekmece arasındaki boşlukta yoğunlaştığı görülmüştür. Ayrıca evaporator kapağının alt kısmında da türbülanslı alan tespit edilmiştir. Hibrit aeroakustik model çözümü sonucunda dondurucunun ön, arka vey an yüzeylerinden 1 metre uzaklıktan toplanan ses basıncı verileri ile tam yansımasız akustik odada aynı konumlardan toplanan ses basıncı verileri karşılaştırılmıştır. 10-10000 Hz aralığındaki toplam ses basıncı kıyaslandığında, nümerik model ve deneysel sonuçlar arasında 3-7 dBA fark olduğu görülmüştür. Eksenel fanın solo ve dondurucu hacim içerisindeki incelemeleri sonucunda hava akışının geliştirilmesi, türbülansın azaltılması ve sonucundan hava akışı kaynaklı gürültünün azaltılması için üç farklı dondurucu modeli önerilmiştir. Önerilen ilk modelde evaporatör kapağının alt kısmındaki 90°lik keskin dönüş revize edilerek fan emme bölgesinin rahatlatılması hedeflenmiştir. Oluşturulan modelin nümerik analizleri yapılarak akış alanı ve akustik yayılımı incelenmiştir. Daha sonra model prototipi oluşturularak yarı yansımasız odada IEC 60704-2-14 standardına uygun mikrofon dizilimi ile ses basıncı verileri toplanmış ve sistemin toplam ses gücü düzeyi hesaplanmıştır. Bu model ile mevcut dondurucu modeline kıyasla 0.24 dBA akustik kazanç sağlanmıştır. Eksenel fanın konumu, emme ve basma yönlerindeki yapılara uzaklığı akustik yayılımı etkileyen parametrelerdir. İkinci modelde fan pozisyonunun değiştirilmesi ile akustik kazanç sağlanması amaçlanmıştır. Bu bağlamda, fan mil üzerinde 5 mm kaydırılarak basma bölgesine yakınlaştırılmıştır. Nümerik akış analiz sonuçları incelendiğinde fan kanatlarının uç kısımlarında oluşan girdapların orifis ile etkileşiminin azaldığı gözlemlenmiştir. Bahsedilen model ile 2.18 dBA akustik kazanç sağlandığı yapılan deneysel akustik ölçümlerde tespit edilmiştir. Son olarak fan pozisyonu ve evaporator kapağı düzenlemelerinin superpozisyonu incelenmiştir. Burada amaç iki geliştirilmiş modelin toplu etkisini gözlemlemektir. İlk modelde olduğu gibi evaporator kapağı alt kısmındaki dik dönüş açısı genişletilmiş ve ikinci modelde olduğu gibi eksenel fan basma bölgesine doğru 5 mm ilerletilmiştir. Nümerik analiz, baz model ile aynı kabüller ve koşullar altında çözülmüştür. Deneysel akustik inceleme sonucunda baz modele kıyasla akustik yayılımın 3.27 dBA azaldığı tespit edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Noise has become an important public health problem with industrialization, and has become a crucial design problem for engineering. For this reason, noise reduction studies have became the focus, especially in the white goods, automotive and aviation sectors, which requires interaction with human. Among the vehicles and products in the aforementioned sectors, the refrigerators, unlike the others, are located in the center of the living area and work throughout the day. Therefore, possible sound problems are observed more quickly by the users and are found to be disturbing. At this point, the investigation and reduction of the acoustic propagation of existing products by various numerical and experimental methods is a valuable contribution to both industry and literature. Within the scope of this thesis, the freezer compartment of a refrigerator with a No frost cooling system was investigated from an aeroacoustic perspective. The freezer compartment consists of three drawers where food will be placed, an axial fan that provides air flow, an evaporator cover that separates the evaporator pipes and the interior volume, and plastic walls surrounding them. The main source of air flow noise in the system is the axial fan. For this reason, in the first step of the study, solo aeroacoustic examination of the axial fan was made. Afterwards, the entire freezer volume was examined and the study was completed with three different model proposals in which acoustic emission was reduced. The flow field analysis of the axial fan with an operational speed of 1200 rpm was carried out with commercial software ANSYS Fluent. In this numerical model, Shear Stress Transport 𝑘 – 𝜔 turbulence model was used. Governing equations was solved under three-dimensional, transient, viscous, incompressible flow assumptions. The rotation of the fan was defined by the sliding mesh method. The numerical flow solution was validated with experimental volumetric flow rate data. According to the numerical and experimental results, the flow rate of the axial fan under the specified conditions was determined as 19 L/s. A hybrid aeroacoustic model is created by giving the pressure outputs of the flow solution as input to the acoustic model. For the acoustic solution, Ffowcs Williams & Hawkings (FW-H) model defined in ANSYS Fluent was used and the result of the solution was compared with the sound pressure data collected in the full anechoic acoustic room. Although there is some difference between the numerical and experimental sound pressure curves, it was observed that the hybrid model established to understand the general trend and to catch the blade passing frequency was successful. It was predicted that the difference between experimental and numerical measurements occurred for two reasons. The first is absence of the fan motor in the numerical analysis. Another reason is that the acoustic propagation resulting from the excitation of the air flow to the system structures cannot be predicted with this model. In the second step of the study, the model validated with axial fan solutions was applied to the freezer compartment. The aim here is to reveal the air flow distribution in the freezer volume and to identify the regions where turbulence effects increase. In the numerical model, the axial fan was rotated at an operational speed of 1200 rpm and this rotation was achieved by the sliding mesh method. As a result of the analysis, it was seen that the turbulence formation started at the wing tips as observed in the solo fan analyses, and the vortices coming out of the trailing edge tips were especially concentrated in the region between the upper wall of the freezer volume and the upper two drawers. In addition, a turbulent area was detected at the bottom of the evaporator cover (which is the fan suction area). As a result of the hybrid aeroacoustic model solution, the sound pressure data collected from 1 meter away from the front, rear and side surfaces of the freezer and the sound pressure data collected from the same locations in the full anechoic acoustic room were compared. When the total sound pressure in the range of 10-10000 Hz is compared, it is seen that there is a difference of 3-7 dBA between the numerical model and the experimental results. As a result of the investigations of the axial fan in the solo and freezer volume, three different freezer models have been proposed to improve air flow, reduce turbulence and reduce the resulting noise caused by air flow. In the fist suggested model, the bottom part of the evaporator cover has changed and the acostic propagation has decreased 0.24 dBA at 1200 rpm rotational speed. The position of the axial fan and its distance from the structures in the suction and discharge directions are the parameters affecting the acoustic propagation. In the second model, it is aimed to provide acoustic gain by changing the fan position. In this context, the fan was moved on the shaft by 5 mm and brought closer to the blowing region. With this modification, total sound power level was decreased 2.18 dBA. The final model is the superposition of the first two models. Here, it was aimed to see the combined effect of two mentioned model. At 1200 rpm rotational speed, 3.27 dBA gain was achived by the third model.
Benzer Tezler
- Numerical investigation of aerodynamic and aeroacoustic properties of a supersonic jet
Ses üstü bir jetin aerodinamik ve aero akustik özelliklerinin numerik olarak incelemesi
RAMİZ ÖMÜR İÇKE
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLYAS BEDİİ ÖZDEMİR
- Aerodynamic and aeroacoustic investigation of scissorstail rotor configuration for a utility-class helicopter
Genel maksat helikopteri için makas tipli kuyruk rotorunun aerodinamik ve aeroakustik incelemesi
MEHMET MELİH ATALAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YUSUF ÖZYÖRÜK
- Düşük mach sayısında kavite içi akışın aeroakustik incelenmesi
Aeroacoustics investigation of low mach number cavity flow
FURKAN COŞGUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SERTAÇ ÇADIRCI
- Aktif kontrol uygulamalarında firar kenarı emiş yüzeyi manipülasyonunun akış gürültüsü üzerindeki etkilerinin incelenmesi
An aeroacoustic investigation into the effects of trailing edge suction surface manipulation in active control applications
ATİLA TOKSAVUL
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BAHA ZAFER
- Aeroacoustic investigation of unsteady transonic cavity flow via open CFD source codes
Açık kaynak CFD kodu ile zamana bağlı transonik kavitenin aeroakustik analizi
ALİ CAN FADIL
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BAHA ZAFER