Geri Dön

Closed-loop flow separation control in the backward facing step flow using fuzzy-based PID controller

Bulanık tabanlı PID kontrolcü kullanarak geri basamak akışının kapalı döngü akış ayırma kontrolü

PDF İndir

  1. Tez No: 769513
  2. Yazar: HAMED RAHMATI AYDENLOU
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDUSSAMET SUBAŞI
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  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: 100

Özet

Akış ayrılması gibi çeşitli olguları içeren katı cisimlerin etrafındaki akışkan akışı, akışkan dinamiği analizindeki ilgi çekici konulardan biridir. Akış ayırması; basınç direnci, kaldırma kaybı, durma ve basınç geri kazanım kayıpları gibi çeşitli fiziksel olaylarla doğrudan ilgili olduğundan iç ve dış akış problemlerinde ele alınan önemli araştırma konularından biridir. Akış ayrılması ve akışın yeniden tutunma mesafesi problemlerinde geri basamak akışı üzerinde temel çalışmaların yapıldığı bir referans haline gelmiştir. Literatürde geri basamak akışını konu edinen çok sayıda teorik, sayısal ve deneysel çalışma olmasına rağmen çeşitli akış kontrol yöntemlerinin geri basamak akışına uygulanması ile ilgili araştırmaların sayısı görece daha azdır. Geri basamak akışında meydana gelen akış ayrılmasından sonra yeniden bağlanma olması; kararsızlığı, basınç dalgalanmalarını, titreşimleri ve gürültü bozukluklarını artırdığı, bu olumsuzlukların giderilmesi ya da etkisinin azaltılması için sentetik jet kullanımının literatürde yaygın olduğu bilinmektedir. Bu çalışma kapsamında öncelikle, sinüzoidal sentetik jet konfigürasyonunun etkisi sayısal olarak araştırılmıştır. Sinüzoidal jetin etkisini belirleyebilmek için jetsiz ve jetli olmak üzere iki ayrı vaka çalışması yapılmıştır. Nihai simülasyonlardan önce çözüm ağından ve zaman adımından bağımsızlık çalışması ve literatürden seçilen referans çalışmalar üzerinden jetli ve jetsiz durum için doğrulama çalışması yapılmıştır. Elde edilen sonuçların literatür ile kabul edilebilir seviyede uyumlu olduğu tespit edildikten sonra nihai analizler gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda, basamak duvarına yerleştirilen jetin etkisi 200, 300 ve 400 olmak üzere üç farklı Reynolds sayısında incelenmiştir. Kontrolcü parametrelerinin tespit edilmesinde kullanılmak üzere MATLAB'in systemIdentification araç kutusu kullanılarak transfer fonksiyonu elde edilmiştir. Elde edilen 5 kutuplu ve 4 sıfırlı transfer fonksiyonunun tüm Reynolds sayıaları için ele alınan sistemi kabul edilebilir seviyede tespit edildiği tespit edilmiştir. Elde edilen transfer fonksiyonu, Oransal-İntegral-Diferansiyel (PID) kontrolcünün parametrelerini ayarlamak için oluşturulan SIMULINK modellerinde kullanılmıştır. PID kontrolcünün parametreleri (Kp′, α ve Kd′); Ziegler–Nichols ve Bulanık Çıkarım Sistemi (bulanık-PID) olmak üzere iki farklı yöntem kullanılarak belirlenmiştir. Bulanık-PID kontrolcünün geleneksel yöntemler kullanılan PID kontrolcüye kıyasla aşma, yükselme ve yerleşme süresi kriterleri dikkate alındığında daha iyi sonuç verdiği tespit edilmiştir. Bulanık-PID denetleyicinin performansını arttırmak için genetik algoritma ve parçacık sürüsü olmak üzere iki farklı optimizasyon yöntemi kullanılmıştır. SIMULINK modeli üzerinden parametreleri üç farklı yöntem (geleneksel, bulanık, optimize edilmiş bulanık) kullanılarak ayarlanmış olan PID kontrolcülerin performansı kıyaslanmıştır. Aşma, yükselme ve yerleşme süresi dikkate alındığında optimize edilmiş bulanık PID kontrolörün diğerlerine kıyasla daha iyi sonuç verdiği tespit edilmiştir. Daha sonra SIMULINK modelinde yer alan sistemin transfer fonksiyonu yerine MATLAB ile ANSYS FLUENT'in birbiriyle konuşması sağlanarak ANSYS FLUENT simülasyonu yerleştirilmiş ve ANSYS FLUENT simülasyonlarındaki sentetik jetin hızının tasarlanan PID kontrolcü ile gerçek zamanlı kontrol edildiği simülasyonlar yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar dikkate alınarak, tasarlanan PID kontrolörünün, sürükleme katsayısındaki dalgalanmayı ortadan kaldırıldığı ve ayrılmış akış bölgesi uzunluğunun, jetsiz çalışma durumuna kıyasla % 17.35'e kadar düşürdüğü tespit edilmiştir. Ayrıca, sürükleme katsayısındaki dalgalanmaların ortadan kaldırılması, optimize edilmiş bulanık-PID kontrolörünün uygulanmasının sentetik jetin daha az enerji tüketmesine yol açtığı belirlenmiştir. Son olarak, basamak duvarının etrafındaki akış yapısı altta yatan fiziksel olaylar da dikkate alınarak ayrıntılı olarak araştırılmıştır.

Özet (Çeviri)

Fluid flow around solid bodies from rudimentary to sophisticated, is one of the spotlights in fluid dynamic analysis which includes various phenomena such as flow separation. Flow separation is an important engineering topic which has been considered in various internal and external flow problems leading to pressure drag, loss of lift, stall, pressure recovery losses and vortex shedding leading to significant failure in the resonance frequency domain. The problem which has become benchmark regarding the flow separation and reattachment length is the Backward Facing Step. Despite of having tremendous theoretical, numerical, and experimental studies related to this problem, there have been less value of research regarding the flow control in this geometry. Having reattachment after separation of the flow in this geometry increases the unsteadiness, pressure fluctuations, vibrations and noise disturbances. Among the various actuators employed for ameliorating aforementioned issue, the synthetic jet known actuator has been notified. In the beginning of this study, the sinusoidal synthetic configuration has been investigated, and related equations have been extracted. In order of comparing the results, two cases of studies including without and with jet were studied. In the first part of study, the numerical analysis has been conducted to validate the gathered results from the reference studies in the literature using ANSYS FLUENT. The results have concluded that simulation results had the acceptable agreement with the previously conducted reference studies. In the next step, the main Computational Fluid Dynamics simulation part of this study including the single sinusoidal synthetic jet over the step wall was carried out in three different Reynolds numbers as 200, 300, and 400. Having carried out the simulation related to the with-jet case, discrete transfer function was extracted using systemIdentification toolbox of MATLAB. The transfer function with 5 poles and 4 zeros reached the desirable agreement with the reference data. The achieved transfer function was utilized in the SIMULINK models being designed for testing the various Proportional-Integral-Differential (PID) controller configurations. Three types of conventional, Fuzzy and optimized fuzzy PID controllers were considered for investigation and comparison. Three gains including proportional (Kp ′), integral (α) and derivative (Kd ′) of the PID controller were tuned based on classical Ziegler–Nichols and Fuzzy Inference System (FIS). The results revealed that the fuzzy-PID controller has better efficiency regarding the overshoot, rising time and settling time criteria in comparison with conventional PID controller. To reach the better performance of the fuzzy-PID controller, two methods of genetic algorithm and particle swarm optimization methods were employed. Subsequently, the optimized fuzzy inference system from this method was inserted in the SIMULINK model and optimized fuzzy PID controller was constructed. The comparison between three defined PID controllers (conventional, fuzzy, optimized fuzzy) were conducted using the designed SIMULINK model. The results showed that the least values of overshoot, rising time and settling was belonging to the optimized fuzzy PID controller based on defined cost function criteria. After that, instead of applying the extracted transfer function, ANSYS FLUENT was coupled with SIMULINK. The obtained results revealed that the designed PID controller was able to define a desirable amplitude for the jet where the fluctuation of the drag coefficient has been eliminated and the magnitude of the recirculation length became less than value of the without jet case of study by 17.35 %. Furthermore, eliminating the fluctuations of the drag coefficient leads to less consuming energy of the jet which is the another benefits of the applying optimized fuzzy-PID controller. Finally, the results are investigated in detail considering the underlying physical phenomena around the step wall. In the next step, the main CFD simulation part of this study including the single sinusoidal synthetic jet over the step wall was carried out in three different Reynolds numbers as 200, 300, and 400. Having carried out the simulation related to the with-jet case, discrete transfer function related to the 400 Reynolds number was extracted using systemIdentification toolbox of MATLAB. The transfer function with 5 poles and 4 zeros reached the desirable agreement with the reference data, and validated based on 200 and 300 Reynolds numbers. The achieved transfer function was utilized in the SIMULINK models being designed for testing the various upcoming Proportional-Integral-Differential (PID) controller configurations. Three types of conventional, Fuzzy and optimized fuzzy PID controllers were considered for investigation and comparison. Three gains including proportional (Kp ′), integral (α) and derivative (Kd ′) of the PID controller were tuned based on classical Ziegler–Nichols and Fuzzy Inference System (FIS). The results revealed that the fuzzy-PID controller has better efficiency regarding the overshoot, rising time and settling time criteria in comparison with conventional PID controller. To reach the better performance of the fuzzy-PID controller, two methods of genetic algorithm and particle swarm optimization methods were employed. The tournament selection method based on bisector defuzzification showed the least value of the cost function and Number of Function Evaluation with respect two other selection methods. Subsequently, the optimized fuzzy inference system from this method was inserted in the SIMULINK model and optimized fuzzy PID controller was constructed. The comparison between three defined PID controllers (conventional, fuzzy, optimized fuzzy) were conducted using the designed SIMULINK model. The results showed that the least values of overshoot, rising time and settling was belonging to the optimized fuzzy PID controller based on normalized cost function criteria. After that, instead of applying the extracted transfer function, ANSYS FLUENT was coupled with SIMULINK. The obtained results revealed that the designed PID controller was able to define a desirable amplitude for the jet where the fluctuation of the drag coefficient has been eliminated and the magnitude of the recirculation length became less than value of the without jet case of study by 17.35 %. Additionally, the results depicted that the designed SIMULINK model with considering the optimized fuzzy-PID controller is able to reach the defined drag coefficient being less than the sinusoidal jet without PID case of study. Furthermore, eliminating the fluctuations of the drag coefficient leads to less consuming energy of the jet which is the another benefits of the applying optimized fuzzy-PID controller. Finally, the dimensional analysis of the fluid physical phenomena around the step wall was conducted. The results concluded that the height and width of the secondary vortex for the with sinusoidal jet tuned by optimized fuzzy PID controller is higher than the without-jet case of study.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    911191

    Control of leading edge vortex and three-dimensional surface separation on a non-slender delta wing using passive and active techniques

    Düşük ok açılı delta kanatlar üzerindeki hücum kenarı girdaplarının ve üç boyutlu yüzey akış ayrılmalarının pasif ve aktif teknikler ile kontrolü

    CENK ÇETİN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET METİN YAVUZ

  2. Tez No

    637543

    Model ayrıştırma temelli oran kontrol yapısı

    Model seperation based ratio control structure

    OSMAN ÇAKIROĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MÜJDE GÜZELKAYA

  3. Tez No

    557057

    IBE fermantasyonundan butanol ve izopropanol saflaştırma prosesinin tasarımı ve kontrolü

    Design and control of butanol and isopropanol purification process from IBE fermantation

    SERAP DEMİRDELEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DEVRİM BARIŞ KAYMAK

  4. Tez No

    609882

    Ardışık reaktif distilasyon kolonlarında gerçekleşen biyodizel üretim prosesinin tasarımı ve kontrolü

    Design and control of the biodiesel process produced in consecutive reactive distillation columns

    EKİN YENER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DEVRİM BARIŞ KAYMAK

  5. Tez No

    886341

    Etil levulinat üretim sürecinin iki reaktif distilasyon kolonu kullanarak enerji verimli tasarımı ve kontrolü

    Energy efficient design and control of ethyl levulinate production process using two reactive distillation columns

    ASLIHAN ANTEP

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. DEVRİM BARIŞ KAYMAK

Geri Dön