A numerical investigation of total temperature probes measurement performance
Toplam sıcaklık problarının ölçüm performansının sayısal bir incelemesi
- Tez No: 810043
- Danışmanlar: PROF. DR. FIRAT OĞUZ EDİS
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Uçak Mühendisliği, Engineering Sciences, Aircraft Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- 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: 78
Özet
Hemen hemen her endüstriyel uygulamada, katı ve akışkan sıcaklıkları, geliştirme ve durum izleme amaçları için ölçülür. Bu ölçümlerin doğruluğu, mevcut durumla ilgili yanlış anlamaları ve geliştirme aşamasındaki olası yanlış yönlendirmeleri önlemek adına önem arz etmektedir. Endüstriyel uygulamalarda sıcaklık ölçümünün en pratik yolu, pasif bir eleman olan ve ölçülen sıcaklıkla bağıntılı bir gerilim değeri üreten termokuplları kullanmaktır. Termokupllar oldukça esnek yapılardır. Bu nedenle katı ve akışkan sıcaklık ölçümleri için pek çok farklı bölgede uygulanabilirler. Algılama elemanları olarak termokupllar kullanılarak ölçüm probu geometrileri tasarlamak da mümkündür. Yüksek hızlı gaz akışı içeren makinelerde, enerji etkileşimi hesaplamalarında akışkanın kinetik enerjisi ihmal edilemez. Bu nedenle sıcaklık ölçümünden önce akışın adyabatik olarak durağanlaştırılması gerekir. Hareket halindeki bir akışkanın adyabatik durağanlaşma sonucu kazandığı sıcaklığa durgunluk sıcaklığı veya toplam sıcaklık denir. Sabit bir ölçüm probu ile yalnızca, bir gaz akışının toplam sıcaklığı ölçülebilir, çünkü prob tasarımından bağımsız olarak akış her zaman ölçüm noktası üzerinde bir dereceye kadar durağanlaşacaktır. Bir ölçüm probunun statik sıcaklığı ölçebilmesi için akışla aynı hızda hareket etmesi gerekmektedir. Sabit bir prob, akışın toplam sıcaklığını ölçmektedir ancak akış fiziğinden dolayı prob içerisindeki algılama elemanının eriştiği sıcaklığın, akışın toplam sıcaklığından sapma ihtimali vardır. Bu sapma ölçüm hatasına yol açmaktadır. Bu hatalar, geri kazanım hatası, iletim hatası ve radyasyon hatası olarak sınıflandırılmaktadır. Geri kazanım hatası, termokupl (TC) bağlantı noktasının yüzeyinde akışın adyabatik olmayan halde durağanlaşmasından kaynaklanmaktadır. TC bağlantı noktası, bir termokuplun ölçüm noktasıdır ve termokupl TC bağlantı noktasının ulaştığı sıcaklığı ölçüm değeri olarak çıktı vermektedir. Geri kazanım hatası, ölçümde dinamik sıcaklık geri kazanımının derecesini gösteren ve geri kazanım faktörü adı verilen bir parametre ile karakterize edilmektedir. İletim ve radyasyon hataları, prob çevresinde akış toplam sıcaklığından farklı sıcaklık değerlerine sahip katı bölgeler olması halinde ortaya çıkmaktadır. Bu farklı sıcaklık bölgeleri TC bağlantı noktası ile, iletim ve radyasyon ısı transferi mekanizmaları yoluyla enerji etkileşimi gerçekleştirir. Bu ısı akışı sonucu ölçümde hatalar meydana gelebilir. Bu hataların önüne geçmek için özel prob tasarımları kullanılmaktadır. Literatürde önerilmiş olan prob tasarımları, değişken akış koşulları altında deneysel olarak kalibre edilmiştir. Bu kalibrasyon çalışmalarında probların farklı akış koşulları altında geri kazanım faktörü değerleri belirlenmiştir. İletim ve radyasyon hatalarını önlemek adına, prob geometrileri bu amaca hizmet edecek halde tasarlanmıştır. Bu hata kaynaklarının etkilerini belirleyebilmek adına ise korelasyonlar önerilmiştir. Bu çalışmada, toplam sıcaklık problarının etrafındaki ve içindeki akış fiziğini ve akış ile prob geometrisi arasındaki ısı etkileşiminin doğasını araştırmak üzere bir eşlenik ısı transferi (CHT) metodolojisi oluşturulmuştur. Oluşturulan CHT metodolojisini valide etmek için literatürden deneysel bir çalışma belirlenmiştir. Bu deneysel çalışma, farklı Mach sayılarında hızlara sahip akışa maruz bırakılmış prob geometrilerinin ölçüm performansını araştıran bir toplam sıcaklık probu kalibrasyon test düzeneğini içermektedir. Simülasyonlarda ölçüm prob geometrisi modellenmiş ve test koşulları ile aynı hızda akışa maruz bırakılmıştır. Simülasyonlar sırasında gözlemlenen ana parametre, toplam sıcaklık probunun performansını belirleyen TC bağlantı noktası sıcaklığıdır. Simülasyon sonuçlarının deneysel verilerle uyum içinde olduğu gözlemlenmiştir. Daha sonra simülasyon çıktıları kullanılarak toplam sıcaklık probunun etrafındaki ve içindeki akış yapıları detaylı olarak incelenmiştir. Toplam sıcaklık probu geometrisinin ana amacı, sınır tabaka içerisindeki termal iletimi azaltmak adına prob kalkanının içindeki akış hızını düşürmektir. Simülasyonlarda bu amaca ulaşıldığı görülmüştür. Simülasyon sonuçları üzerinden adyabatik olmayan durağanlaşmanın sebebi araştırılmıştır. TC bağlantı noktasının etrafında oluşan sınır tabakada, statik sıcaklıktaki gradyanlara yol açan hız gradyanları meydana gelmektedir. Statik sıcaklık gradyanı nedeniyle akışkan enerjisinin bir kısmı TC bağlantı noktası yüzeyinden serbest akışa iletilir. Böylece; sınır tabakanın TC bağlantı noktası üzerinde konumlanan ilk katmanında, akış hızı sıfır olmasına rağmen serbest akış toplam sıcaklığına ulaşılamaz. Bu durum, viskoz etkilerin ve termal iletkenliğin bir sonucudur. Toplam sıcaklık probunun etrafındaki ve içindeki akışın doğasını anlamak için akış hızı vektörleri incelenmiştir. Kalkan giriş bölgesinde akım ayrılması gözlemlenmemiştir. Prob kalkanının dış yüzeyinde bulunan keskin köşe nedeniyle, beklendiği gibi bir akım ayrılması meydana gelmiştir. Bu akım ayrılmasının sızdırma deliklerine ulaşmadan önce tekrar kalkan yüzeyiyle birleştiği ve ayrılma bölgesinin, kalkanın içinden geçen kütlesel hava debisi üzerinde bir sınırlamaya neden olmadığı gözlemlenmiştir. İkincil olarak, farklı prob tasarım parametrelerinin ve akış koşullarının ölçüm performansı üzerindeki etkisini araştırmak için bir parametrik çalışma gerçekleştirilmiştir. 0-30 derece arasında değişen akış açıları için simülasyonlar yapılmıştır. 20 dereceye kadar ölçülen sıcaklığın 0 derece koşulundaki ölçümden sapmadığı görülmüştür. Konik bir kalkan ucuna sahip olan probların daha büyük akış açıları için daha iyi performansa sahip olduğu gözlemlenmiştir. Bu nedenle akış açısı belirsizliğinin yüksek olduğu durumlarda bu tip bir geometri önerilmektedir. Kalkan giriş alanı ile boşaltma deliklerinin toplam alanı arasındaki oran, kalkan içindeki akış hızını belirler ve geri kazanım faktörü üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Bu oran arttıkça geri kazanım faktörü artma eğiliminde olmakla birlikte, bir değerden sonra etkisi ihmal edilebilir düzeydedir. Geri kazanım faktörünü artırmak için akış hızının düşürülmesi her durumda faydalı olmayabilir çünkü daha düşük hız, daha düşük ısı transfer katsayısı (HTC) anlamına gelir. Eğer probun bulunduğu ortamda iletim ve radyasyon hatalarına sebep olacak farklı katı sıcaklık bölgeleri mevcutsa bu hata kaynakları, akışın ısı transfer katsayısının düşük olması durumunda daha baskın hale gelir. Bu nedenle, ölçüm yapılan koşullar dikkate alınarak alan oranı dikkatle kontrol edilmelidir. Parametrik çalışmanın son bölümünde ise akış parametreleri olan sıcaklık ve basıncın etkileri incelenmiştir. Sıcaklığın etkisinin Prandtl sayısı ile korele olduğu gözlemlenmiştir. Prandtl sayısı arttıkça akış termal olarak daha az difüzif hale geldiği için duvardaki ilk katmanın sıcaklığı akış toplam sıcaklığına yaklaşmaktadır. Belirli bir sıcaklık değerinde Prandtl sayısı yerel bir maksimuma ulaşır ve azalmaya başlar. Bu nedenle, geri kazanım faktörü üzerindeki sıcaklık etkisi doğrusal değildir. Sıcaklıktaki artış, Prandtl sayısı yerel maksimum değerine ulaşana kadar geri kazanım faktöründe artışa neden olur. Prandtl sayısının yerel maksimum değerinden sonraysa, sıcaklık ile geri kazanım faktörü arasındaki ilişki ters orantılı hale gelir. Basıncın etkisi geri kazanım faktörü üzerinde daha baskındır, çünkü basıncın akış Reynolds sayısı üzerindeki etkisi sıcaklıktan daha büyük bir mertebeye sahiptir. Daha yüksek Reynolds sayısı, daha ince bir sınır tabaka ve daha büyük geri kazanım faktörüne sebep vermektedir. Bu nedenle akışkan basıncındaki artışın, geri kazanım faktörünü yükselttiği gözlemlenmiştir. Son olarak; iletim ve radyasyon hataları, temel ısı transferi teorisi kullanılarak termal olarak modellenmiştir. Bu fenomenleri modellemek için, ilk etapta prob kalkanı içerisindeki akışın ısı transfer katsayısının formüle edilmesi gerekmektedir. Kalkanın içi için halkasal boru korelasyonu kullanılmıştır. Akış hızı serbest akış koşullarının bir fonksiyonu olarak tanımlanmış ve CHT simülasyonlarının sonuçları kullanılarak düzeltilmiştir. Kalkanın dışı içinse düz plaka korelasyonu uygulanmıştır. İletim hatasını modellemek için, TC teli tek boyutlu bir fin olarak modellenmiştir. TC telinin proba bağlandığı noktada bir katı sıcaklık sınır koşulu tanımlanmıştır. TC bağlantı noktası sıcaklıkları, TC telinin proba bağlandığı noktanın değişken sıcaklıkları için incelenmiştir. TC bağlantı sıcaklığının önemli ölçüde değişebileceği gözlemlenmiştir. Bu nedenle iletim hatasını önlemek için alan oranının dikkatli bir şekilde kontrol edilmesi gerekmektedir. Radyasyon hatasını modellemek için TC teli, kalkanla çevrelenmiş bir gövde olarak modellenmiştir. Kalkan sıcaklığı akış toplam sıcaklığından farklı bir değere sahip olan duvar tarafından çevrelenmektedir. Alan oranının 4 olduğu çok düşük bir hız durumunda bile hatanın %1,5'ten daha az olduğu gözlemlendiği için kalkan uygulamasının etkili bir önlem olduğu sonucuna varılmıştır. Ancak 1000 K toplam sıcaklık değeri için alan oranının 4 olduğu koşul altında ölçülen sıcaklık 10 K'den fazla saptığı için yüksek sıcaklıklarda radyasyon hatasının dikkate alınması gerektiği gözlemlenmiştir. Radyasyon hatasını önlemek için akış hızları göz önüne alınarak alan oranı dikkatli bir şekilde kontrol edilmelidir. Özetle, bu çalışma kapsamında yüksek hız ve sıcaklık ortamlarında sıcaklık ölçümünün temelleri anlatılmıştır. Toplam sıcaklık probu geometrisinin içindeki ve çevresindeki akış yapılarını araştırmak için bir CHT metodolojisi oluşturulmuştur. Prob tasarım parametrelerinin ve akış koşullarının ölçüm performansı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Son olarak, iletim ve radyasyon hata mekanizmalarını araştırmak için termal modeller üretilmiştir.
Özet (Çeviri)
In almost every industrial application, the temperature is measured for development and condition monitoring purposes. The accuracy of these measurements is crucial to avoid misunderstandings about the current condition and misguidance in the development phase. The most practical mean of temperature measurement in industrial applications is using a thermocouple. Thermocouples are very flexible structures so they can be applied in many different regions for solid and fluid temperature measurements. It is also possible to design measurement probe geometries using thermocouples as sensing elements. In machines involving high-speed gas flow, the kinetic energy of fluid can't be neglected in energy interaction calculations so flow must be adiabatically stagnated before temperature measurement. The temperature a flowing fluid gains because of adiabatic stagnation is called stagnation or total temperature. A stationary probe geometry measures the total temperature of flow but there may be deviations in the temperature of the sensing point due to the flow physics. These deviations lead to errors in measurement. These errors are classified as recovery error, conduction error and radiation error. Recovery error originated from the non-adiabatic stagnation of flow on the surface of the thermocouple (TC) junction. Recovery error is characterized by a parameter called recovery factor which shows the degree of dynamic temperature recovery on the measurement. Conduction and radiation errors arise due to solid boundary conditions which are different from the flow total temperature around the probe. These different temperature zones cause heat interaction via conduction and radiation heat transfer modes between the TC junction and surroundings giving rise to deviations in measurement. Special probe designs are used to prevent these errors. In this study, an experimental case was selected from the literature to create a conjugate heat transfer (CHT) methodology. This CHT methodology served to investigate flow physics around and inside total temperature probes and the nature of heat interaction between flow and probe geometry. This experimental case contains a total temperature probe calibration setup which investigates the measurement performance of probe geometry under different Mach number flows. In the simulations, the measurement probe geometry was modelled and exposed to the flow at the same speed as the test conditions. The main observed parameter during simulations was TC junction temperature which determines the performance of the total temperature probe. The results of simulations were observed to be in harmony with experimental data. Then, flow structures around and inside the total temperature probe were investigated in detail using the outputs of simulations. The main aim of total temperature probe geometry is to decrease flow velocity inside the shield to decrease thermal conduction in the boundary layer. In simulations, this aim was observed to be accomplished. The flow velocity vectors were investigated to understand the nature of flow around and inside the total temperature probe. No flow separation was observed on the shield inlet. On the outer surface of the probe shield, a flow separation occurred as expected due to the sharp corner. The flow reattached before reaching the bleed holes and the separation region didn't cause any further limitation on the mass flow rate inside of the shield. Secondly, a parametric study was carried out to investigate the effect of different probe design parameters and flow conditions on measurement performance. Simulations were done for varying flow angles between 0-30 deg. It was observed that up to 20 degrees flow angle, the measured temperature doesn't deviate from the measured total temperature at the 0-degree flow angle. Probes having a conical shield tip have better performance for greater flow angles, so such geometry is advised if flow angle uncertainty is much. The ratio between the shield inlet area and the total area of bleed holes determines the flow velocity inside the shield and owns a great effect on the recovery factor. As this ratio is increased, the recovery factor is in a trend of increase but after a certain value, its effect is negligible. In the last part of the parametric study, the effects of flow parameters of temperature and pressure were studied. The effect of temperature was observed to be in correlation with the Prandtl number. An increase in temperature causes a greater recovery factor until reaching the local maximum of the Prandtl number. Then, the relation between temperature and recovery factor becomes inversely proportional. The effect of pressure is more dominant on the recovery factor because the effect of pressure on Reynolds number of flow has a greater order of magnitude than temperature. A higher Reynolds number means a thinner boundary layer and a greater recovery factor so the recovery factor increases with increasing pressure. Finally, conduction and radiation errors were thermally modelled using basic heat transfer theory. To model these phenomena, the heat transfer coefficient inside the shield had to be formulated in the first place. For the inside of the shield, annular pipe correlation was used, and flow velocity was defined as a function of freestream flow conditions and corrected using the results of CHT simulations. For the outside of the shield, flat plate correlation was applied. To model conduction error, the TC wire was modelled as a one-dimensional fin with a boundary condition defined in the TC wire mount region. TC junction temperatures were investigated for varying TC wire mount temperatures. It was observed that TC junction temperature may deviate considerably so area ratio must be carefully controlled to avoid conduction error. To model radiation error, the TC wire is modelled as a body enclosed by the shield. The shield is also enclosed by a duct wall whose temperature is different from the flow total temperature. Application of shield is observed to be a very effective precaution as the errors are less than %1,5 even in the very low-speed application of AR-4 but for a total temperature of 1000 K measured temperature deviated more than 10 K for AR- 4 case so AR must be controlled carefully considering flow speeds at the measurement location to avoid radiation error. To sum up, the fundamentals of temperature measurement in high-speed and temperature environments were explained. A CHT methodology was constructed to investigate flow structures inside and around of total temperature probe geometry. The effects of probe design parameters and flow conditions were studied. Lastly, thermal models were generated to investigate the conduction and radiation error mechanisms.
Benzer Tezler
- Gemi kargo tanklarında doğal taşınımla olan ısı geçişinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi
Numerical and experimental investigation of natural convection heat transfer in ship cargo tanks
KORAY ŞAHİN
Doktora
Türkçe
2022
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELMA ERGİN
- Otomotiv ön cam buz çözme performansının sayısal olarak modellenmesi ve buzun erimesine etki eden parametrelerin irdelenmesi
Numerical modeling of windshield de-icing performance and parametric evaluation of ice melting process
SERHAN TATAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
- Egzoz sistemlerinde sıcaklık sensörü ölçüm doğruluğunun ve katalist sıcaklığının incelenmesi
Temperature sensor measurement accuracy and catalyst temperature investigation for automotive exhaust systems
MUSTAFA BAHADIR HERGENÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MURAT ÇAKAN
- Polisülfonların dielektrik davranışlarının incelenmesi
Investigation of dielectric behaviours of polysulfones
CANDAN ERBİL
- Numerical investigation of natural convection in dmlm process
Katmanlı imalatta doğal taşınımın sayısal incelenmesi
BERK ÖZADA
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SERTAÇ ÇADIRCI