Geri Dön

Enhancing the operational efficiency of ITU Trisonic Wind Tunnel using data-driven methods

İTÜ Trisonik Rüzgar Tüneli'nin operasyonel verimliliğinin veriye dayalı yöntemler kullanılarak geliştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 849633
  2. Yazar: OĞUZ ÖZDOĞAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. NURİYE LEMAN OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 71

Özet

İstanbul Teknik Üniversitesi'ndeki Trisonik Rüzgar Tüneli üflemeli tipte bir rüzgar tünelidir. Rüzgar tüneli 80'li yılların başından beri kullanımdadır ve bu süreçte çok sayıda bilimsel araştırmaya ve endüstriyel projeye ev sahipliği yapmıştır. Rüzgar tünelinin ekipmanlarının yaşlanması dolayısıyla büyük çaplı bir yenilenmeye gitmesi planlanırken, oldukça maliyetli olacak bu uzun süreli prosesten bağımsız olarak, rüzgar tünelinin performansındaki düşüşlere ve dalgalanmalara açıklamalar getirmek ve mümkünse çareler bulmak adına pratik ve ucuz yöntemler kritik bir değer arz etmektedir. Veriye dayalı metotların kullanımı bu açıdan önemli bir fırsat oluşturmaktadır. Rüzgar tünelinin iki temel çıktısı test odası Mach sayısı ve dinlenme odası toplam basıncıdır. Hedeflenen Mach sayısı konusunda rüzgar tüneli tatmin edici bir performans ortaya koyarken, dinlenme odası toplam basıncı konusunda tahmin edilebilirliği gittikçe kötüleşen bir karakter ortaya koymaktadır. Bu iki açıdan problem yaratıyor. Öncelikle maliyetlerin artmasına sebep olmaktadır. Rüzgar tüneli tesislerinin işletmesi en verimli halde bile maliyetlidir. Operasyonel verimin düştüğü güncel durumda ise, özellikle endüstriyle işbirliği içinde geliştirilen projelerde, isterlerin sağlanması konusunda zorluk çıkmakta, doğru ayarı bulmak güçleşmekte ve çok sayıda başarısız deney ortaya çıkmaktadır. İkinci olarak test güvenliği konusunda bilinmezlik oluşmuştur. Rüzgar tüneli dinlenme odası toplam basıncı kontrol dışı bir biçimde yükseldiğinde“emniyet membranı”denilen güvenlik elemanı devreye girmektedir. Toplam basınç karakterindeki belirsizlik dolayısıyla yüksek basınçlı testlerde emniyet elemanının göçmesi riski ortaya çıkıyor. Bu da hem zaman açısından hem de maddi açıdan bir maliyet getiriyor. Kısacası dinlenme odası toplam basınç karakterinin araştırılması gerekmektedir. Bu açıdan, üflemeli tip rüzgar tünellerinin en kritik elemanlarından biri olan basınç regülasyon vanasının performansı dikkatle incelenmiştir. Bu yüksek lisans tez çalışmasının çeşitli kısıtlardan ötürü çerçevesini anlamak önemlidir. Öncelikle bu çalışma geriye dönük olduğundan, küçük denebilecek bir verisetiyle çalışılmıştır. Rüzgar tüneli kayıt defterindeki toplam 4400'ü aşkın testten, 2021 ağustos ayından başlayarak, 2023 şubat ayına kadar olan tarihlerdeki 163 seçili test göz önüne alınmıştır. Bu testler üç farklı çalışmanın birleşimidir. Bunlardan ikisi savunma sanayi şirketleriyle gerçekleştirilen kampanyaların testleri iken, birisi bilimsel araştırma amaçlı gerçekleştirilmiş testlerdir. Değişken seti de bilinçli olarak görece dar tutulmuştur. Değişken setinde rüzgar tüneli kontrol programına girilen temel parametreler (istenen toplam basınç, istenen mach sayısı), global meteorolojik parametreler (her test öncesi alınmış dinlenme odası hava sıcaklığı, her deney günü başı kaydedilen atmosfer basıncı) ve basınç regülasyon vanasını etkileyen parametreler (depo tankı basıncı, GGAIN faktörü ve her deney günü manuel olarak ölçülen regülasyon vanası tam açılma-tam kapanma süreleri) ele alınmıştır. Ayrıca, basınç regülasyon vanasının karakterini incelemek adına, potansiyometre kullanılan bağımsız deneylerle kullanışlılığı ispatlanan, rüzgar tüneli kontrol programındaki IPAS3 parametresi kullanıldı. Bu değişkenler birçok alanda başarısını ispatlamış JMP istatistik paketinde incelenmiştir. Her tahmin modelinin ön aşaması keşif analizidir. Böylece modele eklenecek değişkenler belirlenir ve model yorumlanırken bu analizlerden yola çıkılır. Keşif analizlerinin sonucu olarak, her test öncesi dinlenme odasından alınan hava sıcaklığı ölçümünün art arda yapılan testlerde, bu tez çalışmasında“öncül test etkisi”diye isimlendirilen, ani düşüşler yaşadığı tespit edildi. Keşif analizinin diğer bir dalı olarak, verisetini oluşturan üç çalışmadan bilimsel araştırma kaynaklı olan ve zamanında sistematik olarak aynı Mach sayısı ve toplam basınç isterleriyle deneyler yapılmış bir çalışmanın verileri ayrıldı ve regülasyon vanası performansı incelendi. Bu incelemeler sonucunda, iki kademeli 40 bar basınçlı kompresörlerden aldığı havayla rüzgar tünelini besleyen depo tanklarının basıncının deney sonuçlarına direkt etkisi gösterildi. Basınç regülasyon vanasının istenen toplam basınç değerleriyle korele olduğu; regülasyon vanasının performansını etkileyen GGAIN faktörü büyüdükçe, regülasyon vanasının daha yavaş açıldığı tespit edildi. Günlük manuel olarak ölçülen regülasyon vanası tam açılma sürelerinin, kabaca da olsa etkisi olduğu gözlendi. Son olarak JMP Sinir Ağları paketi kullanılarak tahmin modelleri inşa edildi. Basınç regülasyon vanası temel göstergesi IPAS3,“toplam basınç”ve deney başarısı için tanımlanan“% accuracy”parametreleri için olmak üzere, toplamda üç tahmin modeli kuruldu. Tahmin modellerinin başarımını artırmak adına, verisetindeki toplam 163 test içerisinde GGAIN değeri 15 ve 35'ten farklı olan 13 test çıkarıldı. Üç model için de“tahminci”değişkenlerin seçimi keşif analizi sonuçları ve rüzgar tüneli fiziğine dair tecrübeler yardımıyla belirlendi. Sinir ağları bazlı bu tahmin modelleri tek gizli tabakayla oluşturuldu. Modellerin validasyonu için verisetinin üçte birlik miktarına karşılık gelecek biçimde, Mach sayısı ve toplam basınç gözlemlerinin dağılımlarını homojenize eden bir yaklaşımla, özel olarak belirlenmiş bir veriseti kullanıldı. JMP Sinir Ağları paketinde bulunan bu validasyon yöntemine“excluded row validation”metodu denir. Tahmin modellerin sonuçları temel istatistik metrikleri ve“tahminci dominasyon analizleri”kullanılarak değerlendirildi. Tahmin modellerinin sonuçlarına göre,“istenen toplam basınç”parametresi IPAS3 simulasyonunda hem ana etki hem de toplam etki açısından en dominant parametreyken, GGAIN faktörünün depo tank basıncı ve Mach sayısı isterinden daha ağırlıklı bir yeri olduğu ortaya çıkmıştır. Toplam basınç simülasyonu beklendiği üzere rüzgar tüneli kontrol programına girilen“toplam basınç isteri”parametresinin ağır dominasyonunu göstermekle beraber, Mach sayısı isterini de öne çıkarırken, depo tank basıncının ve sıcaklığın etkisinin beklenenden az olduğunu gösterdi. % accuracy simülasyonu ise istatiksel olarak tatmin edici bir başarı göstermemiştir. Diğer iki simülasyonda daha makul derecede görülen, eğitim setinin daha yüksek R2'ye ve daha düşük ortalama mutlak hatalara sahip olması (aşırı öğrenme) durumu, % accuracy modelinde arzu edilmeyen bir noktaya gelmiştir. Her şeye rağmen değişken önem analizi raporunun sonuçları GGAIN faktörünün dominasyonunu gösterirken, hava sıcaklığı ve depo tank basıncını da ön plana çıkarmıştır. Özellikle hava sıcaklığı verisinin yüksek etkisi ve“toplam basınç isteri”'nin en düşük etkiye sahip olması şaşırtıcı sonuçlardır. Sonuç olarak bu çalışmada, operasyonel verimi güncel olarak düşmüş ve toplam basınç karakteri tahmin edilemez olmaya başlanan İTÜ Trisonik Rüzgar Tüneli'ni etkileyen bir dizi değişken, son dönemdeki üç farklı çalışmanın verileriyle ele alınarak incelenmiştir. Bu inceleme JMP istatistik paketi kullanılarak, keşif analizi ve sinir ağları yöntemleriyle gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın sonuçlarına göre, trisonik rüzgar tüneli için kritik önem arz eden basınç regülasyon vanasının performansını etkileyen GGAIN faktörünün önemi vurgulanmış; hava sıcaklığı ve tank basıncı gibi parametrelerin etkisi ortaya konmuştur. Atmosfer basıncı ve manuel ölçülen basınç regülasyon vanası tam açılma-tam kapanma süreleri değişkenlerinin performans üstündeki etkisinin zayıf olduğu gösterilmiştir. Bu yüksek lisans tez çalışmasının sonuçlarının, rüzgar tünelinin operasyonel verimine pozitif bir katkı sağlayabileceği sonucuna varılmıştır.

Özet (Çeviri)

Istanbul Technical University's Trisonic Wind Tunnel is of the blow-down type and has been in operation since the early 1980s. Over the years, it has hosted numerous scientific research and industrial projects. As the equipment of the wind tunnel ages, a major renovation is planned. However, irrespective of this lengthy and costly process, practical and cost-effective methods to explain and, if possible, find solutions to the declines and fluctuations in the performance of the wind tunnel are crucial. In this context, data-driven methods offer a significant opportunity. The two main outputs of the wind tunnel are the Mach number in the test section and the stagnation pressure in the settling chamber. While the wind tunnel exhibits satisfactory performance in achieving the targeted Mach number, the predictability of stagnation pressure shows a deteriorating trend. This, in turn, increases costs and reduces the efficiency of the wind tunnel, raising safety concerns. Therefore, the investigation of the stagnation pressure character is essential. In this regard, the performance of the pressure regulating valve, a critical component of blow-down wind tunnels, has been carefully examined analytically. As this study is retrospective, the dataset is relatively small and it does not involve designed systematic experiments. The variable set, which also kept intentionally narrow, includes parameters entered into wind tunnel control program (WTCP), global meteorological parameters, and parameters affecting the pressure regulating valve. To examine the character of the pressure regulating valve, the IPAS3 variable in the WTCP was used. Data from independent experiments using potentiometer showed that the number of steps in IPAS3 and the opening time of the pressure regulating valve are correlated. These variables were analyzed in the JMP statistical package, which has proven its success in various fields. As a result of exploratory analyses, it was observed that the air temperature measured in the settling chamber before each test, experiences sudden drops in consecutive tests, a phenomenon termed the“predecessor effect”, in this study. The direct impact of the storage tank pressure on experiment results is demonstrated. It is found that the pressure regulating valve correlates with the desired stagnation pressure, and as the GGAIN factor influencing the valve's performance increases, the valve opens more slowly. It is also shown that the full opening duration of pressure regulating valve, which is measured manually on start of test days, has an effect. Finally, predictive models are built for IPAS3,“obtained stagnation pressure”and experimental success which is represented by the % accuracy parameter using the JMP Neural Network package. These neural networks consist of a single hidden layer, and the validation set was specially selected to give equal weight to Mach number and stagnation pressure. According to the results of the predictive models, while the“desired stagnation pressure”parameter is the most dominant for IPAS3, GGAIN factor has a more significant influence than storage tank pressure and desired Mach number. The stagnation pressure simulation highlighted the importance of the Mach number requirement, while it showed that the effects of storage tank pressure and temperature is less than expected. Although the % accuracy simulation did not show statistically satisfying performance, it emphasized the dominance of the GGAIN factor and also brought attention to settling chamber air temperature and storage tank pressure. In conclusion, in this study, a series of variables affecting the operational efficiency and unpredictability of the total pressure character, of the ITU Trisonic Wind Tunnel, which has recently experienced a decline in operational efficiency, were examined using the data from three different recent studies. This investigation was conducted using the JMP statistical software, with exploratory analysis and neural network methods. According to the results of the study, the importance of the GGAIN factor, which affects the performance of the pressure regulating valve critical to the trisonic wind tunnel, was emphasized; the effects of parameters such as air temperature and tank pressure were revealed. It was shown that the influence of variables such as atmospheric pressure, Mach number requirement, and manually measured full opening-closing times of the pressure regulating valve on performance is weak. The results of this master's thesis could contribute positively to the operational efficiency of the wind tunnel.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    885022

    Bir altın madeninde yeraltı üretim geometrilerinin ve tahkimat sisteminin jeoteknik esaslara göre belirlenmesi

    Determination of underground production geometries and support system in a gold mine according to geotechnical principles

    FATMA ZEHRA TOKER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. CÜNEYT ATİLLA ÖZTÜRK

  2. Tez No

    737793

    Bilgi işlem teknolojileri altyapısının ekonomik büyüme üzerine etkisi: Sahra-Altı Afrika ülkelerinden kanıtlar

    The impact of ict infrastructure on economic growth: Evidence from Sub-Saharan-African countries

    SAİD MOHAMUD NUR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Ekonomiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Ekonomi Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ METE HAN YAĞMUR

  3. Tez No

    548007

    A new approach to increase energy efficiency of luxury high-rise residential blocks in complex buildings by utilizing advanced HVAC systems

    Karma yapılardaki yüksek katlı lüks konut binalarının enerji verimliliğinin gelişmiş mekanik sistemlerden faydalanarak arttırılması için yeni bir yaklaşım önerisi

    ALPAY AKGÜÇ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞE ZERRİN YILMAZ

    PROF. DR. MARCO PERINO

  4. Tez No

    83108

    Genişbandlı şebekelerde hizmet adaptasyon protokolleri

    Başlık çevirisi yok

    RECEP EVREN PALANDUZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1999

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜNSEL DURUSOY

  5. Tez No

    911624

    Türkiye'de YİD (yap-işlet-devret) modeli ile yapılan otoyol projelerinin bakımı ve işletilmesi

    Operation maintenance for highway built with BOT (build-operate-transfer) model in Turkey

    HİLMİ ANIL GÜNDEMİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Ulaşımİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT ERGÜN

Geri Dön