Yatay eksenli sualtı akıntı türbinlerinde kavitasyon olgusunun deneysel ve lineer olmayan sayısal yöntemler ile incelenmesi
Investigation of cavitation phenomenon in horizontal axis marine current turbine by experimental and nonlinear numerical methods
- Tez No: 895241
- Danışmanlar: PROF. DR. ŞAKİR BAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 170
Özet
Endüstriyel üretimdeki artış, dünya nüfusunun hızla artması, gelişen teknoloji ve insanların yaşam standartlarının artması; büyük miktarda enerji ihtiyacını beraberinde getirir. Günümüzde artan enerji talebinin karşılandığı birinci kaynak fosil yakıtlar özellikle petroldür. Fakat artan bu talebi kısıtlı ve tükenen fosil kaynaklarla temin etmenin uzun vadede mümkün olmayacağı açıktır. Fosil yakıt kullanımının doğa üzerindeki olumsuz etkileri (iklim değişikliği, hava kirliliği, küresel ısınma, çevre kirliliği, $\mathrm{CO}_2$ emisyonu vb.…) son yıllarda insanlar tarafından daha görünür hale gelmekte ve toplumların refahını önemli ölçüde etkilemektedir. Fosil yakıtları çevreye olan olumsuz etkileri, uluslararası anlaşmalar ile gelen yükümlülükler, ülkelerin enerji güvenliği ihtiyacı ve sürdürülebilirlik; yenilenebilir enerjiye olan yönelimin ana nedenleridir. Ülkemizde de sürdürebilir kalkınmanın ve enerji güvenliğinin sağlanabilmesi için yenilenebilir enerji kaynaklarını verimli bir şekilde kullanması mecburidir. Ülkemizde kullanılan yeşil enerji kaynakları rüzgar, jeotermal, güneş, hidroelektrik ve dalga enerjisi olarak sıralanabilir. Ülkemiz için temel hedef, bu sıralanan enerji kaynaklarını en verimli şekilde kullanarak yeşil enerjinin toplam enerji üretim oranını artırmaktır. Türkiye üç tarafı denizlerle çevrili ve 8 bin 333 km kıyı şeridine sahiptir. Fakat denizlerimizin sahip olduğu büyük ve sürekli enerji potansiyelinden olması gerektiği gibi yararlanamadığı görülür. Bu nedenle denizlerin sahip olduğu yeşil enerji ile alakalı her türlü çalışmanın teşvik edilip desteklenmesi geleceğimiz için elzemdir. Denizde büyük bir enerji potansiyeline sahip akım enerjisini kullanılabilir enerjiye çeviren birçok sistem vardır. Bu sistemlerden en yaygın kullanılanı sualtı akıntı türbinleridir. Su altı akıntı türbinleri, akımın sahip olduğu kinetik enerjiyi mekanik torka çeviren sistemlerdir. Dönme ekseni ile akım yönünün birbirlerinin konumuna göre iki tipe ayrılır. Akım yönü ile dönme ekseni birbirlerine paralel ise yatay eksenli, akım yönü ile dönme ekseni birbirine dik ise dikey eksenli su altı akıntı türbini olarak sınıflandırılır. Yüksek verim, düşük bakım maliyeti, düşük tork dalgalanmaları gibi avantajlara sahip olmasından dolayı yatay eksenli türbinlerin dikey eksenli türbinlere oranla kullanımı daha yaygındır. Bu çalışmada ele alınan tüm sualtı akıntı türbin modelleri yatay eksenli tiptedir. Sualtı akıntı türbinlerinin çalışma prensipleri rüzgar türbinleri ile benzerdir. Bu nedenle rüzgâr türbinleri ile alakalı yapılan çok sayıda çalışmadan elde edilen bilgiler ve kullanılan yöntemler sualtı akıntı türbinlerine de uygulanabilir. Rüzgar türbinleri ile sualtı akıntı türbinlerinin benzer çalışma mekanizmasına sahip olmasına karşın farklı türbülans yoğunluklarında çalışması, çalıştıkları akışkan özellik farkları ve kavitasyon oluşumu aralarında en belirgin ve dikkat edilmesi gereken farklılıklardır. Geliştirilen sayısal analiz araçlarında en önemli hedef, matematiksel yöntemin gerçek durumu en doğru şekilde modelleyebilmesidir. Bu nedenle kavitasyon olgusunun yönteme dahil edilmesi sayısal aracın doğruluğu açısından çok önemlidir. Çalışmada rüzgâr türbinlerinin performans analizlerinde de sıklıkla kullanılan momentum kanat elemanı yöntemi kullanılmıştır. Momentum kanat elemanı yöntemi, momentum yöntemi ve kanat elemanı yönteminin birleşiminden oluşmaktadır. Kanat elemanı yönteminde kanat kökten uca doğru belirli sayıda bölüme ayrılır. Her bir parçadan elde edilen itme ve tork değerleri hesaplanıp kanat boyunca integre edilir. Böylece rotora ait toplam itme ve tork değerleri hesaplanır. Yöntem çalışırken kanat kesitlerine ait kaldırma ve direnç kuvveti katsayılarını kullanır. Bu değerlerin doğruluğu, yöntem sonuçlarını doğrudan etkiler. Literatürde yapılan çalışmalarda kaldırma ve direnç kuvvet değerleri genellikle panel yöntemleri ile hesaplanır. Tez çalışmasında bu değerler panel yönteminin yanı sıra HAD analizleri ile de hesaplanmıştır. Bu kesitlere ait akım karakteristikleri kavitasyonlu durum altında hesaplanırsa kavitasyon olgusu ve lineer olmayan viskoz etkiler kanat elemanı yöntemlerine dahil edilmiş olur. Oluşturulan kanat elemanı yöntemi kodunun doğrulamasını yapmak için deney verileri olan üç tane sualtı akıntı türbini seçilmiştir. Bu üç türbin farklı çaplarda ve sırasıyla iki, üç ve dört kanatlıdır. Bu türbinlere ait kesit karakteristik değerler panel yöntemi ve iki boyutlu HAD analizleri ile hesaplanmıştır. Kanat elemanı yöntemi ile farklı uç hız oranlarına karşılık boyutsuz güç ve itme katsayıları elde edilmiş, elde edilen bu sayısal değerleri deney değerleri ile kıyaslanarak, oluşturulan matematiksel modelin doğrulaması gerçekleştirilmiştir. İki boyutlu kavitasyon yapan kesitler için HAD analizleri OpenFOAM programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. OpenFOAM kütüphanesi C++ programlama dili ile hazırlanmış sonlu hacimler yöntemini kullanan açık kaynaklı bir programdır. İki boyutlu ağ yapıları ise düzgün yapıda ve C-tip hesaplama alanı topolojisi kullanılarak oluşturulmuştur. Türbülanslı akım tüm analizlerde SST k-$\omega$ yaklaşımı ile modellenmiştir. Ağ örgüleri türbülans modeli gereksinimlerine uygun olarak ($\mathrm{y}^+$
Özet (Çeviri)
The increase of production capacity, the rapid expansion of the global population, the advancement of technology, and the enhancement of people's standard of living all contribute to a significant increase in energy demand. The majority of today's energy demand is met by fossil fuels, especially oil. On the other hand, it is evident that limited and depleted fossil resources will not be able to satisfy this expanding demand in the long run. In recent years, the negative effects of fossil fuel use on the environment (climate change, air pollution, global warming, environmental pollution, $\mathrm{CO}_2$ emissions, etc.) have become increasingly apparent to the wider community and have an important effect on human welfare. The trend toward renewable energy is motivated primarily by the negative environmental effects of fossil fuels, global responsibilities, the need for energy security among countries, and the goal of environmental sustainability. Efficient utilization of renewable energy sources is crucial for ensuring sustainable development and energy security within our nation. Green energy sources such as wind, geothermal, solar, hydroelectric, and wave energy are employed in the power grid of our nation. The principal aim of our nation is to enhance the proportion of renewable energy in the overall energy generation by efficiently utilizing these sources of energy. Turkey is surrounded on three sides by water and has 8,333 kilometers of coastal. However, it is evident that the immense and limitless energy potential of the seas has not been fully utilized. For this reason, it is crucial for our future to encourage and support all types of research on the renewable energy of the seas. Numerous marine systems convert flow energy into usable energy. The most popular of these systems are marine current turbines. Current kinetic energy is converted to mechanical torque by marine turbines. It is divided into two types based on the position of the rotation axis in relation to the flow direction. If the flow direction and rotation axis of a marine current turbine are parallel, it is classified as a horizontal axis; otherwise, it is classified as a vertical axis. Horizontal axis turbines are utilized more often than vertical axis turbines due to their benefits, which include high efficiency, low maintenance costs, and low torque fluctuations. This study covers only horizontal axis varieties of marine current turbines. Marine current turbines operate in an approach similar to wind turbines. In considering this, the information acquired from numerous studies on wind turbines and the methodologies employed can also be applied to marine current turbines. Although wind turbines and marine current turbines have similar working mechanisms, the most evident and significant differences between them are their operation at various turbulence intensities, the different fluid properties they work with, and the formation of cavitation. The most important goal of the developed numerical analysis tools is that the mathematical method accurately represents the real world. Adding the cavitation phenomenon and nonlinear viscous effects into the method is crucial for the precision of the computational tool. The momentum blade element method, which is commonly used to analyze the performance of wind turbines, was utilized in this study. The momentum blade element method integrates momentum and blade element methods. From root to tip, the blade is subdivided into a certain number of sections using the blade element method. The thrust and torque values of each component are calculated and integrated along the blade. Thus, the total thrust and torque of the rotor are calculated. During calculation, the lift and drag coefficients of the blade sections are utilized. The accuracy of these values has a direct impact on the method's outputs. In most published studies, lift and resistance values are calculated using panel methods. Using both CFD analysis and the panel method, these values were obtained in the study for the thesis. If the characteristic coefficients of these sections are calculated under a cavitating condition, then the blade element method contains the cavitation phenomenon. The momentum blade element method, which is commonly used to analyze the performance of wind turbines, was utilized in this study. The momentum blade element method integrates momentum and blade element methods. From root to tip, the blade is subdivided into a certain number of sections using the blade element method. The thrust and torque values of each component are calculated and integrated along the blade. Thus, the total thrust and torque of the rotor are calculated. During calculation, the lift and drag coefficients of the blade sections are utilized. The accuracy of these values has a direct impact on the method's outputs. In most published studies, lift and resistance values are calculated using panel methods. Using both CFD analysis and the panel method, these values were obtained in the study for the thesis. If the characteristic coefficients of these sections are calculated under a cavitating condition, then the blade element method contains the cavitation phenomenon. Three marine current turbines with experimental data were chosen to validate the algorithm of the blade element method. These three turbines have varying diameters, with two, three, and four blades, respectively. The cross-sectional characteristics of these turbines were determined using the panel method and two-dimensional CFD analysis. These numerical values were compared to experimental data to validate the mathematical model. Using the OpenFOAM, two-dimensional CFD analyses under cavitation conditions were conducted. The OpenFOAM library is an open-source program that implements the C++ finite volume method. The two-dimensional mesh structures have been constructed using the C-type computing field topology. In all simulations, the turbulent flow was modeled using the SST k-$\omega$ approach. The meshes are produced in compliance with the requirements of the turbulence model ($\mathrm{y}^+$
Benzer Tezler
- Su altı akıntı türbinlerinin hidrodinamik analizi
Hydrodynamic analysis of marine current turbines
DENİZ UŞAR
Doktora
Türkçe
2015
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAKİR BAL
- Su altı akıntı türbinlerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği modelinin kurulması ve farklı kanat tasarımlarının performanslarının incelenmesi
CFD modelling of marine current turbines blades and performance analysis of different blades geometries and pitch angles
MUSTAFA GÖKHAN ŞANLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET SEDAT KABDAŞLI
- Rüzgar-elektrik hibrit konseptinde geliştirilen bir tekne için yatay eksenli su türbini tasarımı
Horizontal axis turbine design for wind-electric hybrit sailing boat
MUSTAFA ALVAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
DenizcilikYıldız Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERKAN EKİNCİ
- Bir sualtı aracının ataletsel özelliklerinin algılanması yoluyla yörünge takibi
Trajectory tracking of an underwater vehicle by sensing its inertial properties
MESUT UFUK ALTUNKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2006
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDisiplinlerarası Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. SERHAT İKİZOĞLU
- Otonom sualtı aracının hidrodinamik sönümleme modeli
Hydrodynamic damping model of the autonomous underwater vehicle
ERDEM FARUK TOPAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AFİFE LEYLA GÖREN