Geri Dön

Cavitation performance improvement of engine cooling pump

Motor soğutma pompasının kavitasyon performansının iyileştirmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 916870
  2. Yazar: DOĞUKAN KARBAL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. FIRAT OĞUZ EDİS
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  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: 83

Özet

Araçların motor soğutma sistemlerinde soğutma suyunun devir daim süreci su pompaları tarafından gerçekleştirilir. Kullanılan bu pompalar motorun devrine bağlı olarak çok geniş çalışma aralıklarına sahiplerdir. Bu geniş aralıklardaki çalışma noktalarında yüksek debi ihtiyacı kavitasyon sorunları sebebiyle karşılanamayabilir. Sistemin ihtiyacı olan head ihtiyacı kavitasyon sorunundan dolayı karşılanamadığında motorun soğutma sistemi görevini tam olarak gerçekleştiremez. Motorun soğutma sisteminin görevini tam olarak gerçekleştirememesi durumunda istenmeyen sıcaklıklar meydana gelir ve çeşitli failure durumları gözlenir. Tüm bunlar göz önüne alındığında, su pompalarında gözlemlenen kavitasyon problemi oldukça kritiktir. Kavitasyon akışkanın bölgesel olarak hızlanması, ardından hızlanmadan kaynaklı akışkanın o bölgede statik basıncının buharlaşma basıncının altına düşmesi ile oluşur. Statik basıncın buharlaşma basıncının altına düşmesi ile birlikte akış içerisinde buhar dolu kavitasyon baloncukları oluşur. Bu oluşan baloncukların akış doğrultusunda ilerlemesiyle birlikte, yüksek statik basınca maruz kalırlar ve aniden patlarlar. Su pompalarında da sıklıkla gözlemlenen bu kavitasyon fenomeni kompleks bir problemdir. Kavitasyon boyunca gözlemlenen ani buharlaşma ve yoğuşma döngüsü birçok probleme sebep olur. İstenilen basma yüksekliği değerleri ve verim değerlerine ulaşılamaz, gürültülü çalışma ve titreşim problemleri gözlemlenir. Uzun süreli kavitasyon problemi yaşanan bir pompada, sürekli oluşan ve aniden patlayan buhar dolu kavitasyon baloncukları erozyon hasarlarına sebebiyet verir. Kavitasyon problemini pompalar özelinde üç madde ile özetleyebiliriz: (i) kavitasyon başlangıcı evresi, kanatçığın hücum kenarı civarlarında akışkanın statik basıncının buharlaşma basıncının altına düşmesiyle oluşan buhar balonları; (ii) oluşan buhar baloncuklarının büyüyüp akış doğrultusunda ilerlemesi; (iii) oluşan buhar baloncuklarının lokal olarak buhar basıncından yüksek basınca maruz kalarak aniden patlaması. Uzun yıllardır kavitasyon problemini çözmek üzere birçok farklı çalışma gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmanın amacı off-road aracının soğutma sistemindeki su pompasında gözlemlenen kavitasyon problemini çözmektir ve bundan dolayı literatür araştırması bu doğrultuda gerçekleştirilmiştir. Balasubramanian ve arkadaşları çarktaki hücum kenarı profili haricinde kalan tüm parametreleri sabit tutup,hücum kenarı profili üzerinde yapılan değişikliklerin kavitasyona etkisini incelemişlerdir. Bu çalışmada blunt, circular, elliptic ve parabola olmak üzere dört farklı hücum kenarı profili çalışılmıştır. Bu profillerin kavitasyon başlangıcı, kavitasyon uzunluğu ve NPSH performansı üzerindeki etkileri kıyaslanmıştır. Farklı hücum kenarı profillerinin kıyaslamaları yapılırken deneysel ve numerik yöntemler kullanılmıştır. Basma yüksekliği performansını ve kavitasyon sonucu gelişen baloncukları farklı debilerde gözlemlemek için kavitasyon görselleştirme test rigi kullanmışlardır, ayrıca homojen iki fazlı karışım modeli kullanarak 3B HAD analizleri gerçekleştirmişlerdir. Dört farklı hücum kenarı profili çalışıldıktan sonra en iyi performansın parabola profili ile sağlandığı, en kötü performansın da blunt profilinde olduğu saptanmıştır. Parabola profilinin NPSH3 performansı göz önüne alındığında, geniş debi aralıklarındaki sonuçları diğer profillere göre oldukça üstün gelmiştir. Ayrıca parabola profilinde buhar baloncuklarının oluşumu ve kavitasyon uzunluğu diğer profillere nazaran daha küçük çıkmıştır. Bu sonuçlarla birlikte çarktaki kavitasyondan kaynaklı ömür kısalması olasılığının parabola proflinde daha az olduğu saptanmıştır. Spyridon D. Kyparissis ve Dionissios P.Margaris kavitasyon problemi olan bir santrifüj pompada hücum kenarı açısı üzerine uyguladıkları dizayn metodunun kavitasyona etkilerini deneysel olarak incelemişlerdir. Deneysel çalışmalar 1200 dev/dk ve 35 m3/s çalışma noktasında gerçekleştirilmiştir. Test esnasında kavitasyonun optik olarak gözlemlenmesi stroboskopik ışık yardımıyla sağlanmıştır. Basma yüksekliği eğrileri baz alınarak hücum kenarı açısının kavitasyona ve pompa performansına etkileri incelenmiştir. Deneysel çalışmalar sonucunda kanatların hücum kenarı açıları arttıkça basma yüksekliği ve verimin çalışma noktasında arttığı gözlemlenmiştir. Hücum kenarı açısı 9 olan çarkta kavitasyonun hücum kenarının basma tarafında oluştuğu, 21 derece olduğundaysa hücum kenarının emme tarafında oluştuğu gözlemlenmiştir. Yapılan çalışmalar sonunda, test edilen pompada hücum açısı 15 olduğunda kavitasyon gözlemlenmeyip, kavitasyondan kaynaklı herhangi bir erozyon hasarı olmayacağı saptanmıştır. Xianwu Luo ve arkadaşları yaptıkları çalışmada çarkın giriş geometrisinin hidrolik performansa ve kavitasyon performansına etkisini deneysel ve numerik olarak incelemişlerdir. Çalışılan pompa bir santrifüj pompa olan kazan besleme pompasıdır. Pompanın hidrolik performansı ve kavitasyon performansı deneysel olarak test edilmiş, ardından kanat hücum kenarı üzerinde ve çarkın kanat giriş açılarında yapılan değişiklikler ile geliştirme çalışmaları yapılmıştır. RNG k-e turbulence modeli ve VOF kavitasyon modeli kullanılarak yapılan numerik çalışmada deneysel sonuçlar ile kayda değer bir yakınsamaya ulaşmışlardır. Kanatların hücum kenarları uzatılmış, daha geniş çark giriş açılarında çalışılmıştır. Baz geometri ile çalışma noktasında kıyaslanan optimize geometriler sonucunda ulaşılan sonuçlar şu şekildedir: (i) en olumlu sonuçlar kanat hücum kenarlarını hem uzatıp hem de daha geniş çark giriş açıları kullanılarak elde edilmiştir; (ii) hücum kenarını uzatmak hidrolik performans üzerinde olumlu bir etkiye sahiptir ayrıca çark girişindeki kanat giriş açısı arttırıldıkça kavitasyon performansı artmıştır; (iii) çark girişi öncesinde akış ne kadar düzgün olursa kavitasyon performansı o kadar yüksektir. XiaoMei Guo ve arkadaşları yüksek hızda çalışan bir santrifüj pompada ayırıcı kanatlı indükleyici kullanımının kavitasyon karakteri üzerindeki etkilerini numerik ve deneysel olarak incelemişlerdir. Yapılan numerik analizlerde basınç, hız ve hacimsel buhar yüzdeliği dağılımı incelenmiş, buharlaşma ve yoğuşma döngüsü izlenmiştir. Analiz sonuçları ile deney sonuçları H-Q ve n-Q eğrileri bazında karşılaştırılmış ve tutarlı sonuçlar alınmıştır. Ayrıca analizde hesaplanan buhar yüzdelik dağılımının sonuçları ile deneydeki görselleştirme sistemi ile elde edilen sonuçlarda tutarlılık sağlanmıştır. Kavitasyonun numerik incelenmesinde karışım modeli kullanılarak 3D CFD çalışması gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışma kapalı sistem test riginde yapılmış, kavitasyonun görselleştirilmesi ise yüksek hızlı video sistemi kullanılarak sağlanmıştır. Analiz sonuçlarına bakıldığında, ayırıcı kanatlı indükleyici kullanılmayan senaryoda çok yüksek derecede baloncuk oluşumu gözlemlenmiştir. Neredeyse her pasajda yüksek kavitasyon oluşumuna rastlanmış, kavitasyon alanı yaklaşık 2827 mm2 olarak belirlenmiştir. Ayırıcı kanatlı indükleyici kullanılan modeldeyse kavitasyon oluşumu oldukça düşmüş, yaklaşık 314 mm2 mertebelerinde olduğu hesaplanmıştır. Çalışma sonucunda kavitasyondan kaçınmak için ayırıcı kanatlı indükleyici kullanımı önerilmiştir. Aydın Hacı Dönmez ve arkadaşları merkez ve kavisli kenar kanat açılarının kavitasyon performansı üzerindeki etkisini incelemişlerdir. Sekiz farklı tasarım yapılmış, bu tasarımlar kıyaslanırken iki fazlı 3B HAD kullanılmıştır. Analizlerde türbülans modeli olarak SST modeli tercih edilmiş, Rayleigh-Plesset kavitasyon modeli kullanılmıştır. Değiştirilen merkez ve kavisli kenar giriş açılarının pompanın basma yüksekliği ve kavitasyon performansı üzerindeki etkileri modellenmiştir. 8 farklı tasarım için numerik kavitasyon testleri yapıldıktan sonra NPSHR değerleri hesaplanmıştır. Sonuçlara bakıldığında merkez ve kavisli kenar giriş açılarının pompanın basma yüksekliği performansı üzerinde önemli bir etkiye sahip olmadığı saptanmış ancak kavitasyon performansı üzerinde oldukça önemli bir etkisi olduğu tespit edilmiştir. Merkez kanat açısı değerini arttırmanın kavitasyon performansı üzerinde küçük bir negatif etki yarattığı ancak kavisli kenar kanat açısının 20 dereceden 30 dereceye kadar arttırılmasının kavitasyon performansına pozitif etki yarattığı gözlemlenmiştir. 30 dereceden 50 dereceye kadar arttırmanın ise kavitasyon performansı üzerinde negatif bir etki yarattığı saptanmıştır. Bu tez çalışması kapsamında offroad aracının soğutma sisteminde kullanılan su pompasında özel çalışma noktasında gözlemlenen kavitasyon problemi incelenmiştir. Öncelikle giriş hızını azaltmak adına çark gözü çapını arttırmak düşünülse de geometrik kısıtlamalardan dolayı bu yöntem kullanılamamıştır. Yapılan literatür araştırması doğrultusunda kavitasyonu önlemek adına, çarkın kanatlarının hücum kenarı profilleri değiştirilmiş ve ayırıcı kanat eklenmiştir. Ayırıcı kanat eklenmesinin sebebi akış ayrılmalarını ve performans kayıplarını engellemektir. Optimizasyon çalışması yapılırken 3 farklı konfigrasyonda çark geometrisi denenmiştir. Çark geometrilerinin detaylı kıyasları ileriki bölümlerde gösterilecektir. Geometrilerin kavitasyona etkisi 3D CFD kullanılarak gözlemlenmiştir. Geometrilerin kıyasları yapılırken ANSYS CFX yazılımı kullanılmış olup, zamandan bağımsız analizler koşulmuştur. Analizler sonucunda çarkların üzerinde akışkanın mutlak statik basıncının buharlaşma basıncından düşük olduğu bölgeler incelenmiş ve bu şekilde final tasarıma karar verilmiştir. Final tasarıma karar verildikten sonra ANSYS CFX yazılımında kavitasyon modeli kullanılarak hem final hem de baz geometri için zamana bağlı analizler gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçlarında final geometrinin kavitasyon performansının daha iyi olduğuna karar verilmiştir. Final geometrinin üretimi ardından yapılan testlerde de baz modele göre kavitasyon açısından %30'luk bir iyileşme gözlemlenmiştir. Final geometrinin özel çalışma noktasında ve 7 farklı debide yapılan performans test sonucu 3D CFD kullanılarak valide edilmiştir. Validasyonda test rigi de modellenmiş olup, SiemensStarCCM+ yazılımı kullanılmıştır. Validasyon sürecinde yapılan analizler zamana bağlı koşulmuştur.

Özet (Çeviri)

As part of this study, the cavitation issue observed at the specific operating point of the water pump used in the cooling system of an off-road vehicle was investigated, and an optimization process was conducted to address the problem. The optimization process consisted of three stages. In the first stage, based on the insights gained from a literature review, different designs for the impeller's blade leading-edge profile were tested. The impact of three different blade leading edge configurations (v0, v1, and v2) on the impeller's cavitation performance was investigated using 3D CFD analysis. The initial analyses were performed in steady-state conditions using ANSYS CFX. Regions on the impeller with pressures below the vapor pressure of the fluid were compared, and the optimal design (v2) was selected. Following the selection of the optimal design, cavitation analyses were conducted on the pump model with the baseline impeller and the pump model with the optimized impeller using ANSYS CFX. These analyses employed the Rayleigh-Plesset cavitation model and were solved under time-dependent conditions. The results demonstrated that the optimized design exhibited superior cavitation performance compared to the baseline design. The optimized impeller was then manufactured and subjected to experimental cavitation tests. These tests revealed that the optimized impeller allowed the pump to operate at 30% lower inlet pressure before cavitation occurred compared to the baseline pump, confirming the significant effectiveness of the optimization process. Subsequently, the final impeller design underwent experimental performance testing, and a validation study was carried out by comparing the experimental results with 3D CFD results. The validation analyses were performed using Siemens StarCCM+ in time-dependent conditions. The comparison between 3D CFD results and experimental data showed a maximum deviation of 3%, confirming the validity of the numerical approach. Performance test results were compared both numerically and experimentally using H-Q curves, which are presented for clarity.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    455412

    Lazer uyarmalı floresan tekniği ile silindir ve segman arası yağ film kalınlığının ölçülmesi

    Piston ring and cylinder bore lubricant film thickness measurement using laser induced florescence technique

    YUNUS EMRE AYRANCI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖZGEN AKALIN

  2. Tez No

    154205

    Pervane/nozul sisteminin analizi

    Propeller/duct system analysis

    CÜNEYT MANAV

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2004

    Gemi MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. MESUT GÜNER

  3. Tez No

    445127

    Yüksek hızlı kavitasyon tüneli için impeller dizaynı

    Design of an impeller for an high speed cavitation tunnel

    ÇAĞATAY SABRİ KÖKSAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMİN KORKUT

  4. Tez No

    921083

    Dalgıç tipi santrifüj yakıt pompası hidrodinamik ve termal tasarımı

    Hydrodynamic and thermal design of a submersible centrifugal fuel pump

    MEHMET ESAD AKSAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ERKAN AYDER

  5. Tez No

    619649

    Radyal pompaların kavitasyon performansının hesaplanması ve iyileştirilmesi

    Computation and improvement of the cavitation performance of radial flow pumps

    MEHMET KAYA

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ERKAN AYDER

Geri Dön