Investigation of fuel sloshing in an aircraft wing fuel tank using ANN and CFD
Bir uçak kanat yakıt deposunda yakıt çalkantısının YSA ve HAD kullanılarak incelenmesi
- Tez No: 921213
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SERTAÇ ÇADIRCI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 131
Özet
Havacılık sektöründe yer alan sivil veya askeri hava araçlarında, kullanım amacına göre belirli olan gereksinimlerin sağlanabileceği tasarımların oluşturulması, uçuş testlerinin tamamlanarak belgelendirilmesi ve hedef alınan hava sahalarında uçuşa elverişlilik sertifikalarının alması esastır. Bu doğrultuda birbiri ile eş zamanlı çalışan alt sistemler ve ekipmanları içeren bir sistemler bütünü olan hava araçları çeşitli performans testlerine tabi tutulmaktadır. Bu sayede tüm sistemlerin sorunsuz veya istenilen azami performans seviyesinde çalıştığı hem sayısal veriler ile hem de uluslararası resmi dokümanlar ile kanıtlanmış olmaktadır. Uçuş için temel gereksinimlerin büyük bir kısmını oluşturan yakıt sistemleri, yakıtın ilgili tanklara doldurulması aşamasından hava araçlarında itki kaynağı olarak kullanılan motorun beslenme aşamasına kadar olan tüm aşamaları bünyesinde bulundurmaktadır. Bahsi geçen yakıt sistemi, hidrolik, aviyonik, yapısal ve iniş takımı sistemleri gibi diğer sistemler ile temasta olan birçok alt başlığı ihtiva etmekte olup, diğer sistemlerin kısıtlamalarına uygun olacak şekilde kendi gereksinimlerini sağlamak durumundadır. İlgili gereksinimler, yapısal performansın, ısıl dağılımdaki sınırların, elektronik ekipmanlar ile olan etkileşimin ve ekipman ağırlığı gibi etkenlerin aynı anda gözetilmesini belirtmektedir. Yakıt sistemi dahilinde havacılık sektöründe en sık karşılaşılan alt sistemler, hidrolik soğutma, motor besleme, indikasyon ve depolama gibi alt başlıklarda toplanmaktadır. Bahsi geçen alt sistemlerin depolama kısmı diğerlerinden daha çok uçuş mekaniği üzerine etkisi büyük olan bir konu olmakla beraber, ağırlık üzerinde de büyük etkiye sahip olmaktadır. Depolanan yakıtın uçuş menzili için belirtilen gereksinimler dolayısıyla azami bir kütleye sahip olması gerekmekte olup, bu sebeple büyük bir akışkan kütlesi hava aracı ile birlikte aynı uçuş mekaniğine dahil olması gerekmektedir. Bu kütlenin akışkan olması dolayısıyla manevralara vereceği tepkiler bir çalkantı mekaniği şeklinde olmaktadır. Bu sebep ile hava aracının ağırlık merkezi çalkantı devam ettikçe yer değiştirme eğiliminde olmaktadır. Yakıtın hareketi ve ağırlık merkezine olan etkileri depolama alanında bulunan tasarım kriterleri ile kontrol altına alınabilmektedir. Ağırlık merkezinin yakıt çalkantısı ile değişimine sebebiyet veren tanklar kanat, gövde ve bazı koşullarda harici tanklar olarak hava aracı bünyesinde yerleşik olarak bulunmaktadır. Tez çalışması kapsamında, genel maksat temel eğitim uçakları göz önünde bulundurulduğundan dolayı, gövde veya harici tank bulunmamakta ve sadece kanatlarda depolanan yakıt göz önünde bulundurularak çalışmalar ilerletilmektedir. Kanat tanklarının hava aracı yapısı gereği simetrik olması dolayısıyla yerleşimi iki kanat için aynalanmış şekilde yapılmakta olup, ideal koşullarda motor beslemesi de mümkün olduğunca simetrik yapılmaktadır. Uçuş zarfı süresince ideal koşullar teorik anlamda neredeyse hiç karşılaşılmayan bir durum olmakla beraber, dış etkenler ve uçuş manevraları dolayısıyla bu simetri devamlı bozulma eğilimindedir. Bozulan bu simetriden dolayı yakıtın kanat boyunca hareketi yerçekimine bağlı olarak ağırlık merkezinin ideal koşullardan sapmasına sebebiyet vermekle beraber, bu durumun önüne geçmek için kanadın içerisinde kullanılan yapısal parçalara çeşitli tasarım detayları eklenmektedir. Eklenen bu detayların iki amaca hizmet etmesi beklenmektedir. Bunlardan biri, manevra sırasında yakıtın ilk konumunu mümkün olduğunca yavaş terk etmesi, diğer bir amaç ise, ilk konumundan sapan yakıtın manevra bittikten sonra ilk konumuna mümkün olduğunca hızlı dönmesidir. Tasarım detaylarının nitel ve nicel değerleri, üretim kolaylığı, ağırlık gereksinimleri ve yapısal dayanımın sınırları dahilinde değişkenlik göstermektedir. Tez kapsamında ele alınan bu tasarım detayları, teorik bir çalışmadan ziyade, endüstride kullanılan ve kullanılabilecek olan tasarımları ihtiva etmekte olup, birçok temel eğitim uçağında uygulanabilecek örnekleri oluşturmaktadır. Bu bağlamda çalışılmış olan tasarım detayları, kanat tankı içerisindeki iskeleti oluşturan ve tankı bölmelere ayıran flanş formundaki yapısal parçalarda ele alınmaktadır. Bu parçalar üzerinde yakıtın ve havanın tank içerisindeki bölmeler arasında hareketini sağlayan delikleri ihtiva etmekte olup, bu deliklerin kullanımı, sayısı, çapı ve yerleşimi çalışma dahilindeki tasarım parametrelerini oluşturmaktadır. Bu parametrelerin nitel çeşitliliği her parametre için farklı değerler ele alınarak oluşturulmaktadır. Delik kullanılmayan flanş yapıları için bariyer adı kullanılmakta olup, tasarımda bariyer kullanılmayan durum ile birlikte, birinci, üçüncü ve altıncı flanşlarda kullanımın yanı sıra, ikinci, dördüncü ve yedinci flanş üzerinde kullanım da ele alınmaktadır. Diğer yandan bu flanşlar üzerindeki deliklerin çapı 30 milimetre ila 156 mm arasında değişen değerlerde tasarımlara eklenmektedir. Delik yerleşiminde ise ortalanmış delik ile 20 mm aşağı ve yukarı ötelenmiş yerleşimler de ele alınmaktadır. Her flanş üzerinde tek, ikiz ve üçüz delik kullanımı da bir diğer parametre olarak çalışmaya eklenmektedir. İlave olarak çalkantı etkileri bir operasyonel parametre olan farklı yakıt doluluk oranlarını da göz önüne alarak incelenmekte olup bu oranlar çalkantı etkisinin net şekilde gözlemlenebildiği oranlar olan %30, %45 ve %60 olarak ele alınmaktadır. Girdi ivmesi olarak bank-to-bank adı verilen ve 10 saniye boyunca uçağın 45° yana yatış yaparak seyrettiği bir uçuş manevrası çalışmada kullanılmaktadır. Bir diğer anlamda, kanat tankını bölmelere ayıran yapısal parçalar, yapısal dayanımı sağladığı gibi bu çalışmada dalgakıran görevi gören elemanlar olarak ele alınmaktadır ve bahsi geçen yakıt hareketi üzerindeki performansı incelenmektedir. Tez kapsamında yapılacak hesaplamalar, akışkan hareketlerinin sayısal olarak modellenmesini temel alan bir çalışma olduğundan dolayı, bu analizler sayısal çözücü programlar yardımıyla yapılmaktadır. Tasarım ve operasyonel parametrelerin kombinasyonlarından oluşan bir analiz seti oluşturulmakta olup, yüksek adetli hesaplama ihtiyacı dolayısıyla, ilk olarak belirli kabuller altında bir boyutlu hesaplamalar yapılmaktadır. Elde edilen sonuçlar da yüksek adetli olmakta ve beş girdi parametresinin hepsi birbirine bağımlı olarak iki adet çıktı parametresini etkilemektedir. Son derece karmaşık olan bu veri ağının çözümlenmesi, analitik veya sayısal yöntemler ile bir insan tarafından pratikte mümkün değildir. Dolayısıyla bu veri ağının çözümlenmesi için yapay zeka yardımı ile büyük data analitiği süreci takip edilmektedir. Girdi ve çıktılar arasındaki ilişkiyi keşfetmek adına bir YSA kurgulanmakta ve girdilerin çıktılar üzerine etkileri açısından nicel veriler elde edilmektedir. Elde edilen verilere göre girdi parametrelerinin baskınlıkları yüzdesel olarak elde edilmekte olup, etkisi büyük olduğu tespit edilen girdi parametrelerinin detaylı incelemeleri için belirli tasarım kombinasyonları seçilerek üç boyutlu HAD analizleri planlanmaktadır. İlgili parametrelerin diğer parametreler sabit kalacak şekilde değiştiği tasarımlar ile HAD analizleri yapılmış olup kıyaslamalar bu şekilde yapılmaktadır. Bu çalışmaların ardından sonuç kısmında, hem bir boyutlu analiz ile HAD arasındaki hesaplama hassasiyeti hem YSA hesaplamalarının doğruluğu hem de yakıt çalkantısı üzerinde parametrelerin etkenlik sıralaması elde edilmektedir. Sonuç olarak yakıt çalkantısının sadece teorik bir çalışma kapsamında değil, bir uçak kanat geometrisi içerisinde belirli bir manevra altında gösterdiği etkiler, bu etkileri baskılamak için kullanılan tasarım ve operasyonel parametrelerin etkenliği, endüstride ve havacılıkta karşılaşılan gerçekliğe yakın örnekler ile elde edilmektedir. Diğer yandan büyük data analitiği sürecinin YSA yardımıyla mekanik sistemler ile temasta olan bir akış analiz seti üzerine uygulanabilirliği kanıtlanmakta olup, sonuçların endüstriye uygulanabilir düzeyde hata ile elde edilmekte olduğu gösterilmektedir.
Özet (Çeviri)
In civil and military aviation, it is crucial to develop designs that adhere to specific requirements based on their intended use. This process involves thoroughly completing and documenting flight tests, as well as securing airworthiness certificates for the relevant aerial domain. Thus, aircraft and their associated systems, comprising subsystems and equipment that operate in conjunction, undergo a variety of performance evaluations. This approach ensures that all systems function seamlessly and achieve optimal performance levels, as evidenced by numerical data and recognized international documentation. Fuel systems, essential for flight operations, encompass all stages, from refueling the tanks to supplying fuel to the engine that generates thrust for the aircraft. These systems comprise several components that interact with other systems, including hydraulic, avionics, structural, and landing gear systems, and must align with the specific requirements imposed by each of these interrelated systems. The applicable requirements dictate that considerations such as structural integrity, thermal dissipation limits, compatibility with electronic equipment, and overall equipment weight must be addressed concurrently. The primary subsystems within the aviation fuel system are categorized under several critical headings, including hydraulic cooling, engine feeding, indication, and storage. Among these subsystems, the storage component significantly influences flight mechanics and has a considerable impact on overall weight. Given the specified requirements for the flight range, the stored fuel must adhere to a maximum mass limit, which means that a substantial fluid mass must be integrated into the aircraft's flight mechanics. Since this mass is fluid, its response to maneuvers manifests as sloshing mechanics. Consequently, the aircraft's center of gravity tends to shift as sloshing persists. The movement of the fuel and its effects on the center of gravity can be managed through design considerations in the storage area. Tanks that result in variations of the center of gravity due to fuel sloshing are typically incorporated into the aircraft's wings, fuselage, and, in some cases, external fuel tanks. However, as general-purpose primary training aircraft are the focus of this thesis study, no fuselage or external tanks are considered; the research is thus limited to the fuel stored within the wings. The wing tanks of the aircraft are designed symmetrically, with their placement mirrored across both wings. Under ideal conditions, the engine supply is also maintained to be as symmetrical as possible. However, since ideal flight conditions are nearly never achieved in practice, this symmetry is frequently disrupted by external factors and flight maneuvers. As a result, the movement of fuel within the wing can cause the center of gravity to deviate from the intended position due to gravitational effects. Various design features are integrated into the structural components of the wing to mitigate this issue. These features serve two primary purposes: firstly, to minimize the rate at which fuel deviates from its original position during maneuvers, and secondly, to facilitate the rapid return of the fuel to its initial position once the maneuver is completed. The qualitative and quantitative aspects of these design features are subject to constraints related to manufacturing feasibility, weight requirements, and structural integrity. The design elements discussed in this thesis focus on practical applications in the industry rather than purely theoretical approaches, and they provide examples that can be implemented in many primary training aircraft. In this context, the design details studied are discussed in the structural parts of the rib, which form the structure inside the wing tank and divide the tank into subsections. These ribs, called baffles, contain cutout holes that allow the movement of fuel and air between the subsections in the tank, and the usage, number, diameter, and placement of these cutouts constitute the design parameters within the study. The qualitative diversity of these parameters is created by considering different values for each parameter. The name barrier is used for baffle structures that do not use cutouts, and in the situation where no barrier is used in the design, it is used on the first, third, and sixth ribs, as well as use on the second, fourth, and seventh ribs, are also considered. On the other hand, the diameters of the cutouts on these flanges are added to the designs with values ranging from 30 mm to 156 mm. In cutout placement, the centered cutout and 20 mm upward and downward placements are also considered. The use of single, twin, and triple cutouts on each baffle is also added to the study as another parameter. In addition, sloshing effects are examined by taking into account different fuel volume fractions, which are operational parameters, and these volume fractions are considered 30%, 45%, and 60%, which are the rates where the sloshing effect can be clearly observed. The study examines a flight maneuver known as bank-to-bank, in which the aircraft is tilted at a 45° angle for a duration of 10 seconds, serving as a measure of input acceleration. Additionally, the structural components that divide the wing tank into compartments and enhance structural integrity are regarded in this study as elements functioning as breakwaters. Their effectiveness in influencing the movement of fuel is analyzed. The thesis focuses on numerical modeling of fluid movements, utilizing numerical solver programs to conduct analyses. An analysis set is developed, comprising various combinations of design and operational parameters. Given the necessity for extensive calculations, one-dimensional analyses are initially performed under specific assumptions. The results are substantial, with all five input parameters interrelatedly influencing two output parameters. The complexity of this data network renders traditional analytical or numerical methods impractical for human examination. Consequently, big data analytics, aided by artificial intelligence, is employed to examine this complex data landscape. A DNN is constructed to further investigate the relationship between inputs and outputs, yielding quantitative insights into how inputs affect outputs. The data gathered indicates the dominance of input parameters expressed as a percentage. To investigate these parameters more thoroughly, three-dimensional CFD analyses are planned by selecting specific design combinations that exhibit a significant impact. CFD analyses have been performed by varying the relevant parameters while keeping others constant, allowing for comparative assessments. Following these studies, we have concluded by determining the sensitivity of one-dimensional analysis in relation to CFD, the accuracy of ANN calculations, and the effectiveness ranking of the parameters affecting fuel sloshing. The effects of fuel sloshing are examined not only from a theoretical standpoint but also in the context of specific maneuvers involving aircraft wing geometry. Additionally, the effectiveness of various design and operational parameters employed to mitigate these effects is demonstrated through real-world examples encountered in the aviation industry. Furthermore, the applicability of big data analytics processes in analyzing flow interactions with mechanical systems is validated using DNN, with results achieved at a level suitable for industry application.
Benzer Tezler
- A study on optimization of a wing with fuel sloshing effects
Yakıt çalkantısı etkisine maruz kalan bir kanadın eniyilenmesi üzerine bir çalışma
TOLGA VERGÜN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VEDAT ZİYA DOĞAN
- Silindirik tanklarda varyasyonel sınır eleman-sonlu eleman yöntemi ile sıvı yapı etkileşimi
Başlık çevirisi yok
ABDULLAH GEDİKLİ
- Sismik yükler etkisindeki silindirik tanklarda mod süperpozisyonu yönetimi ile sıvı yapı etkileşimi problemlerinin çözümü
Başlık çevirisi yok
MUSTAFA SAATÇI
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiYapı Mühendisliği Bilim Dalı
PROF. DR. M. ERTAÇ ERGÜVEN
- Varvasyonel hibrit eleman metodu ile baraj-rezervuar etkileşim probleminin çözümü
Solving dam-reservoir interaction problem by using variational hybrit element method
BÜLENT YILDIRIM
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. M. ERTAÇ ERGÜVEN
- Değişken kesitli baraj-rezervuar etkileşim problemlerinin varyasyonel hibrid eleman metodu ile çözümü
Başlık çevirisi yok
HAKAN UÇAR
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERTAÇ ERGÜVEN