Otoklav işleminde akış ve ısı transferinin sayısal simülasyonu ve deneysel doğrulaması
Numerical simulation and experimental validation of flow and heat transfer in autoclaving process
- Tez No: 924740
- Danışmanlar: PROF. DR. AHMET ZİYAETTİN ŞAHİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- 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: 85
Özet
Otoklav işlemi, havacılıkta kompozit yapısal bileşenlerin üretiminde kullanılan temel bir teknolojidir. Bu sürecin verimliliğini artırmak için, parça ve kalıbın termal davranışı simülasyonlar yoluyla analiz edilir. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD), kompozit parçalar içinde homojen bir sıcaklık dağılımı elde etmek için kritik olan ısı transferi ve akış karakterinin incelenmesinde önemli bir rol oynar. Bu analiz, üç boyutlu ve zamana bağlı Navier–Stokes denklemlerinin çözülmesiyle gerçekleştirilir. Otoklav içerisindeki ısı transfer karakterini anlamak ve yapılacak CFD simülasyonlarını doğrulamak için deneysel bir çalışma yapılmıştır. Bu çalışmada 5 metre çapında 24 metre boyunda Sistem Teknik tarafından üretilen sanayi tipi bir otoklav kullanılmıştır. Otoklav içerisindeki ısı transfer katsayılarını (HTC) belirlemek için toplu kütle analizi yaklaşımı yapılmıştır. Biot sayısı 0.1'den küçük kalorimetreler tasarlanıp otoklavın merkezi boyunca yerleştirilerek HTC'ler belirlenmiştir. Bu makalede, CFD simülasyonlarda otoklav içerisinde oluşan akışı sağlayacak sınır koşulları üzerinde çalışılmıştır. Üç farklı geometri üzerinde 5 farklı sınır koşulu metodu kullanarak karşılaştırma çalışması yapılmıştır. STAR CCM+ yazılımı ağ yapısı ve çözücü olarak kullanılmıştır. Simülasyonlar yüksek performanslı hesaplama (HPC) sistemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Fan kısmının da modellendiği tam boyutlu bir otoklav simülasyonuna en uygun türbülans modelini seçmek için Spalart Allmaras, k-ε ve k-ω SST türbülans modelleri deneysel sonuçlar ile karşılaştırıldı. Yapılan kıyaslama sonucunda k-ω SST modeli deneysel veriler ile en yüksek uyumluluğa sahiptir ve tüm simülasyonlarda türbülans modeli olarak kullanılmıştır. Kullanılan ağ yapısının sonuca etkisini ortadan kaldırmak ve hesaplama maliyetini azaltmak için ağ yapısı bağımsızlığı çalışması yapılmıştır. Hazırlanan 5 metodun akış karakteri ve ısı transfer katsayıları incelenmiştir. Deneysel veriler ile karşılaştırarak kıyaslama çalışması yapılmıştır. Otoklavın içerisindeki akışı modellemek için üniform hız ile verilen sınır koşullarının yetersiz olduğu belirlenmiştir. Otoklavın içerisindeki ısı transfer katsayılarını tutarlı bir şekilde tespit etmek için otoklav içerisinde girdaplı akış oluşturan fan kısmının akış karakterinin modellenmesi gerektiği saptanmıştır. Bu yüzden hibrit bir yöntem oluşturulmuştur. Donmuş rotor modeli (FRM) ile zamandan bağımsız olarak analiz gerçekleştirdikten sonra otoklavın dış kanal kesitindeki ağ hücrelerinin hız komponentleri ve türbülans parametreleri profil olarak alınmıştır. Sonra fan kısmı çıkartılıp açık bir sistem kurularak dış kanaldaki kesitten hız girişi sınır koşulu ve fanın önündeki kesitten basınç çıkışı sınır koşulu kullanarak analiz gerçekleşmiştir. Bu sayede akış hacmindeki fan bölümü modellenmeden otoklav içerisindeki akış karakteri modellenmiş ve hesaplama maliyeti yüzde 35 oranında azaltılmıştır.
Özet (Çeviri)
The autoclave process is a fundamental technology used to produce composite structural components for the aerospace industry. Thermal optimization within the autoclave is necessary to ensure homogeneous curing and improve curing performance. Thanks to the ever-increasing power of computer hardware, predicting heat transfer through numerical simulation is of great importance in terms of better modeling efficiency and optimizing the simulation process. Considering the computational cost and accuracy of the simulation results, a multi-scale mesh independence study was conducted to develop a logical discretization strategy that could serve as a guide for future studies using the CFD (Computational Fluid Dynamics) approach for autoclave processes. This analysis is performed by solving the three-dimensional and time-dependent Navier–Stokes equations. An experimental study was conducted to understand the autoclave's heat transfer characteristics and validate the CFD simulations. The experimental setup utilized an industrial-scale autoclave manufactured by Sistem Teknik, measuring 5 meters in diameter and 24 meters in length. A lumped system analysis approach was used to determine the heat transfer coefficients (HTCs) within the autoclave. Calorimeters with a Biot number less than 0.1 were designed and placed along the center of the autoclave to determine the HTCs. In this paper, boundary conditions that provide the flow within the autoclave in CFD simulations are studied. The simulations were performed using STAR-CCM+ software with a high-performance computing (HPC) system. This study focused on the boundary conditions that provide the flow within the autoclave in CFD simulations. A comparison study was conducted using 5 different boundary condition methods on three different geometries. To select the most suitable turbulence model for a full-scale autoclave simulation, where the fan section is also modeled, Spalart-Allmaras, k-ε, and k-ω SST turbulence models were compared with experimental results. As a result of the comparison, the k-ω SST model was found to have the highest agreement with the experimental data and was used as the turbulence model in all simulations. A mesh independence study was conducted to eliminate the effect of the mesh structure on the result and to reduce the computational cost. The flow characteristics and heat transfer coefficients of the 5 prepared methods were examined. A comparison study was conducted by comparing with experimental data. In the literature, analyses have mostly been conducted using two types of boundary conditions. Performing full-scale simulations of large autoclaves, including the fan, heater, and cooler sections without simplification, results in extremely high computational costs. No study in the literature has modeled the fan responsible for air circulation within the autoclave. In this study, the fan section of the autoclave was included in the modeling using the STAR-CCM+ software. The analyses were carried out on the HPC system using 600 cores. This approach enabled modeling of the entire autoclave system, excluding the heater and cooler sections, for detailed analyses. Using this model, two additional setups, as described in detail in Section 3, were developed. A total of five setup configurations were created, and their performance was evaluated by comparing them with experimental data and with each other. In this study, the boundary conditions modeling the fluid circulating within the autoclave were investigated. First, the setup with the highest level of detail and the least amount of simplification is described. Then, five different boundary condition methods were prepared, progressing towards the simplest system. This approach better demonstrates the levels of simplification and the modeled physical structures. The results of these setups were compared with experimental data to determine their accuracy. Along with two methods modeled using a uniform velocity inlet commonly found in the literature, FRM (Frozen Rotor Model) and SMM (Sliding Mesh Motion) analyses, which are used in rotor systems, were prepared for autoclave simulation. Additionally, a hybrid setup was implemented, resulting in a total of five methods for CFD simulations. The only difference between these setups is the boundary condition that models the flow within the autoclave. In the first method, the entire autoclave was modeled, and the fan section was prepared with a boundary condition called SMM. In the second method, the fan section was also included in the system, but the boundary condition used was the FRM. In the third method, the fan section of the autoclave was not solved throughout the simulation. A velocity profile was obtained from the analysis in the second method from a section near the door in the outer channel, where no flow fluctuations were observed. In the third method, the flow volume was divided at this section, and a large portion of the fan and outer channel was removed from the system. Using the velocity inlet method with the profile obtained from the second method, the velocity and turbulence parameters of each cell in the section were included in the analysis. In the fourth method, the same geometry as the third method was used, but a uniform velocity was applied at the section where the geometry was truncated, using a velocity inlet boundary condition, and the fan effect was removed from the system. In the fifth method, the same setup as the fourth method was used, but the autoclave door section was removed from the simulation, and a uniform flow was introduced through the inner cylinder using a velocity inlet condition. In the experimental analysis, two different types of calorimeters were used, and five carrier structures were placed at regular intervals on the same support structure to observe longitudinal variations. According to the results, the HTC values were not equal; the values obtained in the front section were higher compared to the others. HTC values decreased from the front to the rear due to higher flow velocities and turbulence levels in the front region. In this study, a numerical analysis method was proposed to determine the internal thermal field of a large autoclave used in the aerospace industry. Using this method, a researcher could extend the approach to model more complex loading scenarios or optimize the placement of parts inside the autoclave. It was determined that boundary conditions given with uniform velocity were insufficient to model the flow inside the autoclave. It was identified that accurately capturing the HTC coefficients within the autoclave required modeling the flow characteristics of the fan section, which generates swirl flow inside the autoclave. Therefore, a hybrid method was developed. After performing a steady-state analysis using the FRM, the velocity components and turbulence parameters were extracted as profiles from the mesh cells at the outer channel section of the autoclave. The fan section was then removed, and an open system was established by applying the velocity profile from the outer channel as the inlet boundary condition and a pressure outlet boundary condition at the section before the fan. In this way, the flow characteristics inside the autoclave were modeled without simulating the fan section in the flow volume, and the computational cost was reduced by 35 percent.
Benzer Tezler
- Development of brazing process in ceramic matrix composites for in-space applications
Uzay uygulamalarında kullanılan seramik matrisli kompozitlerin sert lehimleme proseslerinin geliştirilmesi
EBRAR ÖZBEK EKİZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER SERDAR ÖZGEN
- Yerinde uranyum ekstraksiyonu yöntemi üzerine deneysel ve teorik modelleme çalışmaları
Başlık çevirisi yok
HASANCAN OKUTAN
- Effect of soft segment length on foam structure of expanded thermoplastic polyurethane (ETPU) bead foams
Yumuşak segment uzunluğunun genleştirilmiş termoplastik poliüretan (ETPU) tanecik köpük yapısına etkisi
BİGE BATI
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MOHAMMADREZA NOFAR
- Boksit atığı içerisinde yer alan nadir toprak elementlerinin hidrometalurjik yöntemlerle geri kazanımı
Recovery of rare earth elements from bauxite residue with hydrometallurgical processes
BAYRAM ÜNAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Metalurji MühendisliğiNecmettin Erbakan ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ YASİN RAMAZAN EKER
- Synthesis and characterization of various tungsten carbide powders from tungsten hexachloride powders via mechanochemical reaction and autoclave/pressure vessel methods
Mekanokimyasal reaksiyon ve otoklav/basınçlı kap metodlarıyla tungsten hekzaklorür tozundan çeşitli tungsten karbür tozlarının sentezi ve karakterizasyonu
NİHAN ÖZKAN AYTEKİN
Doktora
İngilizce
2020
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA LUTFİ ÖVEÇOĞLU