Multi-objective optimization to increase the performance of a toroidal propeller
Toroidal bir pervanenin performansının artırılması için çok amaçlı optimizasyon
- Tez No: 934343
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SERTAÇ ÇADIRCI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Aerodinamik tasarım, Bilgisayar destekli tasarım, Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD), Tasarım optimizasyonu, Aerodynamic design, Computer aided design, Computational fluid dynamics (HAD), Design optimization
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez, toroidal pervanelerin performansını optimize etmek amacıyla Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) ve Akışkan-Yapı Etkileşimi (FSI) yöntemlerini kapsamlı bir şekilde kullanmaktadır. Çalışmanın temel amacı, itki verimliliğini artırmak, gürültü emisyonlarını en aza indirgemek ve yapısal güvenilirliği sağlamaktır. Özellikle kapalı döngü kanat tasarımı ile öne çıkan toroidal pervaneler, uç girdaplarını azaltarak ve aerodinamik gürültü performansını iyileştirerek, geleneksel pervanelerle karşılaştırıldığında üstün özellikler sunmaktadır. Bu bağlamda, toroidal pervanelerin tasarımı ve optimizasyonu, günümüz havacılık ve denizcilik endüstrisinin ihtiyaçlarına doğrudan yanıt verecek yenilikçi çözümler ortaya koymaktadır. Araştırma, pervane teknolojisinin tarihsel evrimine genel bir bakış sunarak başlamaktadır. Bu tarihsel inceleme, pervane sistemlerine olan ilginin çevresel sürdürülebilirlik ve ekonomik verimlilik kaygıları nedeniyle son yıllarda yeniden canlandığını vurgulamaktadır. Ayrıca çalışma, toroidal pervanelerin hem tandem tasarımlar hem de uç yüklemeli (CLT) pervane yapılarına özgü avantajları birleştirerek, aerodinamik verimsizlikler ve uç girdabı yoğunluğu gibi yaygın sorunların çözümünde önemli bir potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Optimizasyon süreci, çok amaçlı tasarım problemlerine yönelik gelişmiş yöntemlerden biri olan diferansiyel evrim algoritmaları ve Pareto ön yüzü analizini içermektedir. Bu süreçte, bir yandan itki verimliliği ve aerodinamik performans maksimize edilmeye çalışılırken, diğer yandan yapısal bütünlük ve dayanıklılık gibi kritik unsurların korunması hedeflenmiştir. Tasarım değişkenleri ve kısıtlar, bu hedefleri destekleyecek şekilde titizlikle tanımlanmıştır. Ayrıca, hesaplama yükünü azaltmak ve sonuçların doğruluğunu artırmak için metamodelleme tekniklerine başvurulmuştur. Çalışmanın önemli bir kısmını,“Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm-II”(NSGA-II) algoritmasının optimizasyon sürecinde kullanımı oluşturmaktadır. NSGA-II, itki verimliliği, itme kuvveti artışı ve yapısal güvenilirlik gibi birbiriyle çelişen hedefler arasında bir denge sağlayarak çok amaçlı optimizasyon problemlerini çözmede etkili bir yöntemdir. Bu algoritma, tasarım alanını etkin bir şekilde araştırarak kısıtları ve hedefleri karşılayan Pareto-optimal çözümler üretmiştir. Bu yaklaşım, tasarım süreçlerinde karşılaşılan değiş tokuşlar hakkında derinlemesine bir anlayış sağlayarak, mühendislik tasarımı ve optimizasyon alanına katkıda bulunmaktadır. Kanat geometrisinin parametrik olarak modellenmesi ve CFD ağ yapısının oluşturulması, araştırmanın en kritik aşamalarından biridir. Özellikle toroidal pervanelerin karmaşık ve benzersiz geometrileri, tasarım ve analiz süreçlerinde özel bir önem taşımaktadır. Çalışmada, güvenilir Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) analizleri gerçekleştirebilmek için doğru uzaysal ayrıştırmanın gerekliliği vurgulanmıştır. Aerodinamik analizler sırasında RANS tabanlı yöntemler kullanılmış ve türbülans modelleme süreçlerinde k-omega SST modeli tercih edilmiştir. Bu türbülans modeli, aerodinamik tahminlerin doğruluğunu artırmak ve akış davranışlarını daha iyi anlamak için özel olarak seçilmiştir. Akışkan ve yapısal davranışların karşılıklı etkileşimlerini anlamak ve değerlendirmek için akışkan-yapı etkileşimi (FSI) analizleri gerçekleştirilmiştir. Sonlu Elemanlar Yöntemi (FEM) kullanılarak gerçekleştirilen bu analizlerde, yapısal güvenilirliği sağlamak amacıyla malzeme özellikleri, sınır koşulları ve gerilme kriterleri dikkate alınmıştır. Bu süreçte, aerodinamik kuvvetlerin yapısal yanıt üzerindeki etkileri kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Sonuçlar, toroidal pervanelerin daha yüksek itki verimliliği, azaltılmış gürültü emisyonları ve artırılmış yapısal stabilite gibi performans metriklerinde önemli iyileştirmeler sağladığını ortaya koymaktadır. Bu tez, toroidal pervanelerin modern havacılık ve denizcilik sorunlarına yenilikçi çözümler sunabilecek potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Çalışmada elde edilen bulgular, verimli ve sürdürülebilir pervane sistemlerinin geliştirilmesi için önemli bir çerçeve sunmaktadır. Ayrıca, tasarım sürecinde kullanılan yöntemler ve optimizasyon teknikleri, gelecekteki mühendislik uygulamalarına ve araştırmalara ışık tutmaktadır. Araştırmada, toroidal pervane tasarımı için yeni üç farklı parametre tanımlanmış ve bu parametreler çok amaçlı optimizasyon kapsamında incelenmiştir. Üç farklı tasarım parametresinin, hedeflenen itki artışı, verimlilik iyileştirmesi ve yapısal gerilmelerin azaltılması üzerindeki etkileri detaylı bir şekilde analiz edilmiş ve bulgular açıklayıcı bir şekilde sunulmuştur. Tez, bu tasarım parametrelerinin, toroidal pervanelerin performans metriklerini geliştirmek için kritik öneme sahip olduğunu ortaya koymaktadır. Bu çalışma, yalnızca mevcut toroidal pervane tasarımlarının performansını optimize etmekle kalmayıp, aynı zamanda bu teknolojinin potansiyel uygulama alanlarını genişletmeyi de hedeflemektedir.Özellikle, yenilikçi tasarım stratejilerinin ve gelişmiş hesaplama yönetmlerinin entegrasyonu, bu pervanelerin insansız hava araçları, denizaltılar ve yenilenebilir enerji sistemleri gibi çeşitli alanlarda kullanımını mümkün kılabilir. Gelecekteki araşırmalar, farklı akış rejimlerinde ve çeşitli çalışma koşullarında toroidal pervanelerin davranışlarını daha kapsamlı bir şekilde inceleyerek, bu sistemlerin güvenilirliğini ve sürdürülebilirliğini daha da arttırabilir.Ek olarak, bu teknolojinin ölçeklenebilirliği ve üretim süreçlerindeki maliyet-etkinliği de ilerleyen çalışmalarda dikkate alınmalıdır.Bu bağlamda, bu tez, toroidal pervanelerin mühendislikteki çok yönlü potansiyeline önemli bir katkı sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis focuses on optimizing the performance of toroidal propellers using Computational Fluid Dynamics (CFD) and Fluid-Structure Interaction (FSI). The study aims to enhance propulsion efficiency, reduce noise emissions, and ensure structural reliability. Toroidal propellers, characterized by their closed-loop blade design, offer unique advantages over conventional propellers, including reduced tip vortex formation and improved noise performance. The research begins with an overview of the historical evolution of propeller technology, emphasizing the renewed interest in propeller-based systems due to environmental and economic considerations. It highlights the potential of toroidal propellers to integrate the benefits of tandem and contracted and loaded tip (CLT) designs, addressing common challenges such as tip vortex intensity and aerodynamic inefficiencies. The optimization methodology incorporates advanced multi-objective techniques, including differential evolution algorithms and Pareto-front analysis. Objectives include maximizing efficiency, and maintaining structural integrity. Constraints and design variables are carefully defined, and metamodeling techniques like are used to reduce computational demands. A key component of the research is the optimization process, which employs the Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II). This algorithm is used for multi-objective optimization, balancing trade-offs between propulsion efficiency, thrust enhancement, and structural reliability. The NSGA-II method efficiently explores the design space, identifying Pareto-optimal solutions that satisfy the constraints and objectives. This approach ensures a diverse set of solutions, providing valuable insights into the trade-offs involved in propeller design. Blade parameterization and mesh generation are discussed in detail, with specific attention to the unique geometry of toroidal propellers. The research highlights the importance of accurate spatial discretization for reliable CFD and FSI analyses. The aerodynamic solver utilizes RANS-based methods to evaluate flow characteristics, while turbulence modeling techniques, including the k-omega SST model, are applied to improve prediction accuracy. FSI analysis is employed to assess the interplay between aerodynamic forces and structural responses. The finite element solver considers material properties, boundary conditions, and stress criteria to ensure structural reliability under operational loads. The results demonstrate significant improvements in performance metrics, including higher propulsion efficiency, reduced noise emissions, and enhanced structural stability. The thesis concludes that toroidal propellers represent a promising advancement in propulsion technology, capable of addressing modern aviation challenges. The findings provide a framework for future research and practical applications, contributing to the development of efficient and sustainable propeller systems. In this study, three new parameters required in the design of the toroidal propeller were determined as design variables and multi-objective optimization was performed. The effects of 3 different parameters on the target thrust increase, efficiency increase and stress reduction were examined and the findings were shared.
Benzer Tezler
- Energy, exergy, economic and environmental-based design, analysis and multi objective optimization of novel solar tower-based gas turbine cycle multi-generation systems with new performance criteria
Özgün güneş kuleli gaz türbini çevrimli çoklu-üretim sistemlerinin yeni performans kriterleri ile enerji, ekserji, ekonomik ve çevresel tasarımı, performans analizi ve çok amaçlı optimizasyonu
MERT ÇOLAKOĞLU
Doktora
İngilizce
2022
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET DURMAYAZ
- Çok amaçlı açıklığı daralan yarık anten tasarımı ve performans artırımına yönelik anten parametrelerinin optimizasyonu
Multi-objective tapered slot antenna design and optimization of antenna parameters for performance improvement
EMRAH UĞURLU
Doktora
Türkçe
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SEYFETTİN SİNAN GÜLTEKİN
- Optimizasyon tabanlı bir su kaynakları sistemi modelleme aracının geliştirilmesi ve çok amaçlı sektörel tahsise uygulanması
Development of an optimization-based modeling tool for water resources systems and application to multi-objective sectoral allocation
SALİM YAYKIRAN
Doktora
Türkçe
2025
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPASLAN EKDAL
- Bina ve yerleşmelerde enerji etkin hesaplamalı tasarım ve çok amaçlı optimizasyon yaklaşımı: Toplu konut örneği
Energy efficient computational design and multi-objective optimization approach for buildings and settlements: a case study of multi-residential complex
YUSUF SALİH DİKEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ŞULE FİLİZ AKŞİT
- Kanal içerisinde rüzgar türbini tasarımı ve had analizi ile kanal profilinin türbin performansına etkilerinin incelenmesi
Ducted wind turbine design and investigation of the effects of duct profile to the design with cfd analysis
YİĞİTCAN GÜLSOY
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU