Modeling and simulation of the fuel sloshing phenomenon in fuel tanks and design optimization
Yakıt çalkalanma fenomeninin modellenmesi ve simulasyonu ve tasarım optimizasyonu
- Tez No: 946473
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ SALİH ÖZEN ÜNVERDİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Energy, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Gebze Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enerji Teknolojileri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 98
Özet
Yakıt çalkalanması, özellikle kısmen dolu yakıt tanklarında taşıtların hızlanma, yavaşlama, yön değiştirme ve çevresel etkilere maruz kaldığı dinamik hareketler sırasında meydana gelen sıvı yüzey dalgalanmasıdır. Bu olgu, mühendislik sistemlerinde hem işlevsel hem de yapısal açıdan olumsuz sonuçlar doğurabilmektedir. Yakıtın ani ve kontrolsüz hareketleri, tank duvarlarına düzensiz basınçlar uygulayarak mekanik gerilimleri artırmakta ve sistem performansında düşüşe yol açabilmektedir. Bu çalışmada, yakıt çalkalanma olgusu sayısal yöntemler kullanılarak modellenmiş ve iç yapı düzenlemeleri açısından karşılaştırmalı analizler gerçekleştirilmiştir. Analizler, %33 ve %66 doluluk oranlarında, farklı dalgakıran konfigürasyonlarında (düz ve delikli) ve çeşitli boylarda yapılmıştır. Çalışmanın temel amacı, söz konusu koşullar altında oluşan serbest yüzey hareketlerini, duvar basınçlarını ve genel akış karakteristiklerini incelemek; ayrıca çalkanma etkilerini azaltabilecek iç yapı çözümlerini değerlendirmektir. Sayısal analizler, ANSYS Fluent yazılımı aracılığıyla gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda, çok fazlı akışların modellenmesinde yaygın olarak tercih edilen Volume of Fluid (VOF) yöntemi kullanılmıştır. VOF yöntemi, hava ve yakıt fazları arasındaki arayüzü hassas biçimde izleyebilmekte ve zamanla değişen serbest yüzey davranışını doğru şekilde yansıtabilmektedir. Kullanılan akış modeli zamana bağlı (transient) çözümleme esasına dayandırılmış ve türbülans etkileri k−ε türbülans modeliyle hesaba katılmıştır. Sayısal ağ (mesh) yapısı oluşturulurken, özellikle duvar bölgelerinde ağ hassasiyeti artırılmıştır. Farklı senaryolar dikkate alınarak, çalışmada yakıt tankı içerisindeki çalkalanma etkisini azaltmaya yönelik çeşitli dalgakıran tasarımları geliştirilmiş ve simülasyon ortamına entegre edilmiştir. Test edilen dalgakıran konfigürasyonları arasında delikli ve tam yüzeyli yapılar yer almaktadır. Yapılan analizler sonucunda, özellikle uzun ve delikli dalgakıranların sıvı dalgalarının enerjisini etkili biçimde dağıttığı, dalga yüksekliklerini azalttığı ve duvar basınçlarını daha dengeli hale getirdiği gözlemlenmiştir. Çalkanma davranışının değerlendirilmesinde; kesme kuvveti-zaman, basınç-zaman grafiklerinin yanı sıra yakıt-hava oranındaki değişimler gibi birçok parametre detaylı olarak analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, iç yapı olarak kullanılan dalgakıranların çalkalanma etkilerini azaltmada etkili olduğunu ortaya koymuştur. Bu durum hem güvenlik hem de yapısal dayanıklılık açısından önemli kazanımlar sağlamaktadır. Ayrıca çalışmada ağ yapısının çözüme etkisi analiz edilmiş, farklı hücre sayılarında gerçekleştirilen simülasyonlarla çözüm doğruluğu karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Türbülans çözümünün kararlılığı, CFL hesaplamalarıyla test edilmiştir. Çalışma yalnızca çalkalanma davranışının modellenmesiyle sınırlı kalmamış, aynı zamanda tasarım optimizasyonu açısından da önemli katkılar sunmuştur. Özellikle havacılık uygulamalarında kullanılan yakıt tanklarının tasarımında; dalgakıran konumu, açıklığı ve boyu gibi parametrelerin optimize edilmesine yönelik temel altyapı bu çalışma ile ortaya konmuştur.
Özet (Çeviri)
Fuel sloshing refers to the movement of liquid within partially filled fuel tanks that occurs due to dynamic motions such as acceleration, deceleration, cornering, and external environmental effects experienced by vehicles. This phenomenon can have adverse functional and structural consequences in engineering systems. Sudden and uncontrolled fuel movements exert irregular pressures on the tank walls, leading to increased mechanical stresses and reduced system performance. In this study, the effects of fuel sloshing are modeled using numerical methods, and comparative analyses are conducted with respect to internal structural configurations. Simulations are performed for varying fill levels (33% and 66%) and different baffle configurations (solid and perforated) and lengths. The aim is to investigate the free surface dynamics, wall pressure distributions, and overall flow characteristics under these conditions, and to evaluate internal structural solutions that can mitigate the adverse effects of sloshing. Numerical modeling is carried out using the ANSYS Fluent software, employing the Volume of Fluid (VOF) method, which is widely used for modeling multiphase flows. The VOF method effectively tracks the interface between air and fuel phases and accurately captures the time-dependent behavior of the free surface. A transient solution approach is adopted, incorporating the k−ε turbulence model to account for turbulent flow effects. Mesh sensitivity is especially emphasized in near-wall regions. Various baffle designs are developed and integrated into simulations to reduce sloshing effects. These include both perforated and solid-surface baffles. The analysis results show that longer, perforated baffles effectively dissipate wave energy, reduce wave heights within the tank, and distribute wall pressures more evenly. Parameters such as shear force-time, pressure-time histories, and fuel-to-air ratio variations are analyzed in detail to understand sloshing behavior. The findings indicate that internal baffle structures can significantly mitigate the effects of sloshing, offering important benefits in terms of both safety and structural integrity. Furthermore, a mesh sensitivity analysis is conducted, and simulations with varying cell counts are compared to ensure accuracy. Stability analysis through CFL calculations is also performed to verify the turbulence modeling. This thesis not only focuses on modeling sloshing behavior but also provides design optimization insights. It lays the groundwork for the parametric optimization of internal baffle placement, opening size, and length, especially in fuel tanks used in aerospace applications.
Benzer Tezler
- Stability control problem for space vehicles with fuel slosh
Yakıt çalkalanmalı uzay araçları için stabilite kontrol problemi
MERVE ŞAHİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN ORHAN KAYA
- Yatay silindirik depolama tanklarında ızgara perdelerin sıvı çalkantısını ve basıncını azaltmaya olan etkisinin SPH ile modellenmesi
Modeling of the effect of baffles on liquid sloshing and pressure reduction in horizontal cylindrical storage tanks with SPH
EMİNE KÖSE
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NECATİ ERDEM ÜNAL
- Otobüslerde kullanılan yakıt tankları dayanımının statik ve dinamik analizlerle doğrulanması
Proving strength of the fuel tanks which are used in busses by performing static and dynamic analysis
HALİL BURAK USTAOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU
- Modeling and simulation of high temperature proton exchange membrane fuel cell based cogeneration systems
Yüksek sıcaklıkta çalışan proton değişim membranlı yakıt piline dayalı kojenerasyon sistemlerinin modellenmesi ve simülasyonu
YAĞMUR NALBANT
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
EnerjiDokuz Eylül ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CAN ÖZGÜR ÇOLPAN
DOÇ. DR. YILSER DEVRİM
- Yakıt pilleri ve bir PEM yakıt pili sisteminin dinamik benzetimi
Fuel cells and dynamic simulation of a PEM fuel cell system
ZEHRA URAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2007
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiDicle ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BİLAL GÜMÜŞ
YRD. DOÇ. DR. MUHSİN TUNAY GENÇOĞLU