Numerical investigation of engine cooling using nanofluids
Nano akışkanlar kullanılarak motor soğutmasının sayısal incelenmesi
- Tez No: 961625
- Danışmanlar: PROF. DR. HANİFE TUBA OKUTUCU ÖZYURT, PROF. DR. ZAFER DURSUNKAYA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Makine Mühendisliği, Energy, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 101
Özet
Motor teknolojilerindeki rekabetçi ortam ve otomotiv endüstrisindeki son gelişmeler nedeniyle içten yanmalı motorların özgül güç yoğunlukları giderek artmaktadır. Motorların güç yoğunluklarının artması, motor bileşenleri üzerindeki termal yükün de artmasına yol açmıştır. Daha az hidrolik güç tüketimiyle sıcaklıkların düşürülmesi günümüzde daha kritik hale gelmiştir. Günümüzde çevresel düzenlemeler, düşük emisyon hedefleri ve enerji verimliliği gereksinimleri, içten yanmalı motor teknolojilerinde emisyonları düşürmeye katkı sağlayacak yenilikçi soğutma çözümlerine duyulan ihtiyacı artırmıştır. Yukarıda yer alan durumlara ek olarak, özgül yakıt tüketiminin iyileştirilmesi, çevresel sürdürülebilirlik açısından önem taşımaktadır. Bu çalışmanın esas amaçlarından bir tanesi, motor soğutmasında nanoteknoloji uygulamalarını araştırmaktır. Diğer bir ana amaç, ısı transfer performansının artırılması yoluyla özellikle motor bileşenlerinin kritik sıcaklıklarının düşürülmesini sağlamak ve nanofluid kullanımının potansiyel faydalarını değerlendirmektir. Bu tez çalışmasında, tek silindirli, doğalgaz beslemeli içten yanmalı bir test motorunun sıcaklık dağılımını belirlemek ve farklı nanoakışkan özelliklerinin motor parçalarının soğutulması üzerindeki etkilerini değerlendirmek amacıyla kapsamlı bir hesaplama yöntemi geliştirilmiştir. Bu çalışmanın temel hedefi, nanoakışkanların ısı transferi performansı üzerindeki etkilerini sayısal olarak incelemek, incelenen bu etkileri bir CHT (Eşlenik Isı Transferi) modeli çerçevesinde değerlendirmek ve motor sistemlerinin termal yönetiminde en iyi performansın elde edileceği akışkan parametrelerinin belirlenmesidir. Bu sayısal çalışma, ısı transferi, akışkanlar mekaniği, malzeme bilimi ve kimyasal reaksiyon kinetiğini bütünleştiren çok disiplinli bir analiz yaklaşımı sunmaktadır. Bu çalışma, literatürde ele alınan yöntemlerden farklı olarak, içten yanmalı motorlarda nanofluid kullanımının etkilerini, ısı transfer hesaplarında noktasal dağılımlı termal sınır koşulları kullanarak detaylı inceleyen ilk örneklerden biridir. Literatürde yer alan yaklaşımlar incelenerek, nanoakışkanların sıcaklığa ve konsantrasyona bağlı olarak değişen termofiziksel özelliklerinin hesaplanmasına yönelik bir yöntem izlenmiştir. Bu bağlamda farklı baz akışkanlar (su, etilen glikol), çeşitli nanoparçacıklar Al\textsubscript{2}O\textsubscript{3}, CuO, CB ve çeşitli hacimsel konsantrasyon oranları dikkate alınarak, yoğunluk, viskozite, özgül ısı kapasitesi ve ısıl iletkenlik değerleri hesaplanmıştır ve elde edilen bu veriler, simülasyon ortamına doğrudan entegre edilmiştir. Elde edilen nanoakışkan özellikleri kullanılarak, test motorun su giriş çapı ile aynı çapa sahip temsili bir boru modeli üzerinde hem katı hem de sıvı hacimlerini kapsayan 3-boyutlu ısı transferi analizleri gerçekleştirilmiştir. Toplamda 60 adet simülasyon yapılmış ve Al2O3, CuO, karbon siyahı nanoparçacıklarının su ve etilen glikol su karışımı baz akışkanlar ile, %1, %2, %3 ve %4 konsantrasyonlarında, 25°C ve 70°C giriş sıcaklıklarında soğutma performansı üzerine etkileri araştırılmıştır. En verimli ısı transfer performansını sağlayan nanofluid kombinasyonu belirlenmeye çalışılmıştır. Bu analizlerin amacı, en verimli ısı transferini sağlayan nanoakışkan kombinasyonunu minimum hesaplama maliyeti ile belirlemek ve ısı transfer modelinin doğrulanmasını sağlamaktır. Analizler sonucunda en düşük sıcaklık dağılımının elde edilmesi için en uygun nano akışkan kombinasyonu seçilmiştir. Bir test motorundan elde edilen deneysel verilerin tutarlılığını incelemek ve analizler için sınır koşullarını oluşturmak amacıyla, test verilerini kullanarak temel motor hesaplamaları yapılmıştır. Bu hesaplar net indike gücün, pompalama kaybının, brüt indike gücün, sürtünme kayıplarının ve ısı kayıplarının elde edilmesini içerir. Elde edilen bu değerler kullanılarak motorun verim değerleri hesaplanmış ve literatürdeki oranlar ile karşılaştırılmıştır.Bu karşılaştırma kapsamında test ölçümlerinin tutarlı olduğu belirlenmiş ve port giriş sıcaklığı ve basıncı, egzoz portu çıkış sıcaklığı, hava ve yakıt debileri, silindir içi basınç ölçümleri gibi temel parametreler değerlendirilmiş, deneysel verilerin sayısal analizlerde kullanılabilir olduğu ortaya konmuştur. Test motorunun silindiri, pistonu ve silindir kafası, orijinal teknik resimler kullanılarak üç boyutlu olarak CAD ortamında modellenmiş ve sayısal analizlerde kullanılmak üzere simülasyona hazır hale getirilmiştir. Hazırlanan bu detaylı motor geometrisi, hem yanma analizlerinin hem de eşlenik ısı transferi analizlerinin gerçekleştirilmesinde temel tasarımları oluşturmuştur. Test motorunun CAD geometrisi kullanılarak detaylı yanma modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan yanma simülasyonunda kimyasal reaksiyonlar, kıvılcım ateşlemesi, piston ve supap hareketleri modellenmiştir. Motorun zamana bağlı olarak gerçekleştirilen tam çevrim yanma analizleri sonucunda, silindir duvarlarında oluşan anlık sıcaklık dağılımları ve ısı transfer katsayıları elde edilmiştir. Ancak bu değerler, CHT analizlerinin zamandan bağımsız kabul edilmesinden dolayı doğrudan kullanılamamaktadır. Bu nedenle elde edilen yanma analizi sonuçları için, veriler zamana bağlı ortalama alma yöntemleriyle zamandan bağımsız değerlere dönüştürülmüştür. Elde edilen ortalama silindir duvarı yakınındaki gaz sıcaklıkları ve ısı transfer katsayıları, eşlenik ısı transfer modeline uygulanmıştır. Bu modelde hem katı hem de sıvı hacimler dahil edilerek 3-boyutlu sayısal simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Yukarıda anlatılan yanma analizinin sonuçları, yanma odasına bakan yüzeylerin termal sınır şartı olarak kullanılırken, su ceketinin giriş ve çıkış yüzeylerinin şartları test değerlerinden hesaplanarak kullanılmıştır. Farklı koşullar için gerçekleştirilen simülasyonların sonuçları, nanoakışkan kombinasyonlarının motor bileşenlerinin soğutulması üzerindeki etkisini karşılaştırmalı olarak ortaya koymuştur. Analiz sonuçları, nanofluid kullanımının motorun termal performansını olumlu yönde etkilediğini ortaya koymuştur. Nanoparçacık kullanımı sayesinde soğutucu sıvının ısıl iletkenliği artmakta, bu da motor bileşenlerinden soğutucuya olan ısı transferini iyileştirmektedir. Ancak, nanofluidlerin daha yüksek viskoziteye sahip olması nedeniyle sistemde basınç kaybı da artmaktadır. Ayrıca, nanofluid kullanımı, potansiyel olarak yakıt tüketimini azaltarak çevresel sürdürülebilirliğe katkı sağlayabilir. Bu çalışmada, nanofluidler tek fazlı ve homojen kabul edilmiş, nanoparçacıkların yüzey etkileşimleri ve parçacık çökmesi, aglomerasyon gibi mikro düzeydeki etkiler dikkate alınmamıştır. Gelecekteki çalışmalarda, nanoakışkanların heterojen yapısı ve yüzey etkileşimlerinin de analiz edilmesi önerilmektedir.
Özet (Çeviri)
The specific power densities of internal combustion engines tend to rise due to the competitive environment of the automotive industry. The increase in power density causes the thermal load on the engine components to increase as well. Improving specific fuel consumption is important for environmental sustainability. The present thesis aims mainly to evaluate the effect of nanoparticles on the engine's cooling performance. A detailed computation methodology was developed in order to correctly identify the temperature distribution in a natural gas fueled a single cylinder test engine. This study, unlike the methods discussed in the literature, is one of the first to examine in detail the effects of nanofluid use in internal combustion engines by using point based thermal boundary conditions in heat transfer calculations. The thermophysical properties of the nanofluids were determined using established methods from relevant literature. Based on the acquired nanoparticle properties, 60 simulation cases were conducted on a representative pipe model. These nanofluids advanced engineering fluids consist of a base fluid with suspended nanoparticles. In this study, water and a water-ethylene glycol mixture, both commonly used base fluids, were employed. The nanoparticles analyzed include Al2O3, CuO, and carbon black (CB). Nanoparticle volume concentrations varied between 1% and 4%, and simulations were conducted at coolant inlet temperatures of 25°C and 70°C to identify optimal nanofluid combinations. Key performance parameters such as indicated power, pumping losses, gross indicated work, frictional losses, and thermal losses were calculated. Engine efficiency values were also derived. The results were deemed consistent and reliable, as the calculated values closely aligned with existing literature. To support these analyses, CAD software was utilized to model the 3D geometry of the engine. A detailed combustion model was developed based on this geometry. Full cycle combustion simulations provided data on instantaneous heat transfer coefficients and temperature distributions near the cylinder walls. These transient values were converted into time independent forms through time averaging techniques and subsequently used in conjugate heat transfer (CHT) simulations. Simulation results demonstrated that nanofluid application in internal combustion engine cooling systems positively influenced the critical temperatures of engine components. However, increased pressure drops were observed due to the higher viscosities of the nanofluids. In this study, nanofluids were treated as homogeneous mixtures, and the effects of nanoparticle agglomeration and surface interactions were not considered. Future research should explore the impacts of these phenomena for more comprehensive analysis.
Benzer Tezler
- Wankel motoru ve çevrim atlatma sisteminin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of the Wankel engine and skip cycle system
ÖMER CİHAN
Doktora
Türkçe
2017
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. OSMAN AKIN KUTLAR
- Experimental and numerical investigation of regenerative cooling with subcooled nucleate boiling in liquid rocket engines
Sıvı yakıtlı roket motorlarında aşırı soğutulmuş kabarcıklı kaynamalı rejeneratif soğutmanın deneysel ve sayısal incelenmesi
MAHMUT MURAT GÖÇMEN
Doktora
İngilizce
2023
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CÜNEYT SERT
- Rotor-stator boşluklarında radyal içe doğru akışın incelenmesi
Investigation of radial inward flow in rotor-stator cavities
MUSTAFA CEM SERTÇAKAN
Doktora
Türkçe
2024
Havacılık ve Uzay MühendisliğiKırıkkale ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YAHYA DOĞU
DR. ERİNÇ ERDEM
- Ağır ticari aracın dizel motoruna ait egzoz manifoldunun ısıl olarak incelenmesi
Thermal investigation of exhaust manifold for a heavy commercial vehicle diesel engine
BURAK YALÇINDAĞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL CEM PARMAKSIZOĞLU
- Gemilerde kullanılan seçici katalitik indirgeme sistemlerinde tortu oluşumunun ve azot oksit indirgeme performanslarının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of urea-deposit formation and nitrogen oxide reduction performances in selective catalytic reduction systems used on marine vessels
TALAT GÖKÇER CANYURT
Doktora
Türkçe
2023
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELMA ERGİN