A comprehensive study on indirect evaporative coolers: CFD-based performance analysis, geometric optimization and machine learning models
Dolaylı buharlaştırıcı soğutucular üzerine kapsamlı bir çalışma: Had tabanlı performans analizi, geometrik optimizasyon ve makine öğrenmesi modelleri
- Tez No: 987572
- Danışmanlar: PROF. DR. ORHAN BÜYÜKALACA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Çukurova Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD), geometrik optimizasyon ve gelişmiş tahmin edici modeller üretmeyi bir araya getirerek, çiğ noktası dolaylı buharlaştırıcı soğutucuların performansı ve optimizasyonu üzerine kapsamlı üç aşamalı bir araştırma sunmaktadır. İlk aşamada, farklı yapısal tasarıma ve sabit geometrik özelliklere sahip beş soğutucu konfigürasyonu (Tip 0'dan Tip 4'e kadar) geliştirilmiş ve geniş bir psikrometrik ve çalışma koşulları aralığında sistematik olarak analiz edilmiştir. İşlem havası giriş sıcaklığı, nemi, hızı ve çalışma-giriş havası oranı gibi temel bağımsız değişkenler; çiğ noktası etkinliği, soğutma kapasitesi, su tüketimi ve soğutma performans katsayısı (COP) olmak üzere dört performans göstergesi üzerindeki etkilerini değerlendirmek amacıyla geniş bir aralıkta değiştirilmiştir. Test edilen tasarımlar arasında, çok açıklıklı Tip 2 konfigürasyonu sürekli olarak üstün performans göstermiştir. Bu bulgulara dayanarak, tezin ikinci aşaması Tip 2 soğutucunun geometrik optimizasyonuna odaklanmıştır. İstenilebilirlik fonksiyonu yöntemi kullanılarak toplam 4.200 HAD simülasyonu gerçekleştirilmiş ve bunlardan 2.225 geçerli durum (ters akış koşullarının oluşmadığı) optimizasyon için kullanılmıştır. Kanal uzunluğu, kanal genişliği, açıklık sayısı, açıklık çapı ve çalışma-giriş havası oranı için optimum tasarım parametreleri belirlenmiştir. Soğutucunun çok amaçlı optimizasyonu, her biri belirli bir amaç için tasarlanmış beş farklı senaryoda gerçekleştirilmiştir. Üçüncü ve son aşamada, HAD düzeyinde sonuçları daha düşük hesaplama maliyetiyle yeniden üretmek için tahmin edici modeller geliştirilmiştir. Toplam 20.480 HAD simülasyonu oluşturulmuş ve ters akışın oluştuğu durumlar hariç tutulduktan sonra, model eğitimi ve testi için 17.525 geçerli sonuç kullanılmıştır. Karar ağaçları (DT), destek vektör makineleri (SVM) ve çok katmanlı algılayıcılar (MLP) dahil olmak üzere otuz iki makine öğrenimi modeli ve yedi çoklu doğrusal regresyon modeli, performans parametrelerini tahmin etmek için geliştirilmiştir. Model doğruluğu determinasyon katsayısı (R²), kök ortalama kare hatası (RMSE) ve bağıl hata (RE) dağılımları ile değerlendirilmiştir. Çoklu doğrusal regresyon modelleri pratiklik ve kullanım kolaylığı sağlarken, özellikle DT-7 ve MLP-4 kodlu modeller olmak üzere makine öğrenimi modelleri üstün tahmin doğruluğu sergilemiştir. Bu tez, çiğ noktası dolaylı buharlaştırıcı soğutucunun hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi, optimizasyonu ve performans parametreleri tahmin modellemesinin sistematik olarak bütünleştirilmesinin, verimli çiğ noktası dolaylı buharlaştırıcı soğutucular tasarlamak ve gerçek uygulamalara yönelik hızlı, güvenilir performans tahminleri yapmak için sağlam bir yol sağladığını göstermektedir.
Özet (Çeviri)
This thesis presents a comprehensive three-phase investigation into the performance and optimization of dew-point indirect evaporative coolers by combining computational fluid dynamics (CFD), geometric optimization and advanced predictive modeling. In the first phase, five cooler configurations (Type 0 to Type 4) with varying structural and fixed geometrical features were developed and systematically analyzed under a wide range of psychrometric and operating conditions. Key independent variables, including process air inlet temperature, humidity, velocity and working-to-intake air ratio, were varied to assess their influence on four primary performance indicators: dew-point effectiveness, cooling capacity, water consumption and cooling coefficient of performance (COP). Among the tested designs, multi-perforated Type 2 configuration demonstrated superior overall performance. Building upon these findings, the second phase of the thesis focused on the geometric optimization of the Type 2 cooler. Using the desirability function method, a total of 4,200 CFD simulations were performed, of which 2,225 valid cases (excluding reverse flow conditions) were used for optimization. Optimal design parameters, such as channel length, channel gap, aperture number, aperture diameter and working-to-intake air ratio were identified. The multi-objective optimization of the cooler was conducted across five different scenarios, each designed for a specific objective. In the final phase, predictor models were developed to reproduce CFD-level results at reduced computational cost. A total of 20,480 CFD simulations were conducted, and after excluding reverse flow cases, 17,525 valid results were used for model training and testing. Seven multiple linear regression (MLR) models and 32 machine learning (ML) models, including decision trees (DT), support vector machines (SVM) and multilayer perceptrons (MLP), were developed to predict performance parameters. Model accuracy was assessed through coefficient of determination (R²), root mean square error (RMSE) and relative error (RE) distributions. While MLR models offered practicality and ease of use, machine learning models, particularly the models coded as DT-7 and MLP-4, exhibited superior predictive accuracy across most performance parameters. This thesis demonstrates that the systematic integration of CFD analysis, optimization and predictive modeling provides a robust pathway for designing efficient dew-point indirect evaporative coolers and enabling fast, reliable performance predictions for real-world applications.
Benzer Tezler
- Ev tipi ürünlere entegre ısı pompalı atmosferik su jeneratörü tasarımı
Household appliance integrated heat pump atmospheric water generator design
SERKAN SOLMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SERTAÇ ÇADIRCI
- İklim değişikliğinin buharlaşma ve kuraklık üzerine etkileri: Eğirdir Gölü örneği
Effects of climate change on evaporation and drought: A case study of Lake Eğirdir
MELİKE BİLGİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Meteorolojiİstanbul Teknik Üniversitesiİklim Bilimi ve Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT ŞAYLAN
- Toplu taşıma hatlarının optimizasyonu için bir model önerisi: Sivas örneği
A model proposal for the optimization of public transportation lines: The case of Sivas
İSMAİL ÖZÇELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Ulaşımİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜSEYİN ONUR TEZCAN
- Gemi diesel motorlarının yanma odasındaki akışkan karakteristiklerinin iki boyutlu incelenmesi
Determination of fluid flow characteristics in combustion chamber of marine diesel engines
NACİ KAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı Ana Bilim Dalı
PROF. DR. O. KAMİL SAG
- 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
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELMA ERGİN