LEE- Makina Mühendisliği Lisansüstü Programı

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/19371

Gözat

Numerical and experimental investigation of the effect of refrigerant mixtures on the refrigeration system

(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2020) Özsipahi, Mustafa ; Güneş, Hasan ; 620640 ; Makine Mühendisliği

Increasing energy costs urge not only developing but also developed countries to have new regulations on energy prevention and recovery. Several protocols have already applied to reduce global warming and ozone depletion potential. These protocols force producers and suppliers to work with less harmful refrigerants in the refrigeration and air conditioning sector. Besides using environment-friendly refrigerants, it is also demanded to increase the energy efficiency of such devices to compete with the rivals of the global market. Reciprocating compressors in the refrigeration systems such as refrigerators and freezers are the main components in the household appliances. Moreover, the largest part of the electric consumption related to refrigerators is caused by compressors. Due to the increasing demands on new refrigerants considering their efficiency and the regulations for the protection of the environment, the natural refrigerants or refrigerant blends are widely used. Within the study, the effect of refrigerant mixtures on the household refrigeration system is studied. In addition to the refrigerant mixtures, the optimum lubricant is investigated for the reciprocating compressors. In the first chapter, a brief introduction to the vapor compression refrigeration systems is given. Lubricants and compressors used in vapor compression refrigeration systems are mentioned and a comprehensive literature survey is presented in this chapter. In the second chapter, experimental studies are discussed. This chapter divided into two parts. In the first part, the effect of refrigerant mixtures on the household refrigeration is studied. In this context, in house refrigerant mixtures test stand is constructed. The performance evaluation of the three different refrigerant mixtures of R600a/R290 is compared with R600a. The performance results of the test stand are compared with calorimeter tests carried out by Arcelik A.S. and the results of both test stands are showed that increase in energy efficiency is possible by using R600a/R290 refrigerant mixture. In the second part, the lubrication system of the hermetic reciprocating compressor is investigated in detail. Oil management and lubrication mechanism in journal bearings may change drastically between compressor maximum and minimum speeds. Nevertheless, sufficient lubrication should be provided to the bearings and all moving parts to avoid any mechanical damage on the compressor. In this context, in house lubrication test bench is built using various instruments. Experiments are conducted to investigate the effect of viscosity and compressor speed on the oil mass flow rate of the compressor. In addition to the oil mass flow rate measurements, flow visualization is performed and flow patterns inside the compressor are given for start-up and steady-state operating conditions. In the third chapter, numerical investigations are presented in detail. This chapter is divided into two sections. Firstly, the numerical modeling of the lubrication system of a compact inverter compressor (CIC) is presented. In the numerical modeling, a finite volume-based ANSYS-FLUENT package is used to model two-phase (air-oil) flow inside the compressor using the Volume of Fluid Method (VoF) method. Transient behavior of the oil flow under laminar flow conditions is both simulated by imposing Sliding Mesh (SM) and the Moving Reference Frame (MRF) methods at various crankshaft speeds varying between 1200 and 4500 rpm. The measurements are used to compare/validate CFD results obtained from SM and MRF methods. Moreover, the start-up behavior of the compressor is studied and the instantaneous flow field is given for both methods. Advantage and disadvantage of the methods are mentioned in the study.
Radyal pompaların kavitasyon performansının hesaplanması ve iyileştirilmesi

( 2020) Kaya, Mehmet ; Ayder, Erkan ; 619649 ; Makine Mühendisliği ; Mechanical Engineering

Kavitasyon, buharlaşma basıncının altında basınca maruz kalan akışkanın lokal olarak buharlaşması, bunu takiben buharlaşma basıncının üzerindeki basınçlarda yoğuşarak çökmesi sürecidir. Kavitasyon kaynama gibi sabit basınçta ısı iletimi ile değil, sabit sıcaklıkta basınç düşümünün sonucunda ortaya çıkar. Santrifüj pompaların kavitasyonlu çalışması durumunda hidrolik performans kaybı, gürültü düzeyinde artış ve kavitasyona bağlı çeşitli kararsızlıklar gözlenir. Kavitasyonlu akışlarda çökme prosesinde kabarcık çeperleri oldukça yüksek hızlara ulaşıp mikro jetler meydana getirirler. Eş zamanlı olarak keskin basınç pikleri meydana gelir. Mikro jetler çark kanadı gibi katı cisimlere yakın yerlerde oluşursa kavitasyona bağlı malzeme hasarı oluşur. Sayılan bu olumsuzlukların önüne geçebilmek için pompanın kavitasyon performansının tasarım aşamasında hesaplanabilmesi gereklidir. Pompaların kavitasyon performansını öngörmek için endüstrinin güvenle kullanabileceği, kararlı ve hızlı çözüm yöntemlerinin varlığı genellikle sorgulanmaktadır. Bu çalışmanın amaçlarından biri, belirli özgül hız aralığındaki radyal pompalarda gelişen kavitasyonun sayısal olarak yeterli doğrulukta öngörülebilmesidir. Bu doğrultuda literatür araştırması yapılmış, en güncel kavitasyon modellerinin buhar transport denklemi esasına dayanan homojen kavitasyon modelleri olduğu görülmüştür. Bu yaklaşımda kabarcık dinamiği etkileri kütle transferi denkleminin kaynak terimlerine dahil edilebilmektedir. Üç boyutlu geometrilerde kabarcık dinamiği çözümleri henüz yapılamamakla birlikte, bir boyutlu lülelerde Rayleigh-Plesset kabarcık dinamiği çözümleri mevcuttur. En yaygın olarak kullanan 3 kavitasyon modeli belirlenerek, bu modellerden birinin başarısı öncelikle yakınsak ıraksak lüle akışında değerlendirilmiştir. Sayısal hesaplamaların sonucunda kavitasyona bağlı basınç düşümünün kabarcık dinamiği çözümlerine yaklaşık olarak hesaplanabildiği görülmüştür. Bu aşamadan sonra dönen ve sabit bileşenler içeren, üç boyutlu ve türbülanslı akışın gerçekleştiği pompa problemine geçilmiştir. Çalışma kapsamında dört adet pompanın kavitasyon performansı sayısal ve deneysel olarak incelenmiştir. Özgül hızları 10.4, 12.5, 22.4 ve 34.4 olan uçtan emişli, tek kademeli norm pompalar seçilmiştir. Özgül hızları 10.4, 22.4 ve 34.4 olan pompaların kavitasyon deneyleri açık çevrim test düzeneğinde yapılmıştır. Özgül hızı 12.5 olan dördüncü pompa için silindirik kanatlı yarı açık bir çark tasarlanarak imal edilmiştir. Bu pompada yük düşümü eğrileri ve detaylı kavitasyon yapıları doğrulanmak istendiği için kapalı çevrim bir deney düzeneği kurulmuştur. Deneyler ISO EN 9906:2012 standardının gerektirdiği koşulları sağlayacak biçimde yapılmıştır. Deneyler sonucunda özgül hızları 10.4, 22.4 ve 34.4 olan pompaların Q- ENPY3 eğrileri, dördüncü pompanın da farklı debilerdeki yük düşümü eğrileri elde edilmiştir. Stroboskopik ışık kaynağı kullanarak özgül hızı 12.5 olan pompa çarkında ortaya çıkan kavitasyonlu yapılar görselleştirilmiş, kavitasyon zarfı boyutları ile yük düşümü arasındaki ilişki ortaya konmuştur. Yine bu pompada kavitasyonlu ve kavitasyonsuz gürültü ölçümleri yapılarak kavitasyon - gürültü ilişkileri incelenmiştir. Performans ve kavitasyon karakteristikleri deneysel olarak belirlenmiş olan pompaların 3 boyutlu kavitasyonlu akış analizleri, belirlenen 3 adet homojen modelle yapılmıştır. Hesaplamalara özgül hızı 34.4 olan pompayla başlanmıştır. Pompanın sayısal modeli emme haznesi, çark, salyangoz gövde, salyangoz yan duvar boşlukları, ön ve arka aşınma halkasındaki boşluklar, dengeleme delikleri ve mekanik salmastra sulama deliğini içerecek şekilde oluşturulmuştur. Alternatif olarak çarkın tek pasajı içerisindeki akış modellenmiştir. Optimum çalışma debisinde sayısal ağdan bağımsızlaştırma çalışması yapılarak en uygun sayısal ağlar belirlenmiştir. Sayısal çözümler ilk etapta tek fazlı ve akışkan olarak saf su kullanılarak elde edilmiştir. Sonrasında optimum debide çift fazlı kavitasyon hesaplarına geçilmiştir. Pompa çıkış basıncı adım adım düşürülerek kavitasyon şiddeti artırılmıştır. Her adımda H ve ENPY hesaplanarak yük düşümü eğrileri elde edilmiştir. Pompanın kavitasyon performansı bakımından tam model ve pasaj modeli arasındaki farkın küçük olduğu tespit edilmiştir. Pasaj modelinin kullanımıyla sayısal ağdan tasarruf edilerek kavitasyon hesapların hızlandırılabileceği görülmüştür. Ayrıca giriş-çıkış sınır koşullarının yük düşümü eğrileri üzerindeki etkisi araştırılmış ve en uygun sınır koşulu seti belirlenmiştir. Özgül hızı 34.4 olan pompada uygulanan sayısal yöntemler, özgül hızı 10.4 ve 22.4 olan pompalarda tekrar edilmiştir. Seçilen özgül hız aralığında Singhal modeli ile yapılan hesaplamaların diğer modellere göre deneysel sonuçlara daha yakın netice verdiği görülmüştür. Türbülansın kavitasyonu artıracağı öngörüsü ile çift fazlı akışlarda türbülans viskozitesini düşüren bazı yaklaşımlar mevcuttur. Momentum denklemindeki karışımın türbülans viskozitesi hacimsel buhar oranına bağlı olarak değiştirilmektedir. Buradan hareketle deneylere en yakın sonuç vermiş olan Singhal kavitasyon modeline türbülans düzeltmesi uygulanmış ve özgül hızı 22.4 olan pompanın yük düşümü eğrisi iyileştirilmiş modelle hesaplanmıştır. Kavitasyon modelinin türbülans düzeltmesi yapılarak deneysel sonuçlara daha uyumlu halde getirildiği görülmüştür. Özgül hızı 12.5 olan pompanın sayısal ağı düzenli dörtgen elemanlar kullanarak oluşturulmuştur. Sayısal ağdan bağımsızlaştırma çalışması yapılarak en uygun ağ seçilmiştir. Tek pasaj etrafındaki akış periyodik sınır koşulları altında ilk önce tek faz, sonrasında çift fazlı olarak çözülmüştür. İyileştirilmiş Singhal modeliyle beş farklı çalışma debisinde kavitasyon hesapları yapılmış, elde edilen yük düşümü eğrileri deneysel eğrilerle karşılaştırılmıştır. Sayısal sonuçların deneylerle uyumlu olduğu, hesap hatalarının pek çok durumda tesisat marjı içinde kaldığı görülmüştür. Yük düşümü eğrileri üzerindeki farklı noktalarda hesaplanan kavitasyonlu yapılar deneysel kayıtlarla karşılaştırılmıştır. Geometrik olarak benzer biçimlerin elde edildiği görülmüştür. Kavitasyonlu bölge boğaz kesitine ulaşıp, kanat basma tarafına doğru büyüdüğünde keskin yük düşümlerinin meydana geldiği tespit edilmiştir. Pompa içerisindeki kavitasyonlu bölgelerin boyutu ve ENPY3 değerleri pek çok parametreye bağlıdır. Bunlardan çark emme ağzı çapı, boğaz alanı, kanat sayısı, kanat üzerindeki yük dağılımı, giriş kenarının meridyenel ve plan görünüşteki yerleşimi, ara kanat kullanılması, giriş kenarı profili ve kanat kalınlık dağılımının kavitasyon performansına etkilerini inceleyen çalışmalar literatürden derlenmiştir. Bu çalışmadaysa kanat giriş kenarı eğriliğinin kavitasyon performansına etkisi sayısal yöntemler kullanarak araştırılmıştır. Özgül hızı 30 olan uçtan emişli kapalı çarklı bir norm pompa seçilmiştir. Orijinal pompanın ön ve arka yanak profilleri aynı tutulmuş, giriş kenarı eğriliği farklı olan üç tasarım incelenmiştir. ENPY3 değeri, giriş kenarı eğriliği optimize edilmiş kanatla orijinal tasarıma göre 1.05 m (% 19) iyileştirilmiştir. İyileştirilmiş tasarımda kanat emme yüzeyinde gelişen kavitasyonlu yapıların boyutları, orijinal tasarıma göre daha küçük hesaplanmıştır. Ayrıca kavitasyonun boğaz kesitine daha küçük ENPY değerlerinde ulaştığı görülmüştür. Daha sonra giriş kenarı arka yanakta öne ve geriye doğu uzatılmış, giriş kenarı eğriliği farklı olan altı tasarım daha yapılmıştır. Kavitasyon performansının daha fazla iyileştirilip iyileştirilemeyeceği araştırılmış, giriş kenarı eğriliği ile ENPY3 arasındaki ilişkinin genelleştirilmesi hedeflenmiştir. Bu altı tasarımla, iyileştirilen tasarımın ENPY3 değerinden daha düşük değerler elde edilememiştir. Kavitasyon performansı iyileştirilmiş olan çark imal edilmiş ve bu pompanın kapalı çevrim deney düzeneğinde kavitasyon testleri yapılmıştır. Pompa kavitasyon performansının orijinal tasarıma göre tüm çalışma aralığında artırıldığı görülmüştür. Global üreticilerin Q-ENPY3 eğrileri incelendiğinde, iyileştirilen pompanın ENPY3 değerlerinin rakip birçok ürüne göre daha düşük olduğu görülmüştür. Tüm tasarımlarda giriş kenarı eğriliğine bağlı olarak değişen düzeltilmiş boğaz alanı ve ENPY3 arasında ters orantı olduğu görülmüştür. Giriş kenarı eğriliğinin, girişte geri dönme yaratmamak kaydıyla, düzeltilmiş boğaz alanını maksimize edecek şekilde belirlenmesinin tasarım kriteri olarak kullanılabileceği belirlenmiştir.
Development of microfluidic systems for differential sorting of microparticles and investigation of their performances

( 2020) Erdem, Kaan ; Kuddusi, Lütfullah ; Koşar, Ali ; 636269 ; Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

Inertial microfluidics, an emerging tool in scientific studies, offers rapid, continuous, and high-throughput cell/particle separation. They can be mainly utilized in various applications such as blood separation, the isolation of cancer cells (Circulating Tumor Cells), disease diagnostics and monitoring, and biological processes. For the isolation of targeted particles or cells at the micro scale, a variety of methods has been proposed. Among these methods, label-free, size-dependent cell-sorting applications based on inertial focusing phenomena have attracted much interest during the last decade. In this thesis, five-loop spiral microchannels with a height of 90 µm and a width of 500 µm are introduced. Unlike their original spiral counterparts, four of the proposed channels have elliptic configurations of differing elliptic aspect ratios of 3:2, 11:9, 9:11, and 2:3. Accordingly, the curvature of these configurations increases in a curvilinear manner through the channel. Additionally, the other of proposed microchannel differs due to the implementation of a filtration platform consisting of cylindrical microposts. Both microchannels were designed in order to improve the separation capability. The proposed microchannels were fabricated by using the standard soft lithography method. As channel material, PDMS (polydimethylsiloxane) was utilized. The steps of the microfabrication process were adjusted in order to meet the predetermined geometical features. The fabrication of the cylindrical microposts was challenging due to several reasons such as low quality of printed photomasks, loss of some microposts during PDMS cast (channel material) removal and clogging problem by dust and debris in the experiments. Therefore, the study was carried out with the elliptic configurations. The effects of the alternating curvature and the channel Reynolds number on focusing of fluorescently dyed particles with diameter of 10 and 20 µm in the prepared suspensions were investigated by using the fabricated microchannels. After focusing particles at distinctive positions across the microchannel, the optimum volumetric flow rates between 0.5 mL/min and 3.5 mL/min allowing separation were determined for each channel. These flow rates were specified by utilizing the captured microscopic image sequences of the particle migration trajectories at the outlet. At these rates, each channel was tested in order to collect samples at the designated outlets. Then, these samples were analyzed by counting particles visually under a fluorescence microsope to determine the separation purity. As a result, these elliptic microchannels were capable of separating 20 and 10 µm particles with total yields up to approximately 95% and 90%, respectively. The results exhibited that the level of enrichment and the focusing behavior of the proposed configurations are promising compared to the existing microfluidic channel configurations. Considering their advantages as high operating flow rates, non-complex configuration, and less expensive process requirements, these microfluidic devices offer cost-effective and high-throughput prototypes for efficient separation of microparticles/cells such as CTCs, blood cells, bacteria, viruses, etc. and could be further customized for various sorting applications.
Fonksiyonel tekstiller geliştirmek amacıyla metal oksit nanoyapıların sentezlenmesi ve kumaşlara uygulanması

( 2020) Küçük, Merve ; Öveçoğlu, Mustafa Lütfi ; 636299 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

Teknolojinin gelişmesiyle beraber tekstil sektöründe kullanılan geleneksel ürünlerin insan beklentilerini ve ihtiyaçlarını karşılayamadığı ortaya çıkmıştır. Bu nedenle tekstil malzemelerine fonksiyonel özellikler kazandırarak ürünlerin kullanım performansını geliştirmek önemli bir konu haline gelmiştir. Polyester (yapay) ve pamuk (doğal) liflerinden elde edilen kumaşlar, mukavemetli olmasından, üretim prosesinin kolaylığından, fiyat uygunluğundan ve kullanım sırasında sağlamış olduğu avantajlardan dolayı tekstil endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Polyester ve pamuk liflerinden elde edilen nihai ürünlerin sağlamış olduğu avantajların yanı sıra bazı dezavantajları da bulunmaktadır. Örneğin polyester kumaşların, hidrofobik yüzey özelliğine sahip olması, hem kumaşların boyanmasında hem de kullanımları sırasında birtakım zorluklar yaratmaktadır. Giyim endüstrisinde sıklıkla tercih edilen pamuk kumaşların ise güneşten gelen ultraviyole ışınlarına karşı koruyucu özelliğinin olmaması ve mikroorganizmalara karşı direncinin düşük olması en büyük dezavantajları arasındadır. Dolayısıyla polyester ve pamuk kumaşlara fonksiyonel özelliklerin kazandırılması önem taşımaktadır. Son yıllarda bilimsel araştırmalarda ilgi çeken ve yoğun olarak araştırılan bir konu olan metal oksit malzemeler, mekanik zorlamaya karşı dayanıklılık, yüksek optik saydamlık ve olağanüstü taşıyıcı devingenlik gibi kendine özgü özelliklere sahiptir. Bu malzemeler, çeşitli boyutsal, yapısal ve elektriksel özellikleri ile metalik, yarı iletken veya iletken karakteristiğe sahiptir. Yığın formundaki oksitler, iyi tanımlanmış kristalografiye sahip olup stabil ve dayanıklı yapıdadır. Buna karşın, nanoölçekteki oksit malzemeler mekanik, fiziksel ve kimyasal özellikleri açısından üstün performans göstermektedir. Nanoyapılar genellikle yüksek yüzey alanı/hacim oranına sahiptir. Bu nanoyapıların boyutları küçüldükçe bu oran artmaktadır. Birçok farklı metal oksit çeşidi olmakla birlikte en çok araştırma konusu olan oksitlerin ortak özellikleri düşük maliyetli olması, toksik olmaması, kolay ve çok miktarlarda üretilebilmesidir. Bu metal oksitler arasında yer alan çinko oksit (ZnO) ve silisyum dioksit (SiO2) yaygın olarak araştırılan malzemelerdir. Sunulan tez çalışmasında, polyester ve pamuk kumaşlara fonksiyonel özellikler kazandırılması amaçlanmıştır. Bu doğrultuda metal oksit nanoyapılar (ZnO ve SiO2) sentezlenerek kumaş yüzeylerine kaplanmıştır ve ürünlerin performans özelliklerinin geliştirilmesi sağlanmıştır. Metal oksit nanoyapılar, yuvarlak, küre, çubuk, tel, tüp ve çiçek gibi farklı formlarda ve şekillerde sentezlenebilmektedir. Ayrıca bu nanoyapılar, ince film halinde değişik malzemelerin yüzeyine kaplanmaktadır. Metal oksit nanoyapıların sentezlenmesi ve farklı yüzeylere kaplanması amacıyla sol jel ile birleştirilmiş daldırma, döndürme ve püskürtme ile kaplama yöntemleri, hidrotermal sentez yöntemi, kimyasal buhar biriktirme, fiziksel buhar biriktirme, sprey piroliz, lazer piroliz gibi çeşitli yöntemler bulunmaktadır. Tez çalışmasında polyester ve pamuk kumaşların ZnO ve SiO2 nanoyapılar ile kaplanması için sol-jel ile birleştirilmiş daldırma ile kaplama yöntemi ve hidrotermal sentez yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntemlerin tercih edilmesinin nedenleri yapılan kaplamanın düşük sıcaklıklarda, çözelti formunda ve yoğun olarak gerçekleştirilmesinden dolayıdır. Bu sıraladığımız nedenler, bu yöntemlerin tekstil üretim proseslerine uygulanabilirlikleri açısından önem taşımaktadır. Hidrofobik özelliğe sahip olan polyester kumaşlar, iç giyim, üst giyim ve spor kıyafetleri olarak kullanılmaktadır. Bu ürünler insan teni ile direk temas halinde olup terlemeye sebep olmaktadır. Dolayısıyla bu kumaşlar, deride oluşan teri dışarıya atmadığından kişide bunaltıcı bir his yaratırlar. Sonuçta doğal liflerin sağladığı konfor, polyester liflerinde bulunmamaktadır. Ayrıca polyester lifleri düşük miktarda nem soğurduğundan ötürü dolayı doğal liflere göre daha fazla elektrostatik yapıdadır. Bu durum, kıyafetlerin birbirine yapışmasına sebep olarak konforu olumsuz yönde etkilemektedir. Bu dezavantajları bertaraf etmek amacıyla tez çalışmasının ilk araştırma bölümünde, polyester kumaşlara hidrofilik yüzey özelliğinin kazandırılması amaçlanmıştır. Polyester kumaşlar, sol-jel ve hidrotermal sentez yöntemleri ile sırasıyla ZnO nanopartiküller ve ZnO nanoçubuklar ile kaplanmıştır. Sol-jel yöntemi ile dört farklı molar derişimde (0,14 M, 0,12 M, 0,1 M ve 0,08 M) ZnO nanopartikül çözeltileri sentezlenmiştir. Daha sonra bu çözeltilerin partikül boyut dağılım ve polidispersite indeks (PDI) değerleri belirlenmiştir. 0,1 M ve 0,08 M derişimde hazırlanan çözeltiler ile polyester kumaşlar, daldırma ile kaplama yöntemiyle ZnO nanopartiküller ile kaplanmıştır. ZnO nanopartiküller ile kaplı polyester kumaşa, iki farklı molar derişimde (0,08 M ve 0,16 M) hazırlanan hidrotermal sentez çözeltiler kullanılarak yüzeyde ZnO nanoçubuklar büyütülmüştür. ZnO nanoçubukların, lif yüzeyindeki büyüme mekanizmasına olan etkisini incelemek amacıyla iki farklı molar derişimde hidrotermal sentez çözelti hazırlanarak kaplama yapılmıştır. ZnO nanoyapılar ile kaplı polyester kumaşların morfolojilerini, elemental kompozisyonlarını, kimyasal yapılarını ve termal özelliklerini belirlemek amacıyla alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu (FESEM), enerji saçılımlı x-ışını spektroskopisi (EDS) ve Frourier dönüşümlü kızılötesi (FTIR) spektroskopisi ve termogravimetrik analiz (TGA) cihazı ile karakterizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. X-ışını difraksiyon (XRD) analizi ile polyester kumaşlara kaplanan ZnO nanoyapıların, faz kompozisyonları ve kristalinite dereceleri belirlenmiştir. Ayrıca ZnO nanoyapılar ile kaplı polyester kumaşların yüzey ıslanabilirliği, yüzey temas açısı (WCA) ölçülerek belirlenmiştir. Hidrotermal sentez çözeltlerinin molar konsantrasyonu azaldıkça ile yüzeyde biriktirilen hekzagonal ZnO nanoçubukların, boylarında ve çaplarında küçülme olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Ayrıca ZnO nanopartiküller ile kaplı polyester kumaşların yüzeyine ZnO nanoçubukların (0,08 M ve 0,16 M) biriktirilmesi neticesinde süperhidrofilik polyester kumaş yüzeyleri elde edilmiştir. Güneşten gelen ultraviyole (UV) radyasyonuna az miktarda maruz kalınması insan vücudunda D vitamini üretilmesine yardımcı olarak kemik gelişimine katkı sağlamaktadır. Ancak aralıklı yoğun ve sürekli yoğun olarak UV radyasyonuna maruz kalmak deride akut ve kronik etkilere, bağışıklık sistemin zayıflamasına ve deri kanserine yol açabilmektedir. İnsanlar, atmosfer yüzeyinden UV ışınlarının saçılması ya da yansıması veya direk güneş ışığı yoluyla UV radyasyonuna maruz kalmaktadır. Deri kanseri, son yıllarda yaygın olarak görülen kanserler arasındadır. Her yıl dünyada yaklaşık olarak üç milyon deri kanseri vakası tespit edilmektedir. Özellikle mesleği gereği güneşe maruz kalan insanlarının deri kanserine yakalanma eğiliminin daha fazla olduğuna dair önemli bulgular saptanmıştır. Çiftçiler, dağcılar, balıkçılar, inşaat çalışanları, askeri personeller gibi meslek gruplarındaki insanlarda deri kanserinin yanı sıra güneşten kaynaklı diğer rahatsızlıklara yakalanma olasılığının arttığı da belirtilmiştir. Diğer bir deyişle, bu meslek gruplarındaki kişiler, günlük aktivitelerinde daha geniş periyotlarda ve sürekli yoğunlukta UV radyasyonuna maruz kalmaktadır. Dolayısıyla açık havada çalışan insanların güneşten korunması için önlemlerin alınması şarttır. Bu amaçla tezin ikinci araştırma bölümünde, giyim endüstrisinde en çok tercih edilen pamuk liflerinden elde edilen kumaşların, UV koruyucu özelliğinin iyileştirilmesi ile ilgili çalışmalar yapılmıştır. Bu doğrultuda pamuk kumaşlar, SiO2 ve ZnO nanoyapılar ile hibrit olarak kaplanmıştır. Sol-jel metodu ile dört farklı amonyum hidroksit (NH4OH) konsantrasyonunda (25, 20, 15 ve 10 mL) SiO2 nanopartikül çözeltileri sentezlenmiştir. Ayrıca yine sol-jel metodu ile 0,05 M derişime sahip ZnO nanopartikül çözeltisi sentezlenmiştir. Daha sonra SiO2 ve ZnO nanopartikül çözeltilerinin, boyut dağılımları ve PDI değerleri belirlenmiştir. Ayrıca SiO2 çözeltilerinin zeta potansiyel değeri ölçülerek nanopartiküllerin stabiliteleri değerlendirilmiştir. 10 mL NH4OH konsantrasyonunda sentezlenen SiO2 nanopartikül çözeltisi ile pamuk kumaş, daldırma kaplama yöntemi ile kaplanmıştır. Ardından ZnO nanopartiküller, SiO2 nanopartiküller ile kaplı kumaşa kaplanmıştır. Bu prosedür neticesinde SiO2-ZnO nanopartiküller (SiO2-ZnO NP) ile hibrit kaplı pamuk kumaşlar elde edilmiştir. SiO2-ZnO NP ile hibrit kaplı pamuk kumaş yüzeyine, düşük sıcaklık hidrotermal sentez yöntemi ile 6 ve 12 saat büyüme sürelerinde, ZnO nanoçubuklar biriktirilerek SiO2-ZnO NP/ZnO NÇ (6 ve 12 saat) ile hibrit kaplı pamuk kumaşlar elde edilmiştir. SiO2 ve ZnO nanoyapılar ile kaplı pamuk kumaşların FESEM, EDS, XRD, ATR-FTIR, TGA ile karakterizasyonları yapılmıştır. Bununla birlikte SiO2 ve ZnO nanoyapılarla kaplı pamuk kumaşların UV-görünür bölge spektroskopisi ile UV bloklama değerleri belirlenmiştir. Ayrıca UV transmitans ölçüm değerleri kullanılarak ultraviyole koruma faktörü (UPF) hesaplanmıştır. UPF sonuçlarına göre SiO2-ZnO NP/ZnO NÇ (6 saat) ile hibrit kaplı pamuk kumaşların UV ışınlarına karşı mükemmel seviyede koruyuculuk sağladığı anlaşılmıştır. Bunun yanı sıra SiO2-ZnO NP/ZnO NÇ (6 saat) ile hibrit kaplı pamuk kumaşlar, tüm UV bölgelerinde çok iyi oranda UV bloklama performansına sahip olmuştur. Günümüzde mikroorganizmalara karşı dirençli tekstil ürünlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Medikal tekstillerde kullanılan malzemelerin mikroorganizmalara (virüs, bakteri, fungus gibi) karşı dirençli olması şarttır. Pamuk liflerinden elde edilen dokuma kumaşlar ve dokusuz tekstiller, medikal alanda en çok tercih edilen ürünlerdir. Bu ürünlerin tercih edilmesinin nedenleri, yüksek soğurma kapasitesinden, biyobozunur olmasından, yumuşak dokusundan, gözenekli yapısından ve geniş yüzey alanından dolayıdır. Fakat ortam sıcaklığının etkisiyle pamuk lifleri nem tutmaktadır. Liflerin nem tutması ile yüzeyde mikroorganizmaların büyümesi kolaylaşmaktadır. Bu durum, medikal alanda kullanılan tekstiller açısından dezavantaj yaratmaktadır. Bu nedenle tez çalışmasının üçüncü bölümünde, mikroorganizmalara karşı dirençli pamuk kumaşların geliştirilmesi amaçlanmıştır. Pamuk kumaşlar, düşük sıcaklık hidrotermal sentez yöntemi ile ZnO çiçek formundaki nanoçubuklar ile kaplanarak antifungal yeterlilikleri test edilmiştir. ZnO çiçek formunda nanoçubuklar ile kaplı pamuk kumaşın FESEM, EDS ve XRD cihazları ile karakterizasyonlar yapılmıştır. 0,06 M derişimde hazırlanan hidrotermal çözeltinin 70 ºC sıcaklıkta 4 saat süresince uygulanması neticesinde pamuk kumaş yüzeyinde tek bir merkezden saçılan çiçek formunda nanoçubuklar biriktirilmiştir. Pamuk kumaşların ZnO çiçek formunda nanoçubuklar ile kaplanması neticesinde funguslara karşı dirençli yani antifungal özelliğe sahip kumaş yüzeyleri elde edilmiştir.
Collision avoidance and crash mitigation via intelligent steering intervention

( 2020) Şahin, Hasan ; Akalın, Özgen ; 636992 ; Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

The first aim of the thesis is to reduce the collision in traffic accidents or to mitigate the collision when it can not be reduced. Collision reduction can be achieved by braking in the first place. However, a suitable distance is required to achieve braking. In this thesis, the steering escape maneuver is processed instead of braking. The distance required for steering escape maneuver is less than the distance required for braking if the relative speed between vehicles is greater than 50 km/h. Therefore, at high speeds, if the braking distance is missed, the steering escape maneuver should be considered. For the steering escape maneuver, lane identification must be made in the transition to the side lane. After the lane definition has been made, the stability limits of the vehicle should also be taken into account in order to change the lane appropriately. Stability limits vary from vehicle to vehicle. In this thesis, the stability limits of different types of vehicles are considered by using various tools in the related simulation programs. The stability to be considered in the escape maneuver is the lateral stability. Verification of lateral stability is very important. We can only do this using a nonlinear simulation model. Nonlinear conditions are also mentioned in the simulations. The next step in the escape maneuver is to properly control the escape lane. It should also be checked whether the strip is suitable for passing. There are various systems for controlling this. In the simulations, the simulations have been completed by considering some of these systems. The whole thesis consists of four separate chapters. In the first part of the thesis, an adaptive trajectory control (ATC) in case of a sudden change in μmax (maximum road friction coefficient) during an emergency lane change manoeuvre is explained. The ATC system was analysed in case of a sudden change in the maximum friction coefficient of road during an emergency lane change manoeuvre in order to maintain the driving safety. Autonomous front wheel steering (FWS) systems have been developed for emergency steering situations. The trajectory design is also a part of these systems. Moreover, in this study ATC has been designed by sensing μmax to complete the emergency steering manoeuvre successfully. Therefore, the originality of this work arises from the necessity of a trajectory change in case of a sudden change in μmax to minimize the distance between the desired and the actual path. Suitable cases were designed by using a two-track model in IPG/CarMaker (MATLAB/Simulink). Results show that ATC could be used during an emergency steering manoeuvre in case of a sudden decrease in μmax as it can be advantageous in certain critical traffic situations. Therefore, ATC could be used as an alternative system instead of Electronic Stability Program. In the second part of the thesis, a driver model supported by a rear wheel steering (RWS) assistance to minimize the distance between the desired path and actual path via steering "out-of-phase" during an emergency lane change maneuver is explained. Rear wheel steering (RWS) systems are commonly used to maintain vehicle lateral stability via steering "in-phase" at high speeds. Conventional RWS systems do not assist the driver to avoid rear-end collisions. However, in this study, a RWS assistance is proposed to avoid rear-end collisions. A driver model is supported by a RWS assistance via steering "out-of-phase" during an emergency lane change maneuver. The proposed RWS assistance uses a yaw rate feedback controller and a disturbance controller. A two-track vehicle model was used where experimental validation studies are widely available. The originality of this paper is using an intelligent RWS assistance to avoid rear-end collisions rather than improving the vehicle lateral stability. The results demonstrate that the intelligent RWS assistance supporting the driver model can both reduce rear-end collisions and also their impacts. The vehicle lateral stability can be maintained depending on the coefficient of road adhesion and distance to obstacle. In the third part of the thesis, the effectiveness of a steering warning system (SWS) for the decrease of tendency of emergency braking maneuvers is explained. The viability of an Emergency Steering Warning System was analysed to improve the safety of vehicles on highways traveling in the same direction. The proposed system evaluates the vehicle's physical limits, driver's reaction and assists in making the most logical decision to avoid a crash using a sound or a similar stimulus. Typical driving simulator events were designed in MATLAB/Simulink and IPG/CarMaker co-simulation environment. In the predetermined scenario, the leading vehicles suddenly move into the host vehicle's lane and the driver is expected to avoid crash by either steering or braking. The SWS system generates a sound stimulus when it is determined that the crash is unavoidable with the use of service brakes and the only way to avoid the obstacle is steering. The simulation events were performed by a group of participants using a driver simulator with and without the SWS system. The proposed SWS encouraged participants to do an earlier and smoother steering maneuver which can be advantageous in some certain critical traffic situations. The statistical results showed that the sound stimulus reduced the drivers' reaction time significantly and a number of accidents can be avoided by the suggested crash warning system. In the final part of the thesis, an articulated vehicle lateral stability management (AVLS) via active rear wheel steering of tractor using fuzzy logic and model predictive control is explained. In-phase rear wheel steering, where rear wheels are steered in the same direction of front wheels, has been widely investigated in the literature for vehicle stability improvements along with stability control systems. Much faster response can be achieved by steering the rear wheels automatically during an obstacle avoidance maneuver without applying the brakes where safe stopping distance is not available. Sudden lane change movements still remain challenging for heavy articulated vehicles, such as tractor and semi-trailer combinations, particularly on roads with low coefficient of adhesion. Different lateral accelerations acting on tractor and semi-trailer may cause loss of stability resulting in jackknifing, trailer-swing, roll-over or slip-off. Several attempts have been made in the literature to use active steering of semi-trailer's rear wheels to prevent jackknifing and rollover. However, loss of stability in an articulated vehicle is usually caused by an over-steered tractor, and the semitrailer's rear wheels have little effect on the tractor's directional control. In this study, viability of active rear wheel steering of tractor to maintain the stability of an articulated vehicle during a high speed obstacle avoidance maneuver is investigated. Two different controllers, fuzzy logic and linear model based predictive controllers are proposed to minimize off-tracking behavior of an articulated vehicle. The controllers were tested in IPG/TruckMaker environment with MATLAB/Simulink interface on roads with various coefficient of adhesions, performing single lane change maneuvers. The simulated results showed that jackknifing occurring right after sudden lane changes can be successfully prevented using tractor's active rear wheel steering based on model predictive control algorithm when the feedback gains are tuned correctly.
Fabrication and characterization of hybrid nanofiller reinforced polyurethane nanocomposites

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Navidfar, Amir ; Trabzon, Levent ; 695278 ; Makina mühendisliği

Polyurethane (PU) foams, which are economic due to their low density, low cost and easy processability, are frequently used in a wider range of applications, such as insulation goals, automotive and electronic industries. However, their applications are limited because of some poor properties. Nanomaterials were generally used to enhance desired properties of polymeric matrices. Combining varied nanofillers with dissimilar dimensions can lead to synergy through effective dispersion. Carbon-nanofillers are known for improving the desired properties of polymers. The dispersion quality of nanofillers in the matrix is vital for the fabrication of high-performance nanocomposites. Hybrid nanocomposites possess better properties in comparison with conventional nanocomposites that lead to the formation of an effective network. The thesis is composed of seven chapters and it is organized as follows: The first chapter will give a detailed literature survey and technical background for the research thesis and the last chapter is a concise but complementary conclusion with inspiring recommendations for future researches. The second, third and fourth chapters are a copy of published articles, where the following two chapters are complementary research findings as well as they are also articles in the press. In brief, the content of chapters related to research findings is to be given. In the second chapter, the effects of nanofiller addition into polyurethane on mechanical properties and thermal stability by means of tensile, Charpy impact, hardness tests, and thermogravimetric analysis were studied. Nanofillers added to polyurethane are multi-walled carbon nanotubes (MWCNT), two types of silica nanoparticles, and MWCNT/silica as hybrid fillers. Hybrid polyurethane/silica/MWCNT nanocomposite with the constant overall content of 0.75 wt% showed higher tensile strength, hardness, and thermal stability than either of nanofillers at this content, which approves a synergistic effect between multi-walled carbon nanotubes and silica nanoparticles. In the third chapter of the dissertation, micromechanical modeling and mechanical properties of PU hybrid nanocomposite foams with MWCNTs and graphene nanoplatelets (GNPs) were investigated through tensile strength, hardness, impact strength and modified Halpin–Tsai equation. Three types of GNPs, with varied flake sizes and specific surface areas (SSA), were utilized to study the effect of GNP types on the synergistic effect of MWCNT/GNP hybrid nanofillers. The results indicate a remarkable synergetic effect between MWCNTs and GNP-1.5 (1:1) with a flake size of 1.5 μm and a higher SSA (750 m2/g), which tensile strength of PU was improved by 43% as compared to 19% for PU/MWCNTs and 17% for PU/GNP-1.5 at 0.25 wt% nanofiller loadings. The synergy was successfully predicted using a unit cell modeling, which the calculated values agree with the experimental results. Combining various carbon nanofillers with different dimensions can lead to a synergistic effect through the formation of an efficient conductive network. In the fourth chapter, hybrid PU nanocomposites containing MWCNTs and GNPs were fabricated to study experimental and theoretical aspects of thermal conductivity (TC) enhancement. The optimization of hybrid nanofillers combinations was done to synergically enhance the TC using various types of graphene, nanofillers concentrations and ratios. A synergistic thermal conductivity improvement with MWCNTs and GNPs was confirmed at low nanofillers contents. The TC of hybrid nanocomposite at 0.25 wt% is approximately equivalent to the TC of individual nanofillers at 0.75 wt%. An analytical model for the effective thermal conductivity of single and hybrid nanocomposites was considered with variables of volume fraction, interfacial thermal resistance, straightness of the nanofillers and the percolation effect, in which the predictions of the modified models agreed with the experimental results. In the fifth chapter, an effective approach for improving dispersion states of MWCNTs and GNPs was employed via hybrid inclusion of the nanofillers in polyurethane matrix to further enhancing viscoelastic properties. Nanocomposites based on MWCNTs, two groups of graphene and hybrid MWCNT/graphene with varied weight fractions and ratios were fabricated via a simple, quick and scalable approach. Dynamic mechanical analysis results indicated an improvement of up to 86% in storage modulus at 25ºC for hybrid MWCNT/GNP-S750 at only 0.25 wt% loading, whereas solely MWCNTs and graphene nanocomposites showed 9% and 15% enhancement at the same content, respectively. The glass transition temperature value was enhanced by about 9.5 ˚C with 0.25 wt% inclusion of well-dispersed three-dimensional MWCNT/GNP-S750 structure, which disclosed a noticeable synergistic effect in thermomechanical properties. In the sixth chapter of the study, the acoustic and dielectric properties of PU hybrid nanocomposites were investigated. PU containing MWCNT and GNPs were used to evaluate the effects of single and hybrid nanofillers on the final properties of nanocomposites. The results showed a synergistic effect between nanofillers, in which the hybrid nanocomposites exhibit better performance, relative to the single inclusion of the nanofillers. These hybrid nanofillers improved dispersion quality in the polymer matrix due to the formation of a GNPs/CNTs 3D architecture, in which acoustic transmission loss and dielectric constant of PU were enhanced by about 51% and 13% at 0.25 wt% loadings, respectively. The overall properties of the hybrid nanocomposite revealed the superiority over the single nanofiller system in multifunctionality, evaluated by a performance index. Finally, to compare diverse nanocomposite systems, the performance index (PI) formula was introduced that is based on mechanical, thermal, acoustic and dielectric results of nanocomposites, in which PU with hybrid GNPs/CNTs showed higher PI compared to single GNPs and CNTs, approving its higher multifunctionality. The high multifunctionality of the hybrid nanocomposites in comparison with single nanofiller included nanocomposites reveals the superiority of the hybrid approach that is appropriate for a wide range of applications.
Hareketli yüklere maruz çatlaklı yapıların dinamik analizi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021-09-23) Bulut, Cihat Oytun ; Kurt, Habiboğlu, Serpil ; 503112025 ; Makina Mühendisliği

Hasarlı olsun ya da olmasın, hareketli yük altındaki yapılar geleneksel araştırma alanlarındandır. Mühendislik yapılarına savunma, uçak-uzay sanayinde, köprüler ve krenlerde, demir yolu mühendisliği gibi çok çeşitli alanlarda rastlanmaktadır. Hareketli yük probleminin incelenmesi, mühendislik yapılarının servis ömürlerinin öngörülmesi ve yapıların stabilitelerinin belirlenmesine olanak sağlaması bakımından son derece önemlidir. Hareketli yük altındaki çatlaklı yapıların dinamik analizi birçok araştırmacı ve bilim insanı tarafından incelenmiştir. Bazı araştırmacılar yapının dinamik davranışının belirlenmesine odaklanırken bazıları ise yapının dinamik tepkisi üzerinden çatlakların tespiti konusunda çalışmışlardır. Bu çalışmada hareketli yük etkisi altındaki hasarlı yapıların dinamik davranışı incelenmiştir. Bu kapsamda, çatlak derinliği, çatlak lokasyonu gibi çatlakla ilgili özelliklerin yanı sıra hareketli yükün kütlesinin ve hızının da yapının düşey doğrultudaki yer değiştirmelerine etkileri detaylı olarak araştırılmıştır. Çalışmayı bölüm bazında incelemek gerekirse, 1. bölümde hareketli yük etkisi altındaki çatlaklı yapılar hakkında literatürdeki mevcut bilgiler taranmış olup bir özet şeklinde bu bilgiler sunulmuştur. Hareketli yüklere maruz çatlaklı yapılarla ilgili teorik, deneysel ve SEM ile yapılan çalışmalar incelenmiş, hareket denklemlerinin elde edildiği farklı yöntemler ele alınmıştır. Bölümün sonunda çalışmanın amacı belirtilmiş ve tez planı açıklanmıştır. Çalışmanın 2. bölümünde teorik model oluşturulmuş ve numerik örneklerle model detaylı olarak incelenmiştir. Çatlak çeşitlerinin sınıflandırılması yapılmıştır. Çalışma kapsamında enine ve açık çatlak içeren kirişler ele alınmıştır. Hareketi yöneten diferansiyel denklemin elde edilmesinde yararlanılan yardımcı fonksiyonlardan Dirac delta fonksiyonu ve dik fonksiyonlar anlatılmış, ortogonalite ve ortonormalite prensiplerinden bahsedilmiştir. Yapı dinamiğine ait temel kavramlar özetlenmiştir. Hareket denklemleri Duhamel integrali ile çözülmüştür. Bu nedenle bu bölümde Duhamel integrali teorik olarak açıklanmış, tek serbestlik dereceli bir sistemde Duhamel integrali sayısal olarak hesaplanmıştır. Hareket denklemlerinin direk sayısal integrallenmesi ve tek serbestlik dereceli sistemin lineer olmayan tepkisi de incelenmiştir. Newmark metodu detaylı olarak açıklanmıştır. Doğrudan integrasyon metotları ise özet şeklinde verilmiştir. Bu çalışmada SEM ile analizde Newmark doğrudan integrasyon metodu kullanılmış olup her koşulda stabil olan ortalama ivme metodu ele alınmıştır. Hareketli kütlenin çatlaklı kiriş üzerindeki hareketi esnasında oluşan zamana bağlı çökmeler farklı sınır şartlarını haiz kirişlerde incelenmiştir. Bu bağlamda çatlaklı konsol kiriş, çatlaklı basit mesnetli kiriş ve çatlaklı ankastre mesnetli kiriş araştırılmıştır. Öncelikle hareketi yöneten denklemler elde edilmiş ve Duhamel integrali ile hareket denklemleri çözülmüştür. MATLAB'da oluşturulan kodla numerik çözümler yapılmıştır. Hareket denklemleri çift çatlaklı konsol kiriş için elde edilmiş ve üç çatlaklı konsol kirişe uyarlanmıştır. Farklı çatlak derinliği ve çatlak lokasyonlarına sahip muhtelif çatlak senaryoları numerik olarak incelenmiş ve kirişteki çökme-zaman grafikleri çizdirilmiştir. Çatlaklı basit mesnetli ve çatlaklı ankastre mesnetli kirişler için farklı çatlak konfigürasyonlarında detaylı bir inceleme yapılmıştır. Analizlerde iki farklı hareketli kütle ve üç değişik hız ele alınmıştır. Bölümün sonunda deneysel çalışmadan elde edilen verilerle numerik çalışmaya ait veriler karşılaştırılmış, toplam ortalama hata yüzdesi hesaplanmıştır. Deney verileri ile numerik çalışma sonuçlarının yakınsadığı tespit edilmiştir. Hasarlı konsol kiriş, hasarlı basit mesnetli kiriş ve hasarlı ankastre mesnetli kiriş için elde edilen sonuçlar yorumlanmıştır. Sonlu elemanlar metodu ile dinamik analizin gerçekleştirildiği 3. bölümde yararlanılan analiz metodu açıklanmıştır. ANSYS programı kullanılarak çift çatlaklı konsol kiriş, çift çatlaklı basit mesnetli kiriş ve çift çatlaklı ankastre mesnetli kirişlerin modal analizi gerçekleştirilmiştir. Çatlaklı yapıların birinci, ikinci ve üçüncü mod şekilleri elde edilmiştir. Çatlaklı kirişlerin frekansları belirlenip çatlaksız durumlarla kıyaslanmış ve frekans oranları hesaplanmıştır. ANSYS'te yapısal dinamik analizin adımları detaylı olarak anlatılmıştır. Bölüm sonunda SEM ile elde edilen sonuçlarla deney sonuçları karşılaştırılmıştır. Veriler çizelge olarak paylaşılmış, modelin gerçeğe çok yakın olduğu görülmüştür. Ayrıca numerik, SEM ve deneysel çalışma ile elde edilen çökme verileri karşılaştırmalı grafikler şeklinde verilmiştir. 4. bölümde deneysel çalışma detaylı olarak açıklanmıştır. İTÜ Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği'ne ait Güç, Hareket ve Proses Kontrol (Rockwell Automation) Laboratuvarında deneyler icra edilmiştir. Deneylerde kullanılan kirişlerdeki çatlaklar CNC makinasında oluşturulmuştur. Kütleye hareket A/C elektrik motoru ile verilmiştir. Sürücü üzerindeki düğme ile hız ayarı yapılabilmektedir. Kütle ile motor arasındaki bağlantı ip ile sağlanmıştır. Hareket esnasında motorun sabit ve ipin gergin kalmasına azami dikkat edilmiştir. Kütlenin çatlaklı kirişin bir ucundan diğer ucuna hareketi esnasında kiriş altına yerleştirilen lazer sensörleri aracılığıyla elde edilen deplasmanlar kontrolör üzerinden bilgisayara aktarılmaktadır. Lazer sensörler düşey konumda destek ile sabitlenmiştir. Verilerin elde edilmesinde RSLogix5000 programı kullanılmıştır. Veriler belirlenen örnekleme zamanları ile düşey yer değiştirme (cm) zaman (s) şeklinde .xls formatında elde edilmiştir. Deneylerde kullanılan kirişler lama profilde olup malzeme olarak yapı çeliği seçilmiştir. Çatlak konfigürasyonları numerik ve SEM'de kullanılan senaryolarla aynıdır. Deneyler çift çatlaklı konsol kiriş, çift çatlaklı basit mesnetli kiriş ve çift çatlaklı ankastre mesnetli kirişler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçların numerik ve SEM çalışmaları ile elde edilen sonuçlarla örtüştüğü gözlemlenmiştir. Tezin son bölümü olan 5. bölüm, yapılan çalışmaların özeti ve elde edilen verilerin yorumlanması niteliğindedir. Hareketli yüklere maruz çatlaklı yapıların dinamik davranışına çatlak derinliğinin, çatlak pozisyonunun, hareketli yükün kütlesinin ve hızının etkileri tartışılmıştır. Son olarak, yapılan çalışmaların değerlendirilmesi ile birlikte gelecek çalışmalar için önerilerde bulunulmuştur.
Numerical investigation of heat transfer by natural convection from perforated rectangular fin heatsi̇nks for various inclination angles

(Graduate School, 2022) Kaya, Halil ; Gür, Mert ; 721126 ; Department of Mechanical Engineering

It is a fact that all devices produce waste heat during their operation. This produced waste heat must be removed from devices in order to ensure the proper operation of devices. Otherwise, devices would be over heated or even burnt. There are many possible ways of dissipating waste heat from devices in today's industry. These systems are generally called as cooling systems. The cooling systems can be divided into two main categories as active cooling systems and passive cooling systems. Both of them are widely used in industry according to application needs. Both have their own pros and cons, which makes it very important to choose the most suitable cooling system for application. Heat transfer mechanism of active cooling systems is based on forced convection. In these systems circulation of cooling fluid is generated via external fan or blower type devices in order to boost the heat transfer rate, which cause them to be energy dependent systems. They are widely used in electronic devices. Their main advantage over the passive cooling system is that they can achieve higher cooling capacities. The main disadvantage of the active cooling system is their need of energy in order to operate accompanied devices (as fan or blower). This energy requirement increases the cost of cooling system, risk of failure and their noise level. In passive cooling systems, heat transfer is provided by natural convection. In these systems, movement of cooling fluid is generated by the density changes within the cooling fluid that caused by temperature gradients. They are easy to manufacture and also cost effective systems. Since they don't include any moving part, their risk of failure and noise levels are less than the active cooling systems. They don't require any extra energy source in order to operate as in case of active systems. However, their cooling capacity is lower than the active cooling systems but with the help of proper design it can be enhanced drastically. Application of increasing the heat transfer area by using the extended surfaces is widely used approach in passive cooling systems in order to increase heat transfer capacity. Pin heatsinks and plate fin heatsinks are most common two examples of passive cooling systems. In the scope of this study, plate fin heatsinks will be examined closely. Plate fin heatsinks are comprehensively studied subject in literature. The effect of fin height, fin spacing, fin thickness and many other parameters on thermal performance of heatsink have been examined in various studies. Since the direction of flow in natural convection is dependent on the direction of gravity, the thermal performance of plate fin heat sinks is greatly affected by the angle of inclination. It is known that by the proper perforation of plate fin heatsink, thermal performance of heatsink can be increased significantly.
Havuz kaynamasında bir mikro oyuktaki kabarcıklanmanın incelenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-04-14) Tetik, Tuğba ; Uralcan, İ. Yalçın ; 503112021 ; Makina Mühendisliği

Dünyadaki enerji kaynaklarının azalması, mevcut kaynakların daha verimli kullanılması üzerine yapılan çalışmaların önemini artırmaktadır. Isı geçiş miktarının iyileştirilmesi üzerine yürütülen çalışmalar da bu kapsamda yer almaktadır. Yüzeyden ısı çekilmesi/soğutulması için en etkin ısı geçiş yöntemlerinden biri olan kaynama olayı, güç üretim sistemlerinden günlük yaşama kadar geniş bir uygulama alanına sahiptir. Bu sebeple, bu alanda yapılacak herhangi bir iyileşme, enerjinin verimli kullanımı ve ekonomi açısından olumlu etkilerde bulunacaktır. Kaynama ısı geçiş iyileştirme yöntemleri aktif ve pasif yöntemler olmak üzere iki bölümde incelenmektedir. Aktif yöntemlerde genellikle yüzeye ve akışkana dışarıdan müdahale edilirken, pasif yöntemlerde yüzey yapıları üzerinde çalışılmaktadır. Bununla birlikte kabarcıkların rastgele hareketleri ve birbirleri ile olan etkileşimleri ısı geçiş performansını etkilemektedir. Kabarcıklanma olayının gerçekleştiği oyukların kaynama olayındaki ısı geçişine etkisinin anlaşılabilmesi, kaynama yüzeyi ve sistem ölçeğinde doğru çözüme ulaşılması açısından önemli bir adımı oluşturmaktadır. Bu çalışmada öncelikle gerçek yüzey yapısının etkilerinin en aza indirilerek kaynama olayına etki eden bilinmeyen parametrelerin sadeleştirilmesi amacıyla düz bakır yüzey üzerinde deneyler yapılmış ve yüzeyin havuz kaynama eğrisi elde edilmiştir. Daha sonra oyukların ısı geçişine etkisini araştırmak amacıyla üzerinde tek bir oyuğun bulunduğu ve 0.5 mm ve 2 mm aralıklarla yerleştirilmiş yapay oyukların bulunduğu üç ayrı yüzey daha oluşturulmuştur. Deneyler, yeni yüzeyler için aynı ısı akısı aralığında tekrarlanarak yapay oyukların ısı geçişine etkisi incelenmiştir. Kurulan deney tesisatında, aynı zamanda kabarcıklanma çevrimi ve kabarcık davranışları gözlemlenmiş, kabarcığın yüzeyden ayrılma çapı ve frekansı ölçülmüştür. Havuz kaynamasında gerçekleşen ısı miktarının belirlenmesi amacıyla yarı-ampirik bir matematik model geliştirilerek, sonuçlar deney verileri ile karşılaştırılmıştır. Isı geçiş mekanizmaları, etkin oldukları alanlar ile birlikte değerlendirilip modele dahil edilirken, ısı geçiş yüzeyi özellikleri deney verilerinden alınmıştır. Sayısal çalışma kapsamında, düz yüzeyde ve konik biçimli bir kaynama odağında gerçekleşen kabarcıklanma olayı iki boyutlu modellenmiştir. Yapılan analizler sonucunda elde edilen kabarcık büyüme eğrisi, çapı ve şekli deneysel veriler ile ilişkilendirilerek sayısal modelin geçerliliği değerlendirilmiştir.
Aktif ve pasif kontrol yöntemlerinin radyal kompresör performansı üzerindeki etkilerinin sayısal incelenmesi ve optimizasyonu

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-05-14) Ak, Süleyman Emre ; Çadırcı, Sertaç ; 503152026 ; Makina Mühendisliği

Doktora tezi kapsamında bir radyal kompresör geometrisi üzerinde aktif ve pasif akış kontrol yöntemleri HAD yöntemi ile incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Uygulanan akış kontrolü çalışmalarının radyal kompresörlerin performans, verim ve operasyon aralıkları üzerine olan etkileri farklı kompresör çalışma durumlarında modellenmiştir. Çalışmalarda UTRC'nin NASA kontratı ile geliştirdiği, ürettiği ve testlerini gerçekleştirdiği açık kaynaklı HECC geometrisi üzerinde çalışılmıştır. UTRC tarafından hazırlanan raporda HECC geometrisinin koordinatları kullanılarak geometri tekrar oluşturulmuştur. HECC geometrisi çark, yayıcı ve çıkış yönlendiricisi olmak üzere üç kanat sırasına sahiptir. Oluşturulan geometri üzerinde farklı çözüm ağı yoğunlukları, farklı zaman adımları ve farklı türbülans modelleri test edilerek deneysel çalışmalar ile modellemeler arasındaki farklar karşılaştırılmıştır. İdeal modelleme koşulları bulunduktan sonra kompresörün farklı çalışma şartlarında analizleri gerçekleştirilmiştir. Kompresör çalışma eğrilerinin çıkartılmasından sonra akış kontrolü çalışmalarında kullanılmak üzere kompresörün stola girdiği debi ve bir çalışma debisi belirlenmiştir. Kompresör üzerinde gerçekleştirilen akış kontrol çalışmaları üç ana başlıkta yapılmıştır. Bunlar akışkan bazlı aktif akış kontrolü, değişken açılı kanat çalışması ve kompresör davlumbaz iyileştirme çalışmalarıdır. Kompresör üzerinde gerçekleştirilecek olan aktif akış çalışmasına başlamadan önce kontrol edilmek istenen kompresör çalışma durumlarındaki akış yapıları incelenerek akışkan bazlı aktüatörlerin konumları belirlenmiştir. Bu bölümde yayıcı ve çıkış yönlendirici kanatları üzerinde belirlenen aktüatörlerin çapları, debileri, emme veya üfleme yapmaları parametrik olarak incelenmiştir. Emme akış kontrolü yönteminin kompresör üstünde hem stol durumunda hem çalışma durumunda faydalı olduğu görülmüştür. Değişken açılı kanat çalışması ana ve yardımcı yayıcı kanatları üzerinde gerçekleştirilmiştir. Yayıcı kanatları merkez noktalarından artı ve eksi 5° arasında döndürülerek farklı kanat açılarının etkisi incelenmiştir. Yayıcı kanatları eksi dereceye çevirmek akış alanını daraltmakta, kanatları artı derecede çevirmek akış alanını genişletmektedir. Beklenildiği üzere kanatlar eksi derecedeyken kompresör daha düşük debilerde, artı derecedeyken daha yüksek debilerde çalışma performansı artış göstermektedir. Diğer yöntemler ile karşılaştırıldığında değişken açılı kanat kullanımı en iyi performansı ve verimi sağlamasa da kompresör operasyon aralığını en fazla artıran yöntem olmuştur. En son olarak davlumbaz üzerinde iyileştirme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Bu bölümde ilk bir geri dönüş kanalı tasarımı gerçekleştirilmiş ve modellemesi yapılmıştır. Yapılan analiz çalışmalarında kompresörün stol durumundaki akış yapısının geri dönüş kanalına uygun olmadığı anlaşılmıştır. Bu yüzden bir başka davlumbaz iyileştirme yöntemi olan yiv eklentisi denemeleri gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmalarda davlumbaz üzerinde oluşturulan yiv eklentilerinin yüksekliği, konumları, sayıları ve aralarındaki mesafe parametrik olarak değiştirilerek kompresör performansı üzerindeki etkileri karşılaştırılmıştır. Stol durumunda iyi performans gösteren yiv eklentileri kompresör daha yüksek debide çalışmaya başladığında avantajını kaybetmekte ve mevcut durumun daha altında kalan bir performans göstermektedir. En son bölümde denemeleri yapılan akış kontrol yöntemleri birbirleri ile karşılaştırılmış ve öneriler yapılmıştır.
Dizel makinanın makina öğrenmesi yöntemi kullanılarak modellenmesi ve karar-destek mekanizması oluşturulması

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-09-14) Şahin, Tolga ; İmrak, Cevat Erdem ; 503152013 ; Makina Mühendisliği

Deniz araçlarının kullanımı hem ticari hem askeri açıdan tarih boyunca toplumların önem verdiği konulardan birisi olmuştur. Günümüz ihtiyaçları doğrultusunda deniz araçlarının yüksek faaliyet oranı ve düşük maliyet ile sürdürülebilir şekilde işletilmesi daha da önem kazanmıştır. Bir deniz aracında bu isterlerin sağlanabilmesi için en çok dikkat edilmesi gereken kısım ise gemi ana makinalarıdır. Gemi ana makinalarında ortaya çıkabilecek arızalar, gemilerin uzun süre arızalı kalması ve/veya yüksek maliyetli onarım ihtiyaçlarının ortaya çıkmasıyla sonuçlanabilir. Gemi ana makinalarındaki arızaların hızlı tespiti makinanın güvenirliğinin artmasına ilave olarak, daha büyük arızaların oluşmasını engellemeyi ve gemilerin çalışmasının kesintiye uğramadan devam etmesini sağlar. Ticari ve askeri maksatlar dışında gemilerin bir diğer önemli kullanım alanı da ülke sınırları içerisindeki toplumsal düzenin sağlanmasıdır. İnsan hayatını kurtarmak, doğal kaynakları korumak, deniz kirliliğini önlemek ve kaçakçılıkla mücadele gibi geniş bir görev yelpazesine sahip olan Sahil Güvenlik Komutanlığı gemilerinde de diğer birçok askeri ve ticari gemide olduğu gibi dizel ana makinalar kullanılmaktadır. Ana makinaların her zaman sorunsuz çalışması ve gemilerin görevlerini yerine getirirken hızlı tepki verebilmeleri için arızaların hızlı ve erken tespit edilmesini ve maliyetli veya onarımı uzun süren arızaların önlenmesini sağlamak kritik öneme sahiptir. Gelişen teknolojiye paralel olarak, gemi dizel makinalarının arıza tespitinde farklı yöntemler kullanılmaktadır. Derin öğrenme, yapay zekâ, makina öğrenmesi gibi yenilikçi ve gelişen bilişim teknolojileri uygulamaları makinalarda meydana gelebilecek arızaların hızlı tespit ve teşhisini kolaylaştıran uygulamalardır. Bu tezde, dört zamanlı yüksek devirli bir gemi dizel makinasının sistem arızalarının etkin bir şekilde tespit ve teşhis edilebilmesi için makina öğrenmesi algoritmaları ile akıllı teşhis yöntemlerinin geliştirilmesi ve uygulanması incelenmiştir. Ayrıca, gemi dizel makinasından gerçek zamanlı elde edilen verilere dayalı makina öğrenmesi tabanlı çok sınıflı sınıflandırma modeli oluşturulması, oluşturulan modelin makina öğrenmesi algoritmaları kullanılarak analizlerinin yapılması ve makina sistem arızalarına yönelik bir karar-destek mekanizması oluşturulması hedeflenmiştir. Bu çalışma temel olarak on bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde, genel olarak makina öğrenmesi ve dizel gemi makinası arıza teşhis yöntemleri hakkındaki literatür ile tezin amacı ve yapısı hakkında bilgilendirmeler yapılmıştır. İkinci bölümde, dört zamanlı yüksek devirli gemi dizel makinası ve çalışma prensibi genel hatlarıyla tanıtılmış ve çalışmada irdelenecek sistemler anlatılmıştır. Üçüncü bölümde, dört zamanlı yüksek devirli bir gemi dizel makinasinın çalışma parametreleri, arıza teşhisi ve arıza takip sistemi anlatılmıştır. Toplanan verilerden bilgi elde edilmesine yönelik olarak kullanılabilecek yöntemler dördüncü bölümde tanıtılmıştır. Bu bölümde, veri madenciliği, makina öğrenmesi ve veri sınıflandırma yöntemleri anlatılmıştır. Beşinci bölümde, veri analizlerinde kullanılacak araçlar ve analiz süreci anlatılmıştır. Çok sınıflı sınıflandırma probleminin çözümünde kullanılacak makina öğrenmesi algoritmaları altıncı bölümde tanıtılmıştır. Yedinci bölümde, yapılan analizleri geliştirmek için uygulanan topluluk yöntemleri hakkında bilgilendirme yapılmıştır. Yapılan analizlerin değerlendirilmesine yönelik olarak uygulanacak süreç, kullanılacak performans değerlendirme yöntemleri ve metrikleri sekizinci bölümde tanıtılmıştır. Dokuzuncu bölümde, uygulamaları ve elde edilen sonuçları içeren araştırma sürecinin metodolojisi sunulmuştur. Son bölüm olan onuncu bölümde ise, analizlerden elde edilen sonuçlar yorumlanmıştır. Bu çalışmada öncelikle, gemi dizel makinası üzerinde mevcut, programlanan limitlerinin dışına çıkılması durumunda sesli ve/veya görsel alarmlar gönderen sensörlerden alınan gerçek zamanlı değerler ve gemi jurnalleri kullanılarak bir veri seti oluşturulmuştur. Bu veri seti; normal çalışma durumu, yanma/egzoz sistemi arızaları, soğutma sistemi arızaları ve yağlama sistemi arızalarını içeren dört sınıf içermektedir. Sonrasında, veri ön işleme sürecine geçilmiştir. Modelin oluşturulmasında kullanılacak veriler, uygulanacak makina öğrenmesi sürecine uygun hale getirilmiş, anlamlı veriler modele dahil edilip diğer veriler ise veri setinden çıkarılmıştır. Araştırmada, bu çok sınıflı sınıflandırma probleminin çözümüne yönelik olarak uygun makina öğrenmesi modeli oluşturulmuştur. Analizler, her durumda sınıf hedefini doğrulukla tahmin etmek için makina öğrenmesi sınıflandırma tekniği kullanan, makinanin limitleri dışında kalan çalışma parametreleri verilerini analiz eden Python dilinde hazırlanmış veri madenciliği aracıyla gerçekleştirilmiştir. Farklı makina öğrenmesi sınıflandırma yöntemlerinin performansını incelemek maksadıyla, on üç temel makina öğrenmesi algoritması modele uygulanmış ve performansları değerlendirilmiştir. Bu on üç temel makina öğrenmesi algoritmasının performans değerlendirmelerinde; Hata Matrisi, Sınıflandırma Raporu, Tahmin Hatası, Öğrenme Eğrisi ve performans metrikleri kullanılmıştır. Hafif Gradyan Artırma Makinasi'nin modeli oluşturmak için diğer başarılı algoritmalara göre nispeten kısa bir süre ile en verimli ve doğruluk puanı yüksek performansa sahip olduğu belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde, yedi temel algoritmanın (Hafif Gradyan Artırma Makinası, Rastgele Orman, Gradyan Artırma, Ekstra Ağaçlar, Karesel Diskriminant Analizi, Karar Ağacı ve K-en Yakın Komşu) Doğruluk değerleri %95,74 ile %97,73 aralığında değişirken, F-ölçütü (F1) değerlerinin de %95,92 ve %98,03 aralığında değiştiği belirlenmiştir. Ancak, Naive Bayes (%48,63 Doğruluk, %61,33 F1) ve AdaBoost (%64,74 Doğruluk, %69,47 F1) algoritmalarının sonuçları, başlangıç hesaplamalarında tüm algoritmalar arasında en kötü performansa sahip algoritmalar olduklarını göstermiştir. Temel makina öğrenmesi algoritmalarının performanslarını artırmak için, hiperparametreleri iyileştirildikten sonra Torbalama ve Harmanlama topluluk yöntemleri analizlere ilave edilmiştir. Topluluk yöntemlerinin analizlere ilave edilmesi sonrası performans kontrolleri, Doğruluk ve Duyarlılık ile Kesinlik performans metriklerinin harmonik ortalaması olan F-ölçütü kullanılarak yapılmıştır. Değerlendirmelerde model kurulum süreleri de dikkate alınmıştır. Torbalama topluluk yönteminde, uzun bir model kurulum süresi gerektirmesine rağmen, Gradyan Artırma algoritması %98,31 Doğruluk ve %98,08 F1 değerleriyle en başarılı sonuçları elde etmiştir. Gradyan Artırma algoritmasının Doğruluk değerinde yaklaşık %0,4 oranında bir artış gözlemlenmiştir. Ayrıca, model kurulumu için oldukça uzun zaman gerektirmesiyle birlikte, Doğruluk değerinde yaklaşık %45 oranında artış sağlayan AdaBoost algoritmasının en dikkat çekici performansı sergilediği belirlenmiştir. Harmanlama topluluk yönteminde ise, Gradyan Artırma ve Rastgele Orman algoritmalarının harmanlanması sonrası, oldukça kısa bir model kurulum süresi (86 saniye) ve %98,63 Doğruluk ile %98,43 F1 performans değerleri elde edilmiştir. Sonuç olarak, dört zamanlı yüksek devirli bir gemi dizel makinasının arıza teşhisine odaklanan bu çok sınıflı sınıflandırma probleminin en başarılı çözümü Harmanlama topluluk yöntemi kullanılarak Gradyan Artırma ve Rastgele Orman algoritmalarının birlikte uygulanmasıyla elde edilmiştir.
Investigation of acoustic and dynamic properties of weatherstrips used in vehicle doors

(Graduate School, 2022-10-13) Saf, Orçun ; Erol, Haluk ; 503102007 ; Mechanical Engineering

Today, a rapid transformation is taking place in the automotive industry. Users' expectations of vehicles are changing and diversifying. Increasing expectations for acoustic performance and redefining sealing elements to meet these expectations are among these changes. Acoustic harmony inside the vehicle, provided with a balance between the drivetrain, road and wind noise is no longer valid. Preventing wind noise, which is no longer adequately masked, has become very important for vehicle acoustics studies. Another factor that causes wind noise to become dominant is that the average cruising speed of vehicles is increasing day by day. With the increase in mobility and new technologies, cruise speed is increased, which makes wind noise important to be reduced. As a result of new technological innovations, changes have occurred in the vehicle architecture, and different aerodynamic noise sources have been reduced with applications such as mirrorless vehicles. It has become more important to prevent the transmission of wind noise into the interior cabin. Door closure and glass run channel systems are two important paths for noise transmission into the cabin. Considering the changes that have taken place in the last ten years, door closure systems need to be improved in terms of their acoustic performance. Another significant trend is electrification in the automotive industry. Within the scope of both electrification and sustainability studies, the weights of vehicles and sub-systems such as doors, hoods and trunks are gradually decreasing. This situation caused the increase of tolerance for mounting the subsystems to the body, and the vibration amplitudes are increased. In order to investigate and improve the acoustic performance of the sealing systems, it is necessary to reveal both the polymer material properties of these structures and the shape properties with unique geometries, and the dynamic properties related to those need to be analysed. The materials used in sealing systems are polymers with high elasticity, having low elastic modulus and high yield strains. With these properties, they are generally expressed as elastomers. Elastomer materials show nonlinear stress-strain behaviour. In addition to these features, they are viscoelastic materials and may have very high damping values. Since these materials are mainly produced by the extrusion method in sealing systems, they have non-isotropic properties. Their structures mainly depend on polymer compounding recipes for each product and their mechanical properties vary significantly according to process conditions. All these properties specific to elastomers are critical features for investigation of acoustic performance studies. This thesis investigated acoustic properties of sealing systems and the specific properties of polymer materials used in these systems. Analytical methods, numerical calculation methods and experimental methods are utilized to carry out these studies. Acoustic performance properties determined depending on both the material structure and the geometric structure have been investigated in detail. The first phase studies aim to develop a numerical modelling method that can be used in both academic and industrial fields for sealing system investigations. For this purpose, two different finite element models of the sealing system were developed. In the first model developed, the deformation after door closing was obtained using the materials' non-linear hyperelastic properties. Then, a dynamic material model was created to calculate modal properties and acoustic performance using deformed geometry. The noise source, transmission path, air cavity and elastomer material properties are included in this model by considering the theoretical principles. An acoustic measurement setup has been developed to be used in the validation studies of this model. With this setup, the sound transmission loss values of a sealing profile were measured by representing different door gaps on the closure of vehicles. After the validation of the finite element model, parametric studies were carried out and the factors affecting the acoustic performance were examined. The modal behaviour of the partitions forming the geometry of the sealing elements was investigated. The relationship between dynamic vibration behaviour and acoustic properties was revealed. While carrying out these studies, the original structure of elastomer materials was considered, and hyperelastic and viscoelastic material measurements were made. An intermediate material validation step is described using impedance tube measurements for viscoelastic properties, increasing the study's novelty. In the second stage of studies, the viscoelastic properties of elastomer materials and the effect of these properties on sound transmission were investigated. The properties of porous and non-porous materials used in sealing elements were measured by the dynamic mechanical analysis method and results are explained. A characterization method has been developed by utilizing the relationship between sound transmission properties and their dynamic behaviour. In this characterization method, the elasticity and damping properties of the material, which vary according to the frequency spectrum are obtained using impedance tube measurements. The theoretical models for one-dimensional and two-dimensional sound transmission are explained, then the vibration equations of circular plates are presented. The surface integral was calculated with the analytical expressions obtained in closed form, the mechanical impedance was obtained depending on the frequency by using the plane wave approach, which is valid for the impedance tube, and the properties of the materials were determined by the reverse calculation method. As a result of the studies carried out in the second stage, it was determined that the influential factor in sound transmission in the sealing system is the resonance characteristics of the material walls. It has been determined that the dynamic behaviour in non-porous materials complies with the results of the circular plate theory. On the other hand, it was observed that the higher modes in porous materials are located between the modes of plate and membrane theory. These observations are included in the method by expressing them in terms of empirical coefficients of the calculations. A step-by-step calculation method is described for practical use as a test method for elastomers. The material test results were compared and the developed method was validated accordingly. This method, which is valid for the audible frequency range, is expected to be an alternative to the expensive and complicated material testing methods in acoustic studies. In the studies carried out in the third phase, the acoustic optimization of the sealing systems was performed. Both material properties and shape properties were examined, and the statistical design of experiment method was utilized. In this study, outputs obtained by numerical calculations are used as response data. Firstly, experimental validation of the numerical calculation methods is shown. Afterward, the effects of material properties on acoustic performance were investigated with both the full factorial design and the Taguchi experimental design method. Within the scope of this study, all dimensional variables that define the shape properties of a sealing element are expressed by parametric entities, then the effect of each parameter is analysed by the design of experiments method. In the studies, a robust optimization method is also considered by including both controllable variables (material and geometry) and uncontrollable variables (noise spectrum and door gap tolerance). As a result of the optimization, the parametric values in which respond best parameters are determined.
Jet motorlarında kullanılan yakıt enjektörlerinin çok fazlı akış karakteristiklerinin incelenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-10-26) Bal, Mustafa ; Böke, Yakup Erhan ; Ertunç, Özgür ; 503152022 ; Makina Mühendisliği

Bu tez çalışmasında jet motorlarında kullanılan basınçlı girdap tipi enjektörlerin çok fazlı iç akış ve sprey oluşumundan önceki dış akış karakteristikleri sayısal modelleme ve analiz yöntemi ile incelenmiştir. İlk aşamada literatürde yer alan sayısal analiz ve modelleme çalışmaları incelenmiştir. Literatür taraması sonucunda Euler fazında gerçekleştirilen iki ve üç boyutlu sayısal modelleme çalışmaları listelenmiştir. Özellikle enjektör iç bölgesi ve sıvı atomizasyonu gerçekleşene kadar olan akış alanlarının kapsamlı bir şekilde çalışılmadığı görülmüştür. Ayrıca, sayısal modelleme metotlarının farklı geometriler ve türbülans modelleri özelinde deneysel veriler de kullanılarak derinlemesine incelenmediği tespit edilmiştir. Bu çalışmada iki fazda anlatılmakta olan iki ve üç boyutlu HAD modelleme metotları deneysel veriler ve birbirleri arasında karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Analizler için ticari bir kod olan Ansys Fluent kullanılmıştır. 2. bölümde iki boyutlu eksenel simetrik HAD analiz metodu ile altı farklı geometri incelenmiştir. Bu kısımda iki denklemli türbülans modelleri, Reynolds gerilme modelleri, laminer ve hibrit RANS-LES modelleme metotları eksenel simetrik yapıda incelenmiştir. Türbülans modellerinin sprey oluşumu öncesi enjektör akış karakteristiklerinin doğru tahmininde ne kadar etkin olduğunu ölçebilmek için modelleme sonucu elde edilen CD ve toplam sprey açısı değerleri deneysel veriler ile karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, iki denklemli türbülans modelleri ile geometri değiştikçe tahminlerin kayda değer seviyede kötüleştiği tespit edilmiştir. Bunun büyük ölçüde yüksek hesaplanan türbülans viskozitesi ile teğetsel hız profilinin doğru hesaplanamamasından kaynaklandığı değerlendirilmiştir. Diğer taraftan, RSM-SSG modeli ile incelenen ilk 5 geometride beklenen akış davranışı elde edilmişken 6. geometride akış fiziği deneysel sonuçlarla uyumlu bir şekilde elde edilememiştir. RSM-BSL ve IDDES modelleri ile RSM-SSG modeline kıyasla daha iyi sonuçlar elde edilmiş olup tüm geometriler için akış fiziğine uygun sonuçlar yansıtmışlardır. Ancak sprey açısı değerleri deneylere kıyasla daha yüksek tahmin edilmiştir. Hesaplanan CD değerlerine bakıldığında ise tüm geometriler için ortalama olarak en düşük hata payının IDDES modeli ile elde edildiği tespit edilmiştir. Dolayısıyla basınçlı girdap tipi enjektörler için gerçekleştirilebilecek parametrik tasarım çalışmaları ve/veya enjektör geometrisinin CD ve sprey açısı tayininde incelenen modeller dahilinde türbülans modeli olarak IDDES'in kullanımının daha uygun olduğuna kanaat getirilmiştir. 3. bölümde IDDES türbülans modeli kullanılarak iki ve üç boyutlu modelleme farkları ve etkileri incelenmiştir. Metot karşılaştırmasını etkin yapabilmek için tasarlanıp üretilen bir şeffaf enjektörün su kullanılarak elde edilen farklı debilerdeki ölçüm sonuçları kullanılmıştır. Doğrulama parametreleri olarak CD, toplam sprey açısı ve film kalınlığı kullanılmıştır. İki boyutlu modelleme dahilinde yapılan analizlerde tüm debiler için akış alanının deneylerde hızlı kamera ile alınan resimler ile örtüştüğü görülmüştür. Ayrıca, enjektör girdap odasında oluşan teğetsel hız davranışının beklenilen Rankine girdabı yapısına uygun olduğu tespit edilmiştir. Bununla beraber, CD değerlerinde deneysel sonuçlardan önemli seviyede sapmalar tespit edilmiştir. Sprey açısı ve film kalınlığı değerleri de çoğunlukla deneysel verilerden farklı hesaplanmıştır. Diğer taraftan, üç boyutlu modelleme ile tüm debilerde CD, sprey açısı ve film kalınlığı tahminleri deneysel değerlere yakın elde edilmiştir. Özellikle 80 g/s ve 98 g/s debi değerlerinde hesaplanan CD ve film kalınlığı parametreleri deneysel ölçüm hata payları dahilindedir. 4. bölümde iki ve üç boyutlu modellemenin doğrulama parametrelerinin tahminine yönelik etkileri incelenmiştir. İki boyutlu modellemenin üç boyutlu modellemeden temel farkı giriş kanallarının dahil edilmesi olduğundan iki metot için girdap odası girişindeki zaman ortalamalı radyal ve teğetsel hız değerleri karşılaştırılmıştır. Üç boyutlu modellemede giriş bölgesinin dahil edilmesiyle kanallarda oluşan akış ayrılması etkisi ile etkin akış alanının daralıp akışın hızlandığı tespit edilmiştir. Bu etki iki boyutlu modellemeye yansıtılıp analizler tekrarlandığında CD, sprey açısı ve film kalınlığı değerlerinde önemli seviyede iyileşmeler görülmüştür. Ancak yine de debinin artışı ile beraber film kalınlığındaki azalma eğilimi güncellenen iki boyutlu modelleme ile doğru tahmin edilememiştir. İki ve üç boyutlu modellemelerin karşılaştırılmasında bir diğer parametre olarak hesaplama maliyeti değerlendirilmiştir. Gerçekleştirilen analizler sonucunda hesaplama maliyeti üç boyutlu modelleme ile iki boyutlu modellemeye kıyasla yaklaşık 1000 kat daha yüksek hesaplanmıştır. Bu durum yüksek doğruluk ihtiyacının karşılanması için bilgisayar kümelerinin kullanılması gerekliliğini ortaya koymuştur. Mevcut kişisel iş istasyonları ile dahi tek bir vakanın üç boyutlu analiz çözüm süresinin haftaları bulabileceği belirtilmiştir. Diğer taraftan, kaynaklar kısıtlı ise akış alanının genel görünümü ve performans parametrelerinin kabaca tahmin edilmesi için iki boyutlu modellemenin kullanılabileceği belirtilmiştir. Ek olarak, giriş kanallarındaki akış ayrılması etkisi biliniyorsa sınır şartlarında yapılacak düzeltme ile çok daha doğru sonuçlar alınabileceği gösterilmiştir. Sonuç olarak, iki fazda gerçekleştirilen enjektör iç ve dış akış HAD modellemesi metotları literatür geometrileri ve yeni tasarlanıp üretilen şeffaf bir enjektör dahilinde gerçekleştirilmiştir. CD, sprey açısı ve film kalınlığı gibi performans parametrelerinin tahmin edilmesinde türbülans modellemesi, iki ve üç boyutlu modelleme etkileri deneysel verilerle karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Hatalı tahminlerin kök nedenleri ve iyileştirme için yapılabilecek model güncellemeleri aktarılmıştır. Ayrıca, bu tez çalışmasında uygulanan modelleme metodu ile özellikle üç boyutlu analizler ile yüksek doğruluk elde edilebileceği gösterilmiştir.
Modeling of two-phase blood flow and fluid-structure interactions in cerebral aneurysms

(Graduate School, 2022-12-16) Pahlavani, Hamed ; Özdemir, İlyas Bedii ; 503152005 ; Mechanical Engineering

This thesis is composed of 7 chapters, each of them dealing with different aspects of numerical tools (e.g., CFD and FSI) for prediction and assessment of cerebral aneurysm rupture. Computation fluid dynamics has been widely used to investigate the effect of single-phase blood model in the risk assessments, but no further application of two-phase blood model and FSI were available. For this reason, the thesis was proposed to evaluate further applications, with the aim of better understanding of the diseases. Rupture risk assessment can be classified as (a) Flow properties (e.g., inflow penetration depth, flow complexity and flow impingement zones) and (b) wall shear stress based hemodynamic indexes (e.g., OSI and TAWSS). Chapter 1 is introductory and reviews the cerebral aneurysms, the mechanisms leading to the disease, and current computational tools in order to predict and assess of aneurysm rupture. Chapter 2 gives a very deep understanding about the mathematical theory behind the single-phase, two-phase flow and FSI. Considering the non-Newtonian nature of blood, two non-Newtonian viscosity models (Casson for single-phase and Carreau– Yasuda for two-phase blood assumption) are discussed here. Then it proceeds with FSI concept where an appraisal of the FSI approach and its implementation, the governing equations regarding the single-phase blood assumption and mechanics of deformable vessel structure are discussed in detail. One of the most important aspects of this thesis is to use open-source solvers for numerical implementations. Regarding the implementation of single-phase and two-phase blood CFD analysis, OpenFOAM is used which is free and open-source software for CFD from the OpenFOAM Foundation. For the implementation of an FSI problem, the preCICE multi-physic coupling toolkit is used in order to couple OpenFOAM (FVM CFD solver) and CALCULIX (FEM structure solver). Furthermore, two wall shear stress based hemodynamic indexes (TAWSS and OSI) are introduced which can be used in order to make a bridge from numerical results to rupture risk assessments. Two patient-specific cerebral aneurysms are given in chapter 3 where the first patient was a female of 41 years old, who had anterior communicating artery aneurysm with concomitant subarachnoid hemorrhage and left frontobasal hematoma, and the second patient was a female of 62 years old, who had dolichoectatic carotid and vertebral arteries. The 3D images in digital imaging and communications in medicine format were anatomically remodeled into patient-specific 3D geometries in the STL format. The FVM mesh, boundary conditions and numerical implementations used for CFD and FSI analysis of two aneurysms are discussed in detail in this chapter. Chapter 4 investigates the blood transport in the cerebral aneurysm using single-phase and two-phase models. In two-phase Euler-Euler approach, the blood is represented by two interpenetrating continua where the dispersed red blood cells of non-Newtonian characteristics are suspended in the continuous Newtonian plasma. The results of two phase model, where the RBCs phase is assumed to be Carreau–Yasuda fluid, are validated against the experimental data. Furthermore, comparative analyses were performed in two patient-specific aneurysms, which indicated that for a given pulsatile flow rate, the two-phase blood approach has vitally advantageous over the single-phase assumption, and revealed a deeper inflow penetration, more complex flow structures and denser flow diversion zones in the aneurysm sac. It was obvious that the high OSI values calculated by the two-phase model covered much wider regions than the single phase predicted. It was equally crucial that these regions coincided with the TAWSS values lower than the threshold that the single-phase approach can predict. Apparently, the single-phase model failed to spot sites of high rupture risk. The results were further exploited to identify the RBCs aggregation regions as, for example, the concave structures and narrow paths in the saccular aneurysms, for their possible use as the precursors of the thrombus formation. Chapter 5 investigates the effect of variations in the haematocrit level on the blood flow in two cerebral aneurysms using the two-phase Euler-Euler approach and the Carreau–Yasuda viscosity model. The results showed that the maximum inflow jet penetration was achieved at the lowest haematocrit level, and this accompanied with strong flow impingements at the narrow corners deep inside the aneurysm sac and undesired complex flow patterns spreading from entrance to the aneurysm dome. The decrease in H level also changed the characteristics of the velocity profile inside the dome from a single- to a double-peak profile, which increased the likelihood of a daughter aneurysm formation. Furthermore, the TAWSS and OSI indicators showed that lowering the H values could change an initially low-risk case into a very high rupture risk situation. The two-phase Euler-Euler approach was used to enlighten the effect of variations in the haematocrit level to cure the blood flow issue in two cerebral aneurysms. A comprehensive description of the two-phase Euler-Euler approach and the relevant viscosity specifications were described in the previous chapter. The same patient specific aneurysms and the numerical implementations of the two-phase model discussed before were used here. However, this chapter presents an appraisal of the approach and interpretations of the flow complexity, features of the inflow diversion zone, penetration depths and the shear stress parameters based on varying Hematocrit values. Chapter 6 investigates dynamics of the wall movements of a patient-specific aneurysm dome using the interactions of the non-Newtonian blood flow and the deformable vessels. The patient under consideration had an anterior communicating artery aneurysm with a concomitant subarachnoid hemorrhage and left frontonasal hematoma. A finite volume CFD solver was used with a 3D mesh of roughly 300000 cells and three boundary patches; the inlet, deformable walls and outlets. A linear elastic material model was considered for the deformation of the aneurysm wall and, in the structural computations, a finite element solver was employed with a solid domain of approximately 12000 elements. An open-source code was exploited for the coupling between the CFD and finite element solvers. Results showed that at the peak systole, the vortical structure of the flow in the aneurysm dome was complicated. Furthermore, the instabilities in the flow field produced intense shear forces, due to which a possible weakening of the wall material will certainly lead to an increase in the risk of the rupture and bleeding. The non-uniformity of the flow field acquired large values of the von Mises stresses, resulting in prominent wall displacements, which also matched to the high OSI and low TAWSS values. The maximum displacements exhibited a non-stationery movement everywhere in the dome though mostly remained in the region of the impingement. And finally, chapter 7 covers conclusions and remarks respectively.
Piezoelektrik ile tetiklenen valfsiz mikro pompa tasarımı, üretimi ve akışkan debisini etkileyen faktörlerin belirlenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-04-10) Şimşek, Sevda ; Şimşek, Sevda ; 503162031 ; Makina Mühendisliği

Tez kapsamında, mikro akışkanlar için yapılan çalışmaları destekleyici ve yol gösterici olması adına, kontrol edilebilir sıvı akış hızları sağlayan en önemli mikro akışkan cihazları arasında gösterilen, mikro düzey pompa üzerinde çalışılmıştır. Öncelikle mikro düzey pompalar için genel bir literatür araştırması yapılmıştır. Literatür incelemelerinde mikro ölçülere sahip alanlarda yapılan çalışmaların çoğunlukla sayısal simülasyonlar oldukları görülmektedir. Deney düzeneklerinin kurulumlarının oldukça yüksek maliyetlere sebep olmasının yanı sıra deney düzeneği hazırlamak, mikro ölçekte zorlayıcıdır. Mikro ölçekteki yapıların incelenmesi için teknolojik olarak üst düzey deney düzeneklerini içeren laboratuar alanları gerekmektedir. Bu tezde mikro pompada akışkanı tetikleyecek çalıştırma mekanizması olarak piezoelektrik disk ele alınmıştır. Piezoelektrik kullanım alanlarından olan elektrik enerjisi-mekanik enerji dönüşümlerinde kullanılan mikropompa tasarımı, tasarlanan mikro pompanın üretimi ve üretilen mikro pompa ile akışkan debisi temel çıktı olarak düşünülerek deneyler yapılmış ve bu debiyi etkileyen faktörler incelenmiştir. Bu bilgiler ışığında tez içeriği üç temel başlıkta açıklanabilir; i) tasarım, ii) üretim, iii) deneysel çalışmalar. i) Tasarım için ilk ele alınan konu valf içerip, içermeyecek olmasıdır. Hareketli valflere sahip pompalar, valfler boyunca yüksek basınç düşüşü ve hareketli parçaların aşınması ve yorulması gibi sorunlar içerebilir. Bu ömrün ve güvenilirliğin azalmasına neden olmaktadır. Bu nedenle hareketli parçası olmayan pompalara ihtiyaç duyulmasından dolayı tez kapsamında valf kullanmadan lüle ve yayıcı prensibine dayalı olan mikro düzey bir akışkan pompası tasarlanmıştır. Böylelikle temelde bir pompa odası ve bu pompa odasına akışkan besleyip / boşaltması için lüle ve yayıcı tasarımı yapılmıştır. Diğer bir önemli konu ise akışkanın nasıl tetikleneceğidir. Bu durum için de piezoelektrik disk kullanılmıştır. Piezo malzemenin elektrik akımı ile tetiklenmesi ile aşağı yukarı hareketi sağlanmıştır. Bu hareket pompa odasında basınç oluşturarak akışkanın hareketi sağlanmıştır. Tez kapsamında 80 μm derinliğe ve 15 mm çap değerine sahip pompa odası, ayrıca açısı 9.4 °, uzunluğu 2.82 mm olan lüle ve yayıcı tasarlanmıştır. ii) Mikro düzey üretim yöntemleri hem pahalı hem de özel çalışma alanları gerektirmektedir. Ayrıca, tolerans değerleri çok hassas değerler içermektedir. Büyüklükler mikro düzeyde olduğu için üretimi de oldukça zor süreçlere sahiptir. Üretim alanı için SABANCI üniversitesinde, "temiz oda" adı verilen özel laboratuvarlar kullanılmıştır. Üretim yöntemleri aşındırma çeşidine göre 2 temel sınıfa ayrılmaktadır: Islak aşındırma ve plazma aşındırma. Kuru aşındırma terimi de genellikle plazma aşındırma ile eş anlamlı olarak kullanılmaktadır. Tez kapsamında kullanılan kuru aşındırma yöntemleri adım adım ele alınmıştır. Tezin amaçlarından biri de kuru aşındırma ile üretim adımlarını önceden planlayarak hem üretim süresini hem de üretim maliyetini minimum tutma yöntemini elde etmek olmuştur. Burada bahsedilen amaç, silikon plakanın üst yüzeyine yerleştirilecek olan piezoelektrik tetikleyici disk yuvası ve akışkanın pompa odasına giriş/çıkışını sağlayacak kanalların aşındırma işlemi sırasında avantaj olarak sağlanmıştır. Bu avantaj aşındırma yöntemi için kullanılan yöntem ve aşındırma esnasında kullanılan maske çeşitleridir. Bu iki temel avantaj sayesinde toplam üretim süresinde ciddi bir zaman kazanılmıştır. Ayırca bu adımlar ile üretim için harcanan toplam maliyet de azaltılmıştır. Maliyet azaltımında en önemli etkenlerden biri kuru aşındırma yöntem (DRIE) cihazının kullanım süresinin azaltılmasıdır. iii) Kuru aşındırma yöntemi ile en kısa sürede üretilen mikro pompa silikon plaka yapı, cam lamel, PZT tetikleyici elemanı ve PDMS sızdırmazlık elemanı ile birleştirilerek mikro düzey bir pompa elde edilmiş ve bu mikro pompa ile debi değerini etkileyen faktörler için deneysel çalışmalar yapılmıştır. Temelde dört parametre detaylı olarak incelenmiştir; sürüş frekansı, uyarma voltajı, frekans dalga tipi ve çalışma sıvısı. Sürüş frekans değerinin akış debisi üzerine etkisi incelendiğinde, akış debisinin mikro pompanın rezonans frekans değerine (150 Hz) kadar arttığı ve bu frekans değerinden sonraki artan frekans değerleri ile akış debisinde keskin bir şekilde azalma görülmüştür. Uyarma voltaj değerinin akış debisi üzerine etkisi incelendiğinde, 𝑉𝑝−𝑝 değeri 10 [V]'den 60 [V]'ye yükseltildiğinde, bu değişim ile birlikte akış debi değerinde de düzenli bir artış gözlemlenmiş ve akış debi değeri 16 μl/dk'dan 52 μl/dk'ya yükselmiştir. Farklı dalga türlerinin akış debisi üzerine etkisi incelendiğinde, dalga türlerinden en büyük akışkan debi değeri "kare dalga" türü ile sağlanırken bunu sırası ile "sinüs dalga" ve "üçgen dalga" türleri takip etmiştir. Farklı viskozite değerlerine sahip olan çalışma sıvılarının akışkan debisi üzerine etkisi incelendiğinde, aralarında en düşük viskozite değerine sahip olan metanolün, damıtılmış su ve etanol ile karşılaştırıldığında daha yüksek akış debisi sağladığı elde edilmiştir. Tez kapsamında yürütülen çalışma, valf kullanmadan mikro kanallar kullanılarak sıvıların taşınmasının pompalama ilkeleri hakkında öncü niteliktedir. Parametrik etkileri ortaya koyması ve tasarım kılavuzları sağlaması sayesinde bu çalışma, ilaç dağıtımı gibi birçok uygulamada kullanılacak valfsiz piezoelektrik mikro pompaların tasarımı ve geliştirilmesi için bir referans potansiyeli taşımaktadır. Mikro düzey yapıların üretilmesi, üretilen bu mikro düzey cihazlardan geçen akışları ve bu cihazlarında MEMS (Mikro Elektro Mekanik Sistemler) uygulamalarındaki yerini daha da geliştirmek ve gelecekteki araştırmalar için tasarım, üretim yöntemleri ve yapılan deneysel çalışmalar alanında önerilerde bulunulmuştur.
Biyokütle-kömür karısımlarının yanmasının incelenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-05-12) Canal, Cansu Deniz ; Böke, Yakup Erhan ; Benim, Ali Cemal ; 503132025 ; Makina Mühendisliği

Fosil yakıtlardan enerji üretiminin çevresel etkileri konusundaki endişelerin artması, daha sürdürülebilir enerji üretme araçlarının geliştirilmesine ve kullanılmasına yol açmıştır. Bu gelişmeye, yenilenebilir ve sürdürülebilir enerjinin ulusal ve uluslararası enerji arzındaki payının artırılması da katkı sağlamıştır. Tarihsel olarak, yenilenebilir enerji kaynakları nispeten yüksek maliyetleri ve yüksek teknik riskleri nedeniyle fosil enerji ile rekabet etmekte zorlanmışlardır. Biyokütlenin geleneksel kömür yakıtlı kazanlarda kömür ile birlikte yakılması, biyokütlenin enerji ve bazı durumlarda ısı üretimi için kullanılması oldukça ilgi çekici bir seçenek haline gelmiştir. Birlikte yanma, mevcut fosil yakıta dayalı güç sistemleriyle ilişkili kapsamlı altyapıdan yararlanır ve yalnızca nispeten mütevazı bir ek sermaye yatırımı gerektirir. Çoğu ülkede, biyokütlenin birlikte yakılması önemli ölçüde karbondioksit salınımını azaltmak için mevcut olan en ekonomik teknolojilerden biridir. Dünya çapında biyokütle birlikte yakma işleminin büyük çoğunluğu, pülverize kömür gücü yüksek kazanlarda gerçekleştirmektedir. Pülverize kömür yakıtlı elektrik santralleriyle ilgili temel birlikte yakma seçenekleri vardır. Biyokütlenin kömür yakma sistemine veya doğrudan fırına beslenmesini içeren birlikte yakma, biyokütlenin gazlaştırılmasını ve ürün yakıt gazının fırında yanmasını içeren dolaylı birlikte yakma ve biyokütlenin ayrı bir yakıcı ve kazanda yakılmasını ve kömürlü termik santral buhar ve elektrik üretim sistemlerinde üretilen buharın kullanılmasını içeren paralel yakma seçenekleri mevcuttur.Biyokütle ve kömürün birlikte yakılmasının ucuz ve düşük riskli sürdürülebilir enerji seçeneği olmasına rağmen, birçok teknik mesele de vardır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği, ekonomik olarak birlikte yanmadan doğacak problemlerin anlaşılması için ekonomik verimli bir araçtır. Varolan kömür yanma modelleri, biyokütle ile birlikte yakılmasının etkisini içerecek şekilde modifiye edilmektedir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yaklaşımları çerçevesinde, kömür ve biyokütle karışımı yanma hesaplamaları, gaz ve parçacık fazları için zaman ortalamalı korunum denklemlerinin sayısal çözümü ile elde edilir. Parçacıklar lagrangian çerçevesinde işlenirken, gaz fazı Euler alanında çözülür. Gaz fazı genellikle Reynolds Ortalamalı Navier Stokes denklemleri çözülerek modellenir. Katı yakıt parçacıklarının hareketi, ayrık faz modeli tarafından izlenir. Birlikte yanmadaki model, türbülanslı akışkanlar mekaniği, gazlı yanma, parçacık dağılımı, parçacık kurutma, buharlaştırma, heterojen kömür reaksiyonu, kirletici oluşumu ve ışınım için alt modellerden oluşmaktadır. Bu modeller yanma koşullarına göre çalışılmıştır. Oksi yakıt yanması karbondioksit ve azot gazındaki fiziksel farklılıklar sebebiyle hava ortamında yanmasından oldukça farklıdır. Aynı zamanda ışınımda farklı olmaktadır. CO2 ve H2O yüksek kısmi basınçlarıyla, oksi yakıt yanması altındaki gaz emisyonu, hava ortamında yanması sırasındaki baca gazlarından daha güçlüdür. Bu tez kapsamında, küçük ölçekli ve sanayi ölçekli iki farklı beslemeli sistem kullanarak kömür, biyokütle ve bu iki yakıtın birlikte yakılmasının araştırılması yapılmıştır. Küçük ölçekli sistem, RWTH Aachen Üniversitesinde ısı ve kütle transferi kürsüsüne ait deneysel düzenektir. 40kW, 60 kW ve 100 kW gücünde 3 farklı yakıcı kullanılmaktadır. Kömür olarak Ren linyitleri kullanılmaktadır. Biyokütle olarak ise kurutulmuş odunsu biyokütle kullanılmaktadır. Deneyler hem hava ortamında hem oksi ortamda gerçekleşmektedir. Sanayi ölçekli sistem ise, Tunçbilek termik santralinin 5. ünitesidir. Bu ünitenin kazanı içine kömür yakıtı ile birlikte biyokütle yakıtının da beslenmesinin sayısal modellemesi çalışılmıştır.Kömür olarak Tunçbilek linyiti ve biyokütle olarak odunsu yapıda olan Kızılçam kullanılmıştır. Bu sistem 150 MW gücündedir. Sayısal hesaplamalar için, ticari bir yazılım olan Fluent 18 programı kullanılmıştır. Bu tez kapsamında, hem Euler-Lagrangian hemde Euler-Euler modellemesi çalışılmıştır. Her bir farklı güçteki yakıcı için modelleme çalışması gerçekleştirilmiştir. 60 kW yakıcı kullanılarak hava ortamında kömür yanması, 40 kW yakıcı kapsamında biyokütle yakıtının oksi ortamda yanması, 100 kW yakıcı kullanarak ise hem kömür yanması hemde karışımlarının yanması hesaplanmıştır. EL modelinde parçacık takibi Lagrangian çerçevesinde, gaz fazı ise Euler çerçevesinde gerçekleşmektedir. 40 kW gücündeki yakıcı için hem EE hem EL çerçevesinde yanma incelenmiştir. Diğer yakıcılarda ise parçacık takibinin yapılabilmesi için EL çerçevesinde hesaplamalar yapılmıştır. Laboratuvar ölçekli küçük yanma sisteminde ve sanayi ölçekli sistemde türbülans modellemesi için 5 farklı türbülans modeli kullanılarak hesaplamalar gerçekleştirilmiştir. Türbülans modelleri, Standard k-epsilon, Relizable k-epsilon, RNG k-epsilon, SST k-w ve Reynolds Stres modeli olarak seçilmiştir. RANS çerçevesinde modelleme gerçekleştirilmiştir. Parçacık fazında ayrık faz modeli kullanılmıştır. Sisteme kömür beslemesi 30 iterasyonda bir yapılmaktadır. Kömür yanmasında bir enjeksiyon kullanılırken, karışımlarının yanmasında iki enjeksiyon kullanılmıştır. Parçacık dağılımı için Rosin Rammler dağılımı kullanılmıştır. Ayrıca parçacık büyüklüğüne bağlı olarak 60 kW gücündeki yakıcı için Logaritmik Rosin Rammler dağılımı da tercih edilmiştir. 100 kW gücündeki yakıcı kullanılarak deneysel verilerle doğrulama hesaplamaları yapılmıştır. Doğrulama çalışması kapsamında, eksenel ve teğetsel hızlar, sıcaklık dağılımı, emisyon miktarları dikkate alınarak hesaplamalar yapılmıştır. Bununla birlikte döngü sayısının alev oluşumuna etkisi hesaplanmıştır. Sanayi ölçekli sistemde de, duvardan 45 cm içeride alınan sıcaklık verileri ile yapılan hesaplamanın doğrulama çalışması gerçekleştirildi. Işınım ile olan ısı geçişi, Fluent programında P1 modeli kullanılarak hesaplanmıştır. Hava ve oksi ortamda yanma analizi yapılan tez çalışmasında, hava ortamında yanma için absorpsiyon katsayısı olarak WSGGM domain modeli kullanılırken, oksi ortamda yanma için kullanıcı tanımlı fonksiyon (UDF) kullanılmıştır. Yanma modeli olarak Finite rate/Eddy dissipation modeli kullanılmıştır. Piroliz oranlarının hesaplanmasında hem tek oran modeli hemde iki rakip oran modeli kullanılmıştır. Parçacık yanmasında, kinetik difüzyon oranı modeli kullanılmıştır. Tez çalışması kapsamında, detaylı yanma hesaplamaları yapılmış olup farklı parametrelerin yanmaya olan etkileri belirtilmiştir. Türbülans modellerinin kıyaslanmasıyla yapılan hesaplamalar sonucunda, tüm yakıcı modellerinde RSM modelinin diğer türbülans modellerine göre daha yakın sonuç verdiği gösterilmiştir. RSM sonucuna en yakın sonuç veren türbülans modeli Standard k-epsilon modeli olmuştur. RSM modeli ile hız değerlerinin tahminindeki hata payı %4 olarak hesaplanmıştır. Kömür yanması yapılarak gerçekleştirilen hesaplamalarda, parçacık boyut sınıfının ve parçacığın türbülanslı dağılımının sıcaklığa ve hesaplama maliyetlerine etkisi olduğu belirtilmiştir. Yapılan çalışma da, parçacık boyutu için 12 adet sınıfının olması ve parçacık türbülans dağılım parametresinin ise 5 olarak tercih edilmesi, hesaplama maliyeti ve sonuçlar açısından en anlamlı veriler olduğu hesaplanmıştır. 40 kW gücündeki kazan kullanılarak ise EE ve EL modelleri arasındaki fark hesaplanmıştır. Aynı zamanda biyokütle alevi ile kömür alevinin kıyaslanması gerçekleştirilmiş olup, aralarındaki farkın piroliz oranlarına bağlı olduğu belirtilmiştir. 100 kW gücündeki yakıcı kullanılarak kömür ve biyokütle karışımlarının yanması modellenmiştir. Bu modelde, kömür yanması ve biyokütle yanmasında ulaşılan sonuçlar ışığında hesaplamalar gerçekleştirilmiştir. Birlikte yanma oksi ortamda ve hava ortamında yanma varsayılarak hesaplanmıştır. Birlikte yanma oranları, %25 Biyokütle/%75 Kömür, %50 Biyokütle/%50 Kömür, %75 Biyokütle/%25 Kömür olarak belirlenmiştir. Birlikte yanma olduğunda, alevin davranışı gözlemlenmiştir ve kazan içinde oluşacak sıcaklık dağılımları hesaplanmıştır. Biyokütle eklendikçe alevin ötelendiği, kazan içindeki en yüksek sıcaklığın düştüğü belirtilmiş olup, ısıl değerlerinin farkından kaynaklandığı sonucuna varılmıştır. Çalışma yapılan kazan için, biyokütlenin yüksek oranlarda eklenmesinin bir sorun oluşturmayacağı belirtilmiştir. Yakıtların içeriklerinin benzer olması bir fayda sağlamaktadır. Aynı zamanda biyokütle eklendikçe, SO2 mol oranı düşmektedir. Biyokütle yakıtının içeriğinde bulunan kükürt, kömürden bulunandan yaklaşık 10 kat daha azdır. Sonuç olarak, %25 biyokütle eklenmesi durumunda, %75 biyokütle eklenmesi durumuna göre kıyasla %35 daha fazla SO2 oluşmaktadır. Birlikte yanma modellenirken seçilen döngü sayısı 1,2'dir. bu döngü sayısının değişmesi durumunda alevin davranışı hesaplanmış olup, döngü sayısına göre emisyon değerleri de belirtilmiştir. Döngü sayısı 0,4'den 1,4'e kadar 0,2 aralıklarla seçilmiş olup toplamda 6 farklı döngü sayısı için hesaplama gerçekleştirilmiştir. Bu hesaplamalar sonucunda, döngü sayısı arttıkça, kazan çıkışında CO2 mol oranı ve SO2 mol oranı artmaktadır. Döngü sayısı 1,2 değerinden sonra, bu artış sabit kalmaktadır. Döngü sayısının artması, karışımın etkisinin artması ve yanmanın etkili gerçekleştiğini göstermektedir. En küçük döngü sayısına kıyasla, en yüksek döngü sayısı kullanıldığında, %32 oranında daha fazla SO2 çıkışı, %6,4 oranında daha fazla CO2 çıkışı olmaktadır. Döngü sayısı arttıkça kazanda oluşan sıcaklıklarda artmaktadır. Aynı zamanda daha geniş radyal bir mesafe de alev yayılmaktadır. Döngü sayısı arttıkça daha kararlı alev yapıları çıkmaktadır. Çalışma kapsamında, oksijen derişimlerinde birlikte yanma oranlarının incelenmesi de yapılmıştır. %23, %25, %27, %30 ve %33 olmak üzere, 5 farklı oksijen seviyesi belirlenmiştir. Okijen seviyesi arttıkça diğer bir söyleyiş ile CO2 seviyesi azaldıkça kazan içerisindeki pik sıcaklık değeri artmaktadır. Çıkıştaki CO2 seviyesi azalmaktadır. Hava ortamında yanma da hesaplanmıştır. Bu hesaplamalardaki farklılık, CO2 ve N2'nin termodinamik davranış özelliklerindeki farklılıktan kaynaklanmaktadır. Oksi ve hava ortamında yanma karşılaştırıldığında, hava ile yanma sonucunda oluşan CO2 mol oranı, oksi ile yanma sonucuna göre 8 kat daha azdır. Sanayi ölçekli yanma sisteminde ise, biyokütle alt grup yakıcılardan sisteme beslenmektedir. Küçük ölçekli sistem de hesaplamalar sonucunda elde edilen bilgiler ışığında, bu modellemeler gerçekleştirilmiştir. Birlikte yanma oranı olarak %42 olarak belirlenmiştir. Yapılan bu analizlerle neticesinde, sistemde değişiklik yapmadan brilikte yanma gerçekleştirilebilmektedir. Yapılan analizlerden CO2 mol oranının biyokütle kullanılarak %10 daha düşük olduğu hesaplanmıştır.
Robot kolu tasarımında dinamik esnek yapı modeli kullanarak tahrik grubu ve mekanik yapının tümleşik optimizasyonu

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-06-12) Güleç, Musa Özgün ; Şeniz, Ertuğrul ; 503142021 ; Makina Mühendisligi

Robot kolu tasarımı yapılırken ilk öncelik, istenen dinamik başarımı ve istenen yapı mukavemetini sağlayan en hafif tasarımı elde etmektir. Bu başarının belirleyicisi ise seçilen tahrik grubu ve uzuvların yapılarıdır. Robot kolunda tahrik grubu ve uzuvlar, dinamik sistemle birlikte hareket halindedir. Bu da tahrik grubunu hem sisteme güç sağlayan hem de güç harcayan bir hale getirir. Daha güçlü bir tahrik grubu sistemin dinamik başarımına olumlu katkıda bulunacaktır ama aynı zamanda kütle artışı sebebiyle sistemin hem dinamik başarımına olumsuz etki sunacak hem de yapıya gelen yükü arttıracaktır. Bunun devamında ise yapıyı daha sağlam hale getirmek için kalınlığı arttırılmak zorunda kalınacak ve bu da tekrar dinamik başarıma olumsuz etki olarak geri dönecektir. Sonuç olarak bu kadar başarım düşüşü tekrar tahrik grubunun revize edilmesine sebep olabilecektir. Bu kısır döngü aslında bir robot kolu tasarımının ne kadar karmaşık olduğunu ve defalarca iterasyona ihtiyaç duyduğunu göstermektedir. Bu yöntem sonuçta optimum değil ama sadece beklentileri karşılayabilen bir tasarımın elde edilmesini sağlamaktadır. Bu karışık ve zorlu tasarım şekli, bir optimizasyon yöntemiyle sorunun çözümlenmesi gerektiği fikrinin ortaya çıkmasını sağlamıştır. Bu tez çalışmasında, tahrik grubu ve yapı et kalınlığının tümleşik optimizasyonu yapılarak optimum robot kol tasarımın elde edilmesi hedeflenmiştir. Önerilen yöntemi göstermek için 3 serbestlik dereceli bir robot kolu seçilmiştir. Tahrik grubunun seçileceği kapsamlı bir tahrik grubu kütüphanesi kurulmuştur. Bu kütüphanede 31 farklı Maxon motor ve 675 farklı Harmonic Drive dişli kutusu bütün teknik verileri ile birlikte yer almaktadır. Uzuvların yapısı ise birer boru olarak seçilmiştir. Optimizasyonun belirlemeye çalıştığı değişkenler tahrik grubu (motor ve dişli kutuları) ve boru tipindeki uzuv yapılarının et kalınlıklarıdır. Çalışmada 2 farklı yöntem kullanılmıştır. Bunlardan birincisi deneme yanılma prensibine dayanan buluşsal bir optimizasyon algoritmasıdır. Amaç fonksiyonu tektir ve toplam robot kütlesinin en aza indirilmesidir. Robottan beklenen dinamik başarım tasarım parametresiyken, robotun dinamik hareket sırasında yapıların sehiminden dolayı yapacağı en büyük uç konum hatası ise optimizasyon probleminin kısıtı olarak önceden belirlenmiştir. Bir başka deyişle, kısıtlara bağlı tek amaç fonksiyonu olan bir optimizasyon problemi oluşturulmuştur. Optimizasyon döngüsü ise amacı robot kütlesini en aza indirmek olduğu için kısıt ve tasarım parametrelerini elde edene kadar tasarım kütlesini arttırmakla görevlidir ve deneme yanılma yöntemine dayalıdır. Optimizasyon döngüsü Matlab ortamında oluşturulmuştur. Tahrik grubu kütüphanesi matris formunda yine Matlab ortamına aktarılmıştır. Tahrik grubu yeterliliğini gözlemlemek için Simmechanics ortamında katı yapı dinamik benzetim ortamı kurulmuştur. Uzuv yapılarının dinamik hareket sırasında ne kadar sehim yapacağını ve bu sehimlerden dolayı uç konumda oluşacak hatayı gözlemlemek için ise ayrıca esnek yapı dinamik benzetim ortamı çoklu parametre tahmini yöntemiyle yine Simmechanics ortamında kurulmuştur. İlk yöntemin tek amaç fonksiyonuna sahip olması yüzünden ancak tekil bir sonuç verebiliyor olması, aynı zamanda katı ve esnek yapı benzetim ortamlarının ayrı ayrı çalışıp tahrik grubunu ve yapıyı ardışık olarak birbirinden bağımsız değerlendirmesi; çalışmanın biraz daha ileri taşınması gerektiğini ortaya çıkarmıştır. Ardından, çoklu amaç fonksiyonlu bir problemin oluşturulması ve eş zamanlı benzetim ortamında hem tahrik grubunun hem de yapıların eş zamanlı optimize edilmesi fikirleri ortaya çıkmıştır. Bu doğrultuda, ikinci yöntem olarak çoklu amaç fonksiyonu oluşturup baskılanmayanları sıralayan genetik algoritma-II (BSGA-II) ("Non-Dominated sorted genetic algorithm-II, NSGA-II") yöntemi kullanılarak Pareto optimum çözüm kümesi elde edilmiştir. Bu yöntemin kazançlarından ilki yapılarda meydana gelen sehimlerden dolayı dinamik hareket sırasında uç konumda oluşan hataların en büyük değeri bir kısıt olmaktan çıkarılıp, en aza indirilmek üzere amaç fonksiyonuna dönüştürülmesidir. Bu sayede birincisi toplam robot kütlesi, ikincisi de uç konum hatası olmak üzere iki adet en aza indirilmek istenen amaç fonksiyonları oluşturulmuştur. Böylece, artık sadece kısıtları karşılayan tekil bir sonuç yerine iki amaç fonksiyonuna da hizmet eden ve tasarımcıya seçme imkanı sunan bir Pareto optimum çözüm kümesi elde edilmiştir. Bu yöntemdeki diğer kazanç ise, ilk yöntemdeki katı yapı dinamik benzetimin ortadan kaldırılıp hem tahrik grubunun hem de yapıların sadece esnek yapı dinamik benzetim ortamında eş zamanlı değerlendirilmesine olanak tanımasıdır. Bu sayede dinamik hareket sırasında meydana gelen sehimlerin oluşturduğu titreşim ve iç kuvvetlerin dinamik başarımda (ihtiyaç duyulan torkun artması) meydana getirdiği olumsuz etkinin de gözlemlenmesi sağlanmış ve daha gerçekçi bir benzetim ortamı kullanılmıştır. Her iki yöntemin detaylı hallerine ve her ikisi için yapılan örnek optimizasyon sonuçlarına tez içerisinde yer verilmiştir. Yapılan çalışmaların literatüre olan katkılarından ilki esnek yapı dinamik benzetim ortamının kullanılması ile yapı ve tahrik grubunun birbirlerine olan etkisinin de gözlemlenebildiği eş zamanlı bir benzetim ortamının oluşturulmuş olmasıdır. Diğer katkı ise geniş bir tahrik grubu kütüphanesinin bu optimizasyon döngüsüne entegre edilmesidir. Ayrıca, optimizasyon algoritması tasarım parametreleri ve kısıtları ile tamamen değişkenlere bağlı olarak oluşturulmuş, bu sayede birçok farklı ölçüde robot tasarımının yapılabilmesine olanak sağlarken, sunduğu sonuçların optimum olduğunu da garanti etmektedir. Son olarak yöntem baskılanmayanları sıralayan genetik algoritma-II ile desteklenmesi sayesinde çoklu amaç optimizasyon problemine Pareto optimum çözüm kümesini sunarak tasarımcıya seçim yapma hakkı vermektedir
Large deflections of non-linear bi-modulus functionally graded beams under different boundary and loading conditions

(Graduate School, 2023-07-11) Hacıoğlu, Ayhan ; Baykara, Cemal ; 503172027 ; Mechanical Engineering

The use of functionally graded materials (FGMs) is increasing thanks to recent development in manufacturing technologies. FGMs are considered a members of composites families in which material properties vary depending on a specific function through a desired direction. The variation of the material property could be one-dimensional (1D), two-dimensional (2D), or three-dimensional (3D). However, this study examines axial, transverse, and bi-directional material compositions. Moreover, the large deflection of beams made of non-linearly elastic, generalized (or modified) Ludwick type of materials and FGMs have received considerable critical attention in recent years. Generalized Ludwick's constitutive law, an empirical equation derived from Hooke's law, defines the constitutive relation of non-linearly elastic materials. In addition, bi-modulus materials are the materials that respond differently in tension and compression due to having different Young's moduli in tension and compression. Large deflections of generalized Ludwick type non-linearly elastic, bi-modulus, functionally graded, non-prismatic, Euler-Bernoulli cantilever beams subjected to a concentrated force at the free end are examined numerically in this study.
Dizel motor modeli ile entegre bir aşırı doldurma ünitesi tasarım ve optimizasyon modeli geliştirilmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-07-13) Alpaya, Mert ; Kavurmacıoğlu, Levent Ali ; Camcı, Cengiz ; 503162012 ; Makina Mühendisliği

Otomotiv sektöründe içten yanmalı motorların geleceği sorgulansa da mevcut batarya teknolojilerinin henüz istenilen olgunluk seviyesine ulaşamamasından dolayı; özellikle uzun mesafeler kat eden hafif ve ağır ticari araçlarda tam elektrikli güç aktarım çözümlerine geçiş kısa ve orta vadede çok olası gözükmemektedir. Bu sebeple içten yanmalı motorlarda geliştirme ve performans iyileştirme çalışmaları hala devam etmektedir. İçten yanmalı motorlarda performans iyileştirme amacıyla çalışılan en önemli bileşenlerden birisi de aşırı doldurma ünitesidir. Aşırı doldurma ünitesi ya da bir diğer deyişle turbo; temel olarak küçük boyutlu bir gaz türbini olup, içten yanmalı motorlarda silindirlere gönderilen yanma havasının yoğunluğunu arttırmak amacıyla kullanılmaktadır. Turbo temel olarak üç ana bileşenden oluşmaktadır. Bu bileşenler sırasıyla; santrifüj kompresör, yatak ve radyal türbindir. Bu bileşenlerden kompresör ve türbinin turbonun performansı üzerinde doğrudan etkisi bulunmaktadır. Bu sebeple bu bileşenlerin, turbonun ve bu turboya sahip motorun yüksek performans vermesi için etkin şekilde tasarlanması gerekmektedir. Hâlihazırda, tamamıyla turbo özelinde olmasa da ön tasarımdan final tasarıma kadar turbomakine tasarımı yapmayı sağlayan ticari yazılımlar bulunmaktadır. Bu yazılımlar kullanılarak, eğer tasarım isterleri biliniyorsa, sıfırdan bir turbo tasarımı yapılabilmektedir. Ancak bunun için; turbonun tasarım noktasında hangi dönüş hızına, debiye ve sıkıştırma oranına sahip olacağı gibi, sıfırdan bir turbo tasarımı yapacak kişinin başlangıçta bilmesinin mümkün olmadığı birtakım parametrelerin bu yazılımlara girdi olarak verilmesi gerekmektedir. Öte yandan içten yanmalı motor modelleme alanında ise hem ticari yazılımlar hem de motor üreticileri tarafından kendileri için özel olarak geliştirdikleri araçlar mevcuttur. Bu araçlar ile, eğer turboya ait kompresör ve türbin performans haritaları mevcutsa, bu haritalar üzerinden motor-turbo eşleştirmesi yapabilmektedir. Ancak, sıfırdan turbo tasarımı yapmak isteyen bir tasarımcının elinde söz konusu performans haritaları bulunmayacağından dolayı, bu yazılımlar ancak turbo tasarımı bittikten ve performans haritaları ortaya çıktıktan sonra kullanılabilmektedir. Hem motor modellemesi yapmaya yarayan hem de bu motor için en uygun turbo tasarımı ortaya koymaya imkân tanıyan bir araç ise bulunmamaktadır. Bu tez kapsamında gerçekleştirilen çalışmalar sonucunda ortaya çıkan aracın; bir dizel motorun modellemesini gerçekleştirmesi, bunu yaparken de içereceği turbo modülüyle birlikte motorun sahip olacağı turbonun aerodinamik tasarımını ortaya koyması sağlanmıştır. Turbo tasarımı yapılırken; turbonun tek başına en yüksek performansa sahip olması değil, turbo+motor sisteminin performansının mümkün olan en üst noktaya çıkarılması amaçlanmıştır. Tez kapsamında ortaya çıkan söz konusu bu turbo tasarım aracı, motora bütünleşik bir turbo boyutlandırma modeli içerdiğinden dolayı benzerlerinden farklıdır. Geliştirilen araç; motordan bağımsız turbo tasarımı yapmak yerine, tamamen motora özgü turbo tasarımı yapmaya yaramakta ve böylece motor performansını maksimum yapacak olan turbo tasarımını ortaya koymaktadır
Improving mechanical properties of additive manufacturing products using novel infill and slicing methods

(Graduate School, 2023-08-22) Armanfar, Arash ; Günpınar, Erkan ; 503182002 ; Mechanical Engineering

In recent years, additive manufacturing (AM) has drawn significant attention and interest from both academia and industry due to its remarkable advantages. However, one critical challenge in AM is tunability of mechanical properties for AM parts. Therefore, this dissertation focuses on the development of novel infill and slicing methods. G-Lattices. Lattice structures embedding in a solid model play a crucial role in additive manufacturing (AM) for reducing manufacturing cost/time and improving (mechanical, acoustic and etc.) properties of the printed parts. Manually generated lattice structures consist of multiple struts, and their structural properties differ according to the strut shapes and topology. However, there are limited type/numbers of strut-based lattice structures, and therefore, this paper introduces novel lattice structures that are called G-Lattices and a method for generative synthesis of G-Lattices. Given AM, user, and geometrical constraints, G-Lattices can automatically be generated via a particle tracing algorithm, which places/moves particles in a lattice unit cell. Sweeping a sphere along the particle trajectories forms G-Lattices. Two alternative tracing methods are proposed in this work; one using straight and the other via curved struts. Numerous G-Lattices can be created using these techniques in a short time. Users can adjust G-Lattice density in a unit cell, strut thickness, strut shapes (i.e., straight or curvy), and angle between struts in order to control the physical/mechanical properties of G-Lattices (to some extent). As proof of concept, several G-Lattices are manufactured through an AM machine. Additionally, the proposed G-Lattice synthesis method is customized for the models under vertical loading. The G-Lattices obtained in this way are validated through finite element method experiments and have greater strength over volume ratios compared to conventional lattice structures. An extension of G-Lattices (i.e., reinforced G-Lattices) demonstrating better mechanical performance under inclined (compression) loading conditions are also introduced. For different inclined loads, separate reinforced G-Lattices are first optimized, and a G-Lattice library is formed. For a part under loading, displacement vectors in each unit cell (cubic domains within the inner region of the part) are then extracted. Based on these vectors, (pre-optimized) reinforced G-Lattices are selected from the G-Lattice library and utilized (as infills) in the unit cells. This process is called G-Puzzling. As a proof of concept, parts under three different inclined loading conditions are infilled using reinforced G-Lattices and investigated based on stiffness-over-volume ratios. According to these experiments, the resulting parts, onIn recent years, additive manufacturing (AM) has drawn significant attention and interest from both academia and industry due to its remarkable advantages. However, one critical challenge in AM is tunability of mechanical properties for AM parts. Therefore, this dissertation focuses on the development of novel infill and slicing methods. G-Lattices. Lattice structures embedding in a solid model play a crucial role in additive manufacturing (AM) for reducing manufacturing cost/time and improving (mechanical, acoustic and etc.) properties of the printed parts. Manually generated lattice structures consist of multiple struts, and their structural properties differ according to the strut shapes and topology. However, there are limited type/numbers of strut-based lattice structures, and therefore, this paper introduces novel lattice structures that are called G-Lattices and a method for generative synthesis of G-Lattices. Given AM, user, and geometrical constraints, G-Lattices can automatically be generated via a particle tracing algorithm, which places/moves particles in a lattice unit cell. Sweeping a sphere along the particle trajectories forms G-Lattices. Two alternative tracing methods are proposed in this work; one using straight and the other via curved struts. Numerous G-Lattices can be created using these techniques in a short time. Users can adjust G-Lattice density in a unit cell, strut thickness, strut shapes (i.e., straight or curvy), and angle between struts in order to control the physical/mechanical properties of G-Lattices (to some extent). As proof of concept, several G-Lattices are manufactured through an AM machine. Additionally, the proposed G-Lattice synthesis method is customized for the models under vertical loading. The G-Lattices obtained in this way are validated through finite element method experiments and have greater strength over volume ratios compared to conventional lattice structures. An extension of G-Lattices (i.e., reinforced G-Lattices) demonstrating better mechanical performance under inclined (compression) loading conditions are also introduced. For different inclined loads, separate reinforced G-Lattices are first optimized, and a G-Lattice library is formed. For a part under loading, displacement vectors in each unit cell (cubic domains within the inner region of the part) are then extracted. Based on these vectors, (pre-optimized) reinforced G-Lattices are selected from the G-Lattice library and utilized (as infills) in the unit cells. This process is called G-Puzzling. As a proof of concept, parts under three different inclined loading conditions are infilled using reinforced G-Lattices and investigated based on stiffness-over-volume ratios. According to these experiments, the resulting parts, on average, exhibit more than %30 better mechanical performance compared to FBCCZ (a conventional lattice structure). A machine learning procedure is further proposed in this work to predict the mechan- ical properties of G-Lattices under specific loading conditions. 20000 G-Lattices are first generated using a uniform sampling approach. Strength-over-weight ratios for the G-Lattices are obtained using finite element analysis. Furthermore, voxelized data of G-Lattices are exploited as feature vectors in the machine learning step. A linear regression model is then computed using these G-Lattices. However, the model is inaccurate, particularly for the G-Lattices with ratios greater than five. Therefore, 14000 more G-Lattices are further sampled to increase the number of G-Lattices in this range. For each of the two clusters (G-Lattices with ratios greater/equal to or less than five), a separate linear regression models are calculated. According to the experimental results, approximately 70% of G-Lattices have errors less than/equal to 5% prediction errors, and the mean absolute (relative) percentage error for 40000 G-Lattices is 6.4% Parametrized helical printing. AM commonly utilizes slicing techniques to create layers of a model, in which material is deposited layer by layer. However, the slicing method directly affects the mechanical properties of the printed parts. This paper introduces a new AM technique (named Helical5AM), which employs print paths having helical geometry for five-axis AM. Given an object to be printed, a base (supporting helical print paths) with a center curve and helix parameters (such as lead angle and turn direction), a complete volumetric coverage using helical print paths is obtained. Collision-free tool orientation is then generated using a probabilistic roadmap algorithm for depositing material along the helical print paths by avoiding tool interference with obstacles. As a proof of concept, print paths (of models) with orientation information obtained using the proposed algorithms are simulated using a five-axis AM simulation software, and the material deposition process in Helical5AM is demonstrated using a five-axis AM machine. Furthermore, compression tests are performed on the printed parts for evaluating the effects of helix lead angles of the helical print paths on the mechanical properties of the printed parts. It has been confirmed that the mechanical behavior of a printed part is predictable and tunable according to the helix lead angles of the print paths. Helical5AM can potentially empower engineers to obtain AM parts with desirable mechanical properties. Optimization of helix lead angles of helical print-paths for a part under a certain loading conditions is also investigated. The part is first decomposed into layers, which are covered by helical print paths. The layers are meshed conformally using hexahedral elements. According to lead helix angles, material orientations are given to these elements. Finite element analysis (FEA) is then carried out for investigating the mechanical properties of the part. An optimization approach is coupled with FEA to optimize lead helix angles for the helical print paths. The effectiveness of the proposed approach is verified via multiple experiments with various loading conditions. The results indicate that the optimized parts demonstrate better mechanical properties.

Gözat

Çıkarma tarihi ile LEE- Makina Mühendisliği Lisansüstü Programı'a göz atma

Sayfa başına sonuç

Sıralama Seçenekleri