LEE-Makina Mühendisliği-Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/19373

Gözat

Akciğer obstrüksiyonlarının ekspirasyona olan etkisinin sayısal olarak incelenmesi ve SFT sonuçlarıyla ilişkilendirilmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-08-15) Demir, Ufuk ; Güneş, Hasan ; 503152014 ; Makina Mühendisliği

Bu tez çalışmasının ilk amacı bilgisayarlı tomografi görüntüleri kullanılarak elde edilen 138 adet distal hava yoluna sahip normal bir insan akciğer modeli (Model-I) ve bu model üzerinde farklı derecelerde yapay obstrüksiyonlar oluşturularak elde edilen obstrüksiyonlu modeller üzerinde, zorlu ekspiryum durumunda, küçük çaplı solunum yollarında oluşan obstrüksiyonların hava yolu direnci, hava akım hızları ve hacimler üzerindeki etkilerinin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Analizlerinin (HAD) yapılarak incelenmesi ve elde edilen sonuçların klinik ortamda yapılmış olan solunum fonksiyon testinde (SFT) elde edilen gerçek değerler ile karşılaştırılmasıdır. Çalışmanın ikinci amacı ise, segmentasyon yöntemi ile elde edilen 28 adet distal hava yoluna sahip normal bir insan akciğer modeli (Model-II) ve yine bu model kullanılarak elde edilen obstrüksiyonlu modeller üzerinde, zorlu ekspiryum ve normal solunum döngüsünde sağ/sol ana bronşlarında oluşan obstrüksiyonların hava yolu direnci, hava akım hızları ve hacimler üzerindeki etkilerinin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Analizlerinin (HAD) yapılarak incelenmesidir. Sayısal analizlerde kullanılmak üzere oluşturulan modeller, MIMICS yazılımı kullanılarak BT görüntülerinin segmente edilmesi sonucunda elde edilmiş, sayısal çalışmalarda ise Ansys-Fluent yazılımı kullanılmıştır. HAD çalışmaları sıkıştırılamaz, izotermal, hava akışkanı ile SST k-w türbülans modeli kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Normal solunum periyodu için yapılan analizlerde kullanılmak üzere, ATS, ERS gibi uluslarası standartlar ve literatürde yer alan istatiksel çalışmalardan yararlanılarak toplamda 5 saniyelik (2 saniye nefes alma, 3 sn nefes verme) zamana bağlı değişen basınç profilleri sınır şartı olarak polinom fonksiyon şeklinde tanımlanmıştır. Zorlu ekspirasyon durumu için yapılan çalışmalarda kullanılmak üzere, BT görüntülerinin ait olduğu bireylere ait vücut-kütle indeksleri kullanılarak tepe akım debi değerleri belirlenmiş ve solunum yolu direnci formülü kullanılarak olabilecek maksimum alveoler basınç değerleri elde edilmiştir. Toplamda 6 saniyelik zorlu ekspirasyon periyodu için bu azami basınç değeri baz alınarak basınç profilleri tanımlanmıştır. Müteakiben sayısal çalışmaların çözüm ağı sayısından ve zaman adımından bağımsız hale getirilmesi kapsamında farklı çözüm ağları ve farklı zaman adım sayılarında analizler yapılarak çözüm ağı ve zaman adım sayısı için optimum değerler belirlenmiştir. Elde edilen modellerin doğrulanması maksadıyla literatürde yer alan ve diğer birçok çalışmada da kullanılmış olan deneysel bir çalışmanın sonuçlarından faydalanılmıştır. Doğrulama kapsamında deneysel çalışmalarda kullanılan akciğer modelinin sağ ana bronşundan alınan bir kesitte oluşan hız profilleri, çalışma kapsamında elde edilen modellerde aynı kesitte sayısal çalışmalar sonucunda oluşan hız profilleri ile karşılaştırılmıştır. Model I ve bu model kullanılarak elde edilen iki farklı obstrüksiyonlu model üzerinde yapılan çalışmalarda; Sınır şartı olarak kullanılan basınç değişim profili ile yapılan HAD çalışmaları sonucunda elde edilen PEF, FEV1, FVC ve Tiffenau oranlarının, klinik ortamda alınan solunum fonksiyon testindeki değerlere oldukça yakın olduğu, Poiseuille kanuna paralel olarak solunum yolu direncinin çap değerinin 4. kuvveti değeri ile orantılı olacak şekilde artması nedeniyle obstrüksiyonlu modellerde normal modele göre aynı süre zarfında daha az havanın ekspire edilebildiği ve tepe akım debi değerine daha düşük hacimlerde ulaşıldığı, Alt loblarda oluşturulan obstrüksiyonların SFT parametrelerinde yüzde 16 ile yüzde 21 arasında düşüşe neden olurken, tüm loblarda oluşturulan obstrüksiyonların yüzde 23/26 mertebelerinde düşüşe neden olduğu görülmüştür. Model II ve bu model kullanılarak elde edilen üç farklı obstrüksiyonlu model üzerinde yapılan çalışmalarda; Sağ ana bronş çapının sol ana bronşa göre daha büyük olması nedeniyle sağ ana bronş üzerindeki obstrüksiyonların sol ana bronşa göre tidal hacim üzerinde daha az etkili olduğu, Artan obstrüksiyon derecesi ile birlikte inhale edilen havanın sağ ve sol üst loblara dağılım yüzdesinin yüzde bir seviyelerine kadar düşerken, yüzde 75 obstrüksiyon oranında oluşan hava dağılımlarında sağ alt lobda yüzde elli değerlerine ulaşıldığı, Bununla birlikte aynı obstrüksiyon derecelerinde yüksek debi değerinde yapılan analizlerde alt loblara dağılan hava miktarında değişim görülmezken üst loblara dağılan havanın daha da azalırken sağ orta loba dağılan hava miktarında artış olduğu görülmüştür. Obstrüksiyonların akış karakteristiklerine olan etkilerinin incelenmesi maksadıyla karina ve trake orta noktalarından alınan kesitlerde oluşan hız profilleri incelenmiş; Zorlu ekspiryum durumunda normal model trake ve karina kesitinde akışın kanal içerisine yayıldığı, artan obstrüksiyon derecesi ile jet akışının karina bölgesinde havanın iki merkez halinde ilerlemesine, sağ ve sol ana loblardan gelen yüksek hızlı akışların birleşmesi sonucu trake orta bölümünde kuvvetli ikincil akışlar oluşmasına neden olduğu gözlenmiştir. Model-I ve Model-II üzerinde aynı sınır şartları ile yapılan analizlerde SFT parametrelerinin, sağ ve sol ana bronş üzerinde yüzde elli obstrüksiyon oranında yüzde 45-60 arasında düşerken distal solunum yollarında aynı obstrüksiyon derecesinde düşüşün yüzde 27-30 değerlerinde olduğu görülmüş, solunum yolu sayısı ve yüzey alanı olarak büyük solunum yollarına oranla çok daha fazla olan distal yolların, büyük solunum yollarına oranla solunum yolu direncinde daha az etkisi olduğu sayısal olarak doğrulanmıştır. Tez kapsamında yukarda yer alan çalışmalara ek olarak klinik ortamda helyum dilisyon yöntemi ile toplam akciğer kapasitesi tespit edilen 262 bireye ait BT görüntüleri segmente edilmiş ve toplam akciğer kapasiteleri hesaplanmıştır. Yapılan çalışma sonucunda segmentasyon yöntemi ile elde edilen toplam akciğer kapasitesi değerleri ile pletismografi yöntemi ile elde edilen değerler arasında orta düzeyde korelasyon bulunmuştur.
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.
An explicit phase field modeling of brittle plates with nonlocal operator method under certain loading condition

(Graduate School, 2023-02-01) Şahin, Umut ; İmrak, C. Erdem ; 503152027 ; Mechanical Engineering

Due to its complexities and challenges, fracture modeling still faces many pressing issues despite increasing research efforts. One common method is the finite element method, which is commonly utilized in this field. However, FEM has some disadvantages when it comes to predicting failures, because it relies on continuum mechanics, which is a mathematical model that is not valid when there are cracks or other discontinuities in the displacement field. To address this problem, a new approach developed, called peridynamics, which is a different way of formulating the equations of continuum mechanics that is better suited to predicting failure in structures. PD can overcome the limitation of FEM, which requires describing and tracking of the crack path during the growth. While peridynamics can be used to a broad range of materials and mechanical problems, they are most often used to study for brittle fracture. On the other hand, PD can suffer from hourglass modes, which causes instability and it requires a constant horizon which needs significant computational costs. The nonlocal operator method (NOM) is a method for developing nonlocal forms using the concept of dual-support, and it also allows for the creation of implicit formulations of nonlocal theory. It is notable for its ability to be used with both variational and weighted residual methods, and it is a generalized version of the DH-PD approach that extends the idea of nonlocality. In addition to this, NOM allows for the variation of the energy functional in nonlocal theories. Traditional integral equations are defined in a single integral domain, while NOM and other dual-support approaches are based on the use of two integral domains. In the nonlocal operator method (NOM), partial derivatives are calculated using nonlocal versions of gradient, curl and divergence operators. These operators are used to approximate the local operators in the limit as the internal length scale approaches zero. The nonlocal operator method does not need the use of shape functions like FEM. Instead, it directly obtains discrete equations through the use of nonlocal operators, which greatly simplifies the numerical implementation. The phase field method is a numerical technique used to model brittle fracture in materials. It is based on the use of a phase field parameter, which changes continuously as the structure evolves, to simulate the evolution of cracks. One of the main advantages of this approach is that it can simulate multiple cracks, regardless of their number or shape, in a continuous manner without the need to explicitly track their positions. In this thesis, a nonlocal operator method combined with an explicit phase field method was used to model the propagation of quasi-static fractures and compare the computational efficiency of this approach with numerical models based on implicit methods from the literature. The strong form of the governing equations was derived based on the energy form of the phase field model, and both the mechanical field and phase field were updated using an explicit time integration. Numerical benchmark problems, including an L-shaped panel, a three-point bending test, and a notched plate with holes, were analyzed and the results were found to be in good agreement with previous work. To develop the computational performance of the explicit model, a hybrid implicit/explicit model was also proposed. Additionally, a local damping technique was used to decrease the ratio of kinetic energy to internal energy in the explicit phase field model and apply mass scaling, which saved computational time in the cases studied.
Analysis of non-boiling gas-liquid two-phase flow through flow components: Experimental investigation and numerical modelling

(Graduate School, 2023-12-22) Kükrer, Ergin ; Eskin, Nurdil ; 503162007 ; Mechanical Engineering

Today, gas-liquid two-phase flows are encountered in many different micro and macro applications used in industry, such as nuclear reactors and applications, power generation processes, chemical processes, oil and gas transport lines, heat exchangers, and air conditioning systems. The components of these industrial applications where the flow takes place, which we can call flow components, consist of different and complex geometries such as straight pipes, elbows, fittings, tees, junctions, orifices, collectors, etc. Understanding and modeling the two-phase flows that develop in these complex geometries is a challenging engineering problem that is still up to date, as it is directly related to the system parameters. Precise determination of the characteristics of a flow element, and hence of the system and flow characteristics, is critical both from a design and operational point of view. Since the system parameters vary with the flow regimes in two-phase flows, it is essential to determine the flow regime and, in particular, the local characteristics of the phases. The aim of this study is to establish a comprehensive investigation of air-water two-phase flows through flow components, employing both an intense experimental investigation and advanced numerical modeling to provide insight into this complex but critical fluid dynamics problem. In this context, air-water two-phase flow was experimentally investigated in the experimental setup located in the Hydraulics Laboratory at Istanbul Technical University, Faculty of Mechanical Engineering. In the setup, the flow takes place in approximately 15 m long acrylic pipes with an inner diameter of 40 mm as a cycle. The piping system was investigated under four different sections, which are injector, upstream, test (U-bend), and downstream sections. Two-phase flow conditions were established through the 40 mm diameter pipe with 180 l/min water and 30, 35 and 40 l/min air flow rates by the designed circular injector. The air is injected into the water flow 8.5 m after the pump outlet at the injector section, which ensures the single-phase water is fully developed up to this point. The upstream section after the injector section is a 1.5-m-long horizontal section where the air-water flow development is observed before the test section. The test section consists of a unique geometry that is a combination of two upward and downward 90-degree elbows and one vertical 180-degree return bend. All experimental sections have specific measuring points and ports to measure the selected two-phase characteristics and differential pressure values. In this regard, an advanced optical probe with sapphire tips was used to measure two-phase flow characteristics, such as local void fractions and the number of bubbles detected per unit time. For pressure, differential pressure measurements were made employing calibrated pressure transducers in the pre-defined sections for the given experimental conditions. The calibration, measuring ranges, and uncertainties of all devices are elaborately investigated and addressed under the experimental setup section. The experimental results are presented for each section separately. Initially, the results of the differential pressure measurements are interpreted parametrically for the concerning airflow rates. Then, the local two-phase flow characteristics are visualized by plotting highly refined mapped graphs along the cross-section to explain better the measurements taken. The study also involves a detailed development and validation of a numerical model, followed by an in-depth analysis of the defined two-phase characteristics. The numerical model was developed in ANSYS Fluent 2019 R3. The Eulerian-Eulerian approach was used in the computational model, which employs individual equations for each phase. Sub-models for phase and interphase interactions are also employed regarding drag and non-drag force models. The numerical model developed for simulating two-phase flow in the complex geometry was rigorously validated against experimental data. The validation indicated high agreement between the numerical model and experimental results, with deviations within acceptable uncertainty levels. With experimental and numerical investigation, this comprehensive study provides valuable insights into two-phase air-water flow dynamics, with a particular focus on a U-bend section within the flow system. The findings not only confirm the complexity of two-phase flows in such geometries but also highlight the limitations of existing models in accurately predicting flow behaviors. In such complex two-phase applications, it has been observed that modeling requires more than simply analyzing the bend or determining flow regimes in terms of superficial velocities from flow regime maps. Instead, a holistic approach must be employed to identify local flow regime modifications caused by geometry, resulting in accurate and complete flow regime determination. The presented results provide implications for future applications and assist further studies that can address the findings for different piping systems and elbows commonly used in practical applications in the industry under various design conditions.
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.
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.
Design, methodology development and production of composite cryogenic liquid oxygen tank for space applications

(Graduate School, 2024-02-16) Ufuk, Recep ; Ereke, Murat İ. ; Karabeyoğlu, Arif ; 503152024 ; Mechanical Engineering

The thesis focuses on the development of composite cryogenic liquid oxygen (LOX) tanks for sounding rocket propulsion systems, addressing challenges in aerospace engineering. Traditional composite materials used in these tanks are expensive and subject to various regulations in their supply chain. This thesis explores cost-effective alternatives, emphasizing affordable and sustainable aviation applications. This is the first study conducted in Turkey on cryogenic composite tank systems. Through this study, numerous infrastructures and laboratory systems were established, marking the first step towards indigenous development of these systems for research and development. All of these efforts will pave the way for structural advancements within Turkey's National Space Program. Cryogenic temperatures and LOX compatibility are the primary challenges for composite LOX tanks. To ensure the tank's operation in a cryogenic environment, various aspects need to be studied, including epoxy and fiber behavior in cryogenic conditions, thermal expansion coefficient compatibility between liner material and composite material, and LOX compatibility. Although properties of many materials under high and room temperatures are available in the literature, there is a lack of sufficient testing and information for cryogenic environments, especially for composite materials. For LOX compatibility, it's crucial that the composite structure doesn't trigger the combustive properties of liquid oxygen. The success in developing these innovative tanks relies on designing new materials specifically tailored to meet macro and micro-scale thermomechanical requirements. These materials must address long-term structural integrity, leakage due to microcracks, and contamination concerns in composite materials. The original contribution of this research is the detailed presentation of the entire process of developing a composite liquid oxygen fuel tank, including material screening, design, analysis methods, manufacturing processes, and quality controls. The thesis aims to deliver all phases of the reliable composite oxygen fuel tank development for use in sounding rockets. Although significant work on cryogenic composite tanks is currently underway, there is no consistent and comprehensive publication. This research aims to obtain conclusive results using numerical and experimental studies, demonstrating the advantages and disadvantages of using composite LOX tanks. The study focuses on the thermal and mechanical properties of different epoxy resins under cryogenic conditions and their compatibility with liquid oxygen. It also examines the fracture toughness of laminate-based testing under both room and cryogenic temperatures. Two types of tank structures were tested: tanks with a metal liner (Type-II) and linerless tanks (Type-V). A method that links micro and macro scales was developed to calculate real stresses on fiber and matrix components, providing insights into the composite structure's damage state. At the beginning of the study, the properties of epoxy resins were thoroughly examined to evaluate their mechanical performance and compatibility with liquid oxygen in cryogenic conditions. Collaboration with local manufacturers aimed to develop domestic formulations, promoting nationalization in aviation materials and supporting self-sufficiency. The study revealed that the Huntsman 1564-3474 epoxy system showed potential mechanical performance in a cryogenic environment and demonstrated compatibility with LOX. However, a Type-V tank system produced with this resin system suffered complete damage after a liquid nitrogen filling test, indicating its unsuitability for cryogenic environments. Fracture toughness tests on composite laminates produced by filament winding provided insights into mode-II damage types under room and cryogenic conditions, predicting and preventing critical information on damage. Fractographic analysis revealed differences in damage modes under room and cryogenic conditions. In particular, vacuum infusion and toughened resin systems exhibited similar mode-II fracture toughness values at room and cryogenic temperatures, while the behavior of the cold-curing resin system showed a significant decrease in cryogenic temperatures. Additionally, the study evaluated the negative effects of the wet filament winding method on production quality. These findings emphasized the importance of considering component interactions and production-related issues for cryogenic environment performance. During the study, a micro stress calculation tool was developed through literature assistance to predict actual stress values on components in composite structures. In this method, fiber and matrix components within the composite structure are modeled using a representative unit cell element, simulating the behavior of all components throughout the laminate with the help of periodic boundary conditions. This enables a connection between stress values on the composite layer modeled as an orthotropic material at the macro scale and stress values at the micro level. Python programming language, MATLAB, Abaqus, and ANSYS softwares were used to develop the calculation tool. The tool's added parameterization capability allowed evaluating the effect of temperature-dependent changes in material properties on micro-scale stress values. This provides foresight for determining the necessary material properties under cryogenic conditions. Additionally, the epoxy systems used in the tests were evaluated using this calculation tool. Considering Von Mises stress, Epotek 301-2 and 301-2FL emerged as a potential systems for cryogenic temperatures based on its temperature-dependent elastic modulus and thermal expansion coefficient. Similarly, the T7110 system stood out in minimizing maximum stress on the matrix but could not provide sufficient strength for pressurized tanks under room temperature conditions. Commercial epoxy systems and the proven cryogenic performance of the IM7-977-3 system were compared, evaluating their cryogenic performances. One of the main contributions of this study is revealing the effects of various tank geometries and epoxy materials on micro stresses, highlighting the emergence of constituent effects. Furthermore, the research emphasizes the importance of material selection and design parameters for cryogenic applications by revealing the limitations of specific tank systems. Design, production, and testing studies were carried out for Type-II and Type-V tank systems, and design evaluations were performed. It was determined that Type-II tank systems are unsuitable for cryogenic applications due to high thermal expansion differences between the metal liner and composite material in cryogenic temperatures. Under cryogenic conditions, the metal and composite shell experienced high delamination forces due to high thermal expansion differences. For the development of a low-cost cryogenic Type-V tank, innovative methods such as a liquefiable paraffin mandrel and wet filament winding were utilized. At the end of the studies, a successful prototype Type-V pressure tank was produced, capable of withstanding pressures up to 30 bars without any leaks. However, after a liquid nitrogen filling test, the same tank was observed to crack completely, losing its non-permeability. Throughout the thesis process, the aim was to work on each sub-problem, but due to the scale of the proposed study, some limitations were encountered. There are some recommendations to further expand the study, which include: Mechanical and thermal tests based on component and component interaction should be expanded to better assess material performance at different temperatures. The thermal and mechanical properties of each composite component should be determined as a function of temperature. Manufacturing using the wet filament winding method introduces uncertainties for composite materials. The production of such space systems is generally accomplished with prepreg materials and automated fiber placement systems. NDT measurement techniques for determining microcrack evolution on composite laminates could be researched and developed under cryogenic environments. Determining fiber/matrix interaction under cryogenic conditions is crucial for developing composite cryogenic pressure vessels. In conclusion, this thesis makes significant contributions to the development of cryogenic liquid oxygen tanks by exploring new materials, manufacturing techniques, and analytical methods. The findings not only extend the boundaries of cryogenic composite tank technology but also open doors to new possibilities for cost-effective and sustainable aviation applications. The results of the study are intended to provide a solid foundation for future advancements in this critical field.
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.
Development of QCM sensors for measuring particulate matter concentration

(Graduate School, 2024-05-30) Javadzadehkalhoran, Majid ; Trabzon, Levent ; 503182013 ; Mechanical Engineering

Particulate matter (PM) refers to a mixture of tiny solid particles and liquid droplets suspended in the air. These particles come in various sizes and compositions, and they can be made up of different substances including dust, dirt, soot, smoke, and liquid droplets. PM is typically categorized by size: PM10 includes particles with diameters that are 10 micrometers and smaller, while PM2.5 encompasses those with diameters that are 2.5 micrometers and smaller. These fine particles are of particular concern because they can penetrate deep into the lungs and even enter the bloodstream, posing significant health risks. PM1 is ultrafine particle (UFP), with a diameter of 1 µm or less. This is roughly 70-100 times smaller than the width of a human hair. PM1 particles can bypass the body's natural defenses much easier than PM2.5. Exposure to PM poses several significant health risks, primarily due to its ability to penetrate deep into the respiratory system and even enter the bloodstream. PM can irritate the respiratory tract, leading to conditions such as asthma, bronchitis, and other chronic respiratory diseases. Fine particles (PM2.5) can reach the alveoli in the lungs, causing inflammation and aggravating existing lung conditions. Long-term exposure to PM is linked to heart diseases, including heart attacks, arrhythmias, and hypertension. The particles can cause systemic inflammation and oxidative stress, which contribute to the development and progression of cardiovascular conditions. Studies have shown a correlation between PM exposure and premature mortality. People with pre-existing health conditions, the elderly, and children are particularly vulnerable to the harmful effects of PM. The severity of these health risks depends on several factors, including the concentration and composition of the particulate matter, the duration of exposure, and individual susceptibility. Reducing PM emissions through regulatory measures and personal protection strategies is crucial for mitigating these health risks. PM originates from a variety of sources, both natural and human-made. Key sources include combustion processes like emissions from vehicles, industrial facilities, power plants, residential heating or burning of biomass; construction activities such as dust from construction sites, demolition or road dust from vehicles traveling on unpaved roads; and natural sources like windblown dust, volcanic eruptions, and wildfires. Public awareness regarding air quality and the detrimental effects of particulate matter exposure has significantly increased in recent years. This has led to a surge in demand for reliable and accurate PM sensors for various applications, including indoor air quality monitoring, environmental monitoring, and occupational safety assessments. To ensure the effectiveness of these sensors, robust testing and evaluation procedures are crucial. However, conventional PM test setups often pose significant barriers due to their inherent limitations. Traditional PM test setups typically rely on large, complex equipment such as Scanning Mobility Particle Sizers (SMPS) and Aerosol Mass Spectrometers (AMS). While these instruments offer exceptional accuracy and detailed PM characterization, their high cost, operational complexity, and significant maintenance requirements make them inaccessible for many potential users. This limited accessibility hinders the widespread deployment and adoption of PM sensor technology, particularly for applications requiring real-time monitoring or deployment in resource-constrained settings. This thesis proposes a novel approach to address the challenges associated with conventional PM test setups. We introduce a cost-effective experimental setup specifically designed for PM sensor testing. This compact design prioritizes affordability and ease of use by leveraging readily available and commercially obtainable components. The core of the setup lies in a custom-made PM generator capable of producing PM from diverse sources, including dry powder, liquid suspension, and combustion. This versatility allows for a comprehensive evaluation of sensor performance under a wide range of PM types, simulating real-world scenarios encountered in various environments. A key innovation of this study lies in the combined use of Quartz Crystal Microbalance (QCM) and laser sensors within the test setup. Laser sensors are well-established for detecting larger PM due to their ability to measure particle size and number concentration based on light scattering principles. However, their sensitivity diminishes for ultra-fine PM, particularly those resembling smoke particles. By incorporating a QCM sensor, the setup gains the ability to effectively detect these smaller particles through mass accumulation on the sensor surface. This combined approach provides a more complete picture of PM concentration across a broader size spectrum, offering valuable insights into air quality. The subsequent sections of this thesis will delve into the details of the proposed experimental setup, including the design considerations for the PM generator and the selection criteria for the chosen sensor technologies. We will then present the findings from a comprehensive investigation into the performance of the QCM sensor under various PM sources and ambient conditions. In this thesis, an automatic aerosol generation setup was developed to maintain a stable PM concentration during experiments. This setup incorporates three different techniques for generating PM to investigate their effects on sensor response. In first technique the aerosol is generated from PM suspended in water. Dry chemical powders are initially mixed with water, and the mixture is then evaporated using a nebulizer. This aerosol passes through a custom-made PM dryer, which consists of a network of pipes running through a cylinder filled with silica gel grains. Moisture is removed from the mixture through diffusion as it travels through these pipes. The dried aerosols are then expelled from the PM chamber by an air pump. The second method is considered for creating dry aerosol from chemical powders. The powder is dispersed in a cylinder using pressurized air. Inside the cylinder, two small fans keep the particles suspended, creating a homogeneous mixture. The aerosol is then pushed out by a piston, which is controlled by a stepper motor and threaded bar. The third technique is used for smoke aerosol generation. Particles are produced by burning an incense stick and are collected in a smoke chamber. Similar to the method, the PM mixture exits the chamber via an air pump. All pumps and the stepper motor are controlled by a microcontroller connected to a computer. QCM is a compelling technology with potential applications in PM measurement, offering a unique approach that complements other established techniques. QCM technology holds promise for PM detection due to its distinct capabilities. Central to a QCM is a precisely crafted AT-cut quartz crystal, celebrated for its exceptional piezoelectric properties. These properties enable the crystal to convert mechanical stress into a measurable electrical signal, and conversely, an electrical voltage can cause the crystal to vibrate at a specific frequency. This characteristic frequency serves as a unique identifier, determined by the crystal's size, shape, and, most importantly, its mass. Continuously operating the QCM and implemented pump provides real-time resonance frequency data but does not directly indicate the rate of change in this frequency. To overcome this limitation and streamline the measurement process, this study introduces a novel method using pulsed pump operation. The pump delivers air intermittently, with brief idle periods in between. Each time the pump stops, the QCM's resonance frequency is recorded and compared to the frequency measured at the previous stop. To increase the sticking efficiency of particles, the surface of the QCM has been coated with a layer of grease. Applying this coating proved to be an effective strategy for enhancing sensor response, particularly for dry particles. The coating significantly improved particle adhesion, resulting in a stronger overall response. Furthermore, it reduced variations in sensor response due to differences in particle characteristics, ensuring more consistent performance across a wider range of PM types. The results will highlight the influence of factors such as PM composition, size, relative humidity (RH), and temperature on the sensor response. Finally, the study will discuss the complementary nature of QCM and laser sensors in PM detection, paving the way for the development of more robust and cost-effective PM monitoring systems. By offering a cost-effective and user-friendly alternative to existing test setups, this study has the potential to democratize PM sensor testing and accelerate the development of advanced air quality monitoring solutions. Variations in PM composition and size have a significant effect on the QCM response. Additionally, relative humidity (RH) can alter the sensor response by up to 22%. Although temperature changes in the airflow have minimal impact on the bare QCM response, increasing the temperature from 25°C to 30°C results in a 12% change in response for the grease-coated sensor. Notably, the QCM sensor performs best with small-sized smoke PMs, showing the least sensitivity to ambient conditions. Finally, the study will discuss the complementary nature of QCM and laser sensors in PM detection, paving the way for the development of more robust and cost-effective PM monitoring systems. By offering a cost-effective and user-friendly alternative to existing test setups, this study has the potential to democratize PM sensor testing and accelerate the development of advanced air quality monitoring solutions.
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.
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
Düz ve genişletilmiş yüzeylerde karlanma esnasındaki ısı ve kütle geçişinin deneysel incelenmesi ve düz levha için yeni bir kütle geçişi korelasyonu geliştirilmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-09-04) Aksoy, Adem ; Özdemir, Mustafa ; 503112002 ; Makina Mühendisliği

Bu çalışmada düz levhada ve kanatlı levhada karlanma esnasındaki; kar kalınlığı, biriken kar kütlesi ve ısı akısı ölçülmüştür. Kurulan deney tesisatında ilk olarak yatay düz levha ön ucunda homojen kabul edilebilecek bir hava hızı dağılımı sağlanmıştır. Hava sıcaklığı 21,9°C, bağıl nem %80 ve hava hızı 0.7 m/s iken; hava çıkış tarafındaki levha yüzey sıcaklıkları her testte farklı olarak; -15,1, -11,2, -7,1°C olduğu durumda yatay düz levhada kar oluşturulmuş ve bu koşullarda anlık kar kalınlığı, test sonunda ise biriken kar kütlesi ölçülmüştür. Literatürde çok nadir rastlanan, karlanma esnasındaki sürekli ısı akısı ölçümü de yapılmıştır. Biriken kar kütlesi bilindiğinden gizli ısı akısının hesaplanması mümkün olmuştur. Gizli ısı akısının hesaplanması toplam ısı akısı bilindiğinden duyulur ısı akısının da hesaplanmasını sağlamıştır. Duyulur ısı akısından anlık ortalama taşınımla ısı geçiş katsayıları hesaplanmıştır. Biriken kar kütlesi değerlerinden ortalama taşınımla kütle geçiş katsayıları hesaplanmıştır. Ortalama kütle geçiş katsayılarından ortalama Sherwood sayıları hesaplanmıştır. Yüksek düz levha sıcaklığında karlanmanın ilk aşamalarında beklenmedik bir ısı akısı artışı gözlemlenmiştir. Kar yüzey sıcaklığını bilmeyi gerektirmeyen, boyutsuz levha uzunluğu parametresini de içeren yeni bir boyutsuz kütle geçişi korelasyonu geliştirilmiştir. Kütle geçiş korelasyonu; hava sıcaklığından, hava hızından, bağıl nemden, levha sıcaklığından, levha uzunluğundan, levha genişliğinden ve zamandan türetilen; Reynolds sayısı, Fourier sayısı, özgül nem, boyutsuz sıcaklık, boyutsuz levha uzunluğu parametrelerinden oluşmaktadır. Korelasyon oluşturulurken önceki araştırmacıların kar kütlesi ölçümleri sunulan ölçümlere dahil edilerek oldukça geniş bir aralıkta geçerli olan bir korelasyon geliştirilmiştir. Korelasyonun geçerli olduğu aralık; hava hızı için 0,7 – 2,5 m/s, hava sıcaklığı için 5 – 22°C, levha sıcaklığı için -5 – -25 °C, bağıl nem için %50 – %83,73 ve levha uzunluğu için 85,6 – 300 mm'dir. Levha uzunluğunun boyutsuzlaştırılması korelasyonun geçerliliğini artırmıştır. Kanatlı levha çalışmalarında ise düz levha çalışmalarında üniform hava hızı dağılımı sağlanmış olan deney hücresine çok az çalışmada rastlanabilen kanat aralığı olan 4 mm aralıkla levha yüzeyine 19 mm yüksekliğinde 1 mm kalınlığında kanatlar konumlanmıştır ve karlanma incelenmiştir. 10°C hava sıcaklığında %75 bağıl nemde, hava hızı 0,7 m/s iken; kanatlı yüzeyi soğutan su banyosu sıcaklığı her testte farklı olarak; -23°C, -30°C, -33°C değerlerine getirilerek kanatlı yüzey üzerinde kar oluşturulmuştur. Hava çıkış kenarına yakın konumdan levha yüzey sıcaklığı, akış doğrultusunda ve akış doğrultusuna dik sıcaklıklar ise kanat üzerinde ölçülmüştür. Bunun yanında deney sonunda biriken kar kütlesi, literatürde çok nadir rastlanan sürekli ısı akısı ve sık kanatlı bir yapıda karlanmanın ön ve üst profilini oluşturan kar kalınlığı dağılımı da ölçülmüştür. Kanatlar arasındaki kar profili incelendiğinde kanat üst ucundan itibaren uzunca bir kısımda kar profili düz devam ederken tabana yakın kısımda kar birikimi sebebiyle daha kalın bir kar tabakası oluşmuştur. Ayrıca tabanda kanatların tam ortasındaki bölgede literatürde ilk defa bir kar tepesi gözlemlenmiştir. Kanatların ön yüzünde dışarı doğru bir kar tabakası birikimi de gözlemlenmiştir. Kanatların ön bölümü tıkandıkça hava yukarıya yönlenmektedir. Kanatlı yüzeylerin duyulur ısı geçişini arttırıcı bir etki yaptığı anlaşılmaktadır. Sıcaklık ve ısı akısı grafiklerinin eğimleri incelendiğinde en sıcak levha test şartı olan -23°C su banyosu testinin ikinci yarısında grafik eğimlerinin farklı olduğu görülmüştür, bu durum karlanmanın yüksek levha sıcaklığında etkisinin daha uzun sürdüğünü göstermektedir.
Dynamic stability analysis and parametric investigation of nonlinear friction-induced vibrations on a mass-sliding belt experiment

(Graduate School, 2023-10-20) Yavuz, Akif ; Şen, Osman Taha ; 503172026 ; Mechanical Engineering

Physical mechanical systems exhibit different nonlinear behavior, which arise due to elastic, friction, kinematic, and clearance nonlinearities. Hence, the dynamic investigation of these systems with analytical approaches becomes either more complicated or impossible. Though, as opposed to linear systems, inherent nonlinearities in mechanical systems lead to several interesting dynamic responses, such as dynamic instability, limit cycle oscilations, bifurcations, etc. Hence, this dissertation aims to investigate the dynamic response behavior of a mechanical system, which is inspired by the problem known as brake squeal phenomenon. This problem is implemented on a simplified yet controlled mass-sliding belt experiment, which exhibits friction, clearance and kinematic nonlinearities. Brake squeal as a dynamic instability phenomenon is a major comfort problem observed in automotive disc brake systems. The brake squeal problem is studied through experimental, numerical, analytical and meta-model approaches. In this context, the dissertation is divided into three main parts in order to investigate the source mechanism of brake squeal and to predict the brake squeal noise generation. First study is aimed to investigate the effects of certain operational parameters on squeal initiation. The problem is investigated both experimentally and mathematically from the perspective of system stability. Hence, a mass-sliding belt experiment is designed and built, with a focus on three key operational parameters (preload, motor angular speed and angular configuration). Experiments are conducted at a wide range of these operational parameters, and the data is investigated in both time and frequency domains. The contact stiffness, which is a required parameter for the mathematical model, is determined with modal tests performed on the experiment. Corresponding data collected from the experiment is also used to obtain the characteristics of the friction coefficient at the mass and sliding belt contact interface. Next, a nonlinear mathematical model of the experiment is developed, though it is then linearized through certain assumptions for the investigation of the system stability. Data reveal local dynamic amplifications in time histories of certain operational parameters, which lead to the emergence of super-harmonics in frequency domain. The effects of key operational parameters on system stability are observed. It is concluded that there is a good correlation between the model predictions and experiments, and an extensive understanding about the effects of key operational parameters on system stability is obtained. Finally, stability analysis based on linearized model is validated with the experimental data, and the critical values of dynamic friction coefficient and motor angular speed are obtained. The main objective of second study is to investigate the effect of pad stiffness on the dynamic behavior of brake squeal problem. Hence, a two degree of freedom masssliding belt model is developed where the friction model at the mass and sliding belt interface derived through experiments. It is observed that the experimentally obtained friction model resambles Stribeck type friction model characteristics. This model consists of a mass (brake pad), which is attached to the common ground via four linear springs, and a sliding belt (brake disc) under the mass. Furthermore, two of the linear springs are attached to the mass with arbitrary angles. The nonlinear model is linearized again with some assumptions to check the system stability through complex eigenvalue analysis. The linear stability analysis reveals that the system exhibit mode coupling behavior as a physical mechanism that initiates the squeal noise. Furthermore, it is observed that the value of the critical pad stiffness (value of stiffness at which instability begins) decreases with the preload applied through the springs on the mass. On the contrary, the value of critical pad stiffness is found to be increased as the belt velocity increases. The results of the linear stability analyses are compared to the numerical solution of the nonlinear governing equations, and it is observed that the results of linear stability analyses are in accordance with the numerical solutions. Third study aims to investigate the predictability of a friction-induced nonlinear dynamic behavior on a simplified yet controlled laboratory experiment through the fuzzy logic approach. Experiments are carried out on the mass-sliding belt experiment to observe the effects of several operating parameters on the occurrence of nonlinear dynamic behavior. Experiments are performed at various levels of these operating parameter, and the data are collected. Then, fuzzy logic model architectures with different membership functions are built, where these operating parameters are assumed as the input parameters. The output of the fuzzy logic model architecture is defined as a new parameter, which is called as squeal index. Finally, a fuzzy logic model with a 96.97% prediction accuracy is obtained. Hence, it is shown that the proposed model can provide insight about the dynamic behavior of the system of interest without solving the nonlinear governing equations. Furthermore, the proposed model allows the prediction of the system state at operating conditions where experimentation is not possible, and it can be used for the determination of the critical operating parameters at which the system behavior switches from one state to another.
Eşil mekaniğin nanoçubukların statik problemlerine uygulanması

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-05-16) Koç, Hilal ; Tüfekci, Ekrem ; 503182012 ; Makina Mühendisliği

Nano boyuttaki malzemeler, boyuta bağlı olduğu için, makro boyut kabulü ile yapılan modeller gerçeği temsil etmekte yetersiz kalmaktadır. Bu nedenle, literatürde nano çubukların, nano kirişlerin ve nano tüplerin statik ve dinamik davranışları, boyuta bağlı teoriler kullanılarak incelenmektedir. Boyuta bağlı teorilere, gerilme gradyanı teorisi, birim şekil değiştirme gradyanı teorisi, gerilme bağlaşımı teorisi, yerel olmayan elastisite teorisi örnek olarak verilebilir. Bu teorilerde, boyut parametresinin belirlenmesi, önemli bir problemdir. Başka bir deyişle, iç yapının karakteristik uzunluk parametresi, belli bir aralıkta seçilmekte ve probleme göre değişiklik göstermektedir. Yani, bu parametrenin değerinin kesin olarak bilinmesi mümkün değildir. Nano çubukların mekanik davranışlarının, eşil mekanik yöntemi ile incelenmesi ise oldukça yeni bir yaklaşımdır. Nano/mikro yapıyla ve iç yapının karakteristik uzunluğuyla doğrudan ilişkili olan eşil mekanik yöntemi, diğer boyuta bağlı teorilerle karşılaştırıldığında iç yapının konumlanmasını da içerdiği için önemli bir üstünlüğe sahiptir. Eşil mekanik yaklaşımında, boyut parametresi doğrudan atomlar arasındaki uzaklık olarak ele alınmaktadır. Ayrıca, bu yaklaşım atomların konumları, basit kafes yapıları gibi iç yapının konumlanmasını da ele aldığı için, aynı iç uzunluğa sahip, ancak, farklı atom konumlanması veya kafes yapısı olması durumlarını da dikkate almaktadır. Eşil mekaniğin aksine, aynı karakteristik iç uzunluğa ve farklı iç yapı konumlamalarına sahip tüm cisimler diğer boyuta bağlı teoriler kullanılarak incelendiğinde elde edilen denklemlerin aynı olduğu görülmektedir. Eşil mekanik yöntemi ile yapıdaki atomların konumlarına göre de farklı modelleme olanağı bulunmaktadır. Literatürde, iç yapının karakteristik uzunluğuna bağlı diğer teorilerin malzemenin sertleştiği veya yumuşadığı bilgisini verdiği, eşil mekaniğin ise iç yapının şekline bağlı olarak yumuşamayı ve sertleşmeyi tahmin edebildiği görülmektedir. Eşil mekaniğin en önemli üstünlüklerinden biri, deneysel sonuçlarla da uyumlu olmasıdır. Bu nedenle, tezde önerilen eşil mekanik yaklaşımının, boyut etkisini dahil eden teorilere göre oldukça avantajlı olduğu görülmektedir. Eşil mekanik yaklaşımında, şekil değiştirmeler Taylor serisi ile ifade edilir. Elde edilen diferansiyel denklemlerin mertebesi Taylor serisine bağlıdır. Nano/mikro yapının modellenmesi, Taylor serisinde kullanılacak terim sayısı ile ilgilidir. Kullanılacak terim sayısının artması ile sonuçların doğru değerlere yakınsaması arasında ilişki bulunmaması ve artan terim sayısının hesaplama yükü de getirmesi eşil mekanik yönteminin zayıf yönleri olarak ifade edilebilir. Diğer yöntemlerle karşılaştırıldığında eşil mekanik yönteminin avantajları ise, atomlar arası iç karakteristik uzunluğun doğrudan atomlar arası uzaklığı ifade etmesi nedeniyle daha yüksek hesaplama doğruluğuna sahip olmasıdır. Bu yaklaşım sayesinde, nano ölçekli sistemlerin tasarımının çok daha güvenilir bir şekilde yapılabileceği düşünülmektedir. Birinci bölümde, nano yapıların, nano çubukların, nano kirişlerin ve nanotüplerin, mekanik davranışlarının incelenmesinde, literatürde kullanılan yöntemlere ve çalışmalara yer verilmiştir. Ayrıca, bu çalışmanın literatürdeki çalışmalardan hangi özellikler bakımından üstün olduğuna değinilmiştir. Yapılan literatür araştırmasında, genellikle yerel olmayan elastisite teorisinin diferansiyel ve integral formu kullanılarak yapılan çalışmaların yer aldığı, eşil mekanik yöntemi kullanılarak yapılan az sayıda çalışma olduğu gözlemlenmiştir.
Evaluation of model-based predictive control methods in high-speed automated ground vehicle path following

(Graduate School, 2024-06-25) Yangın, Volkan Bekir ; Akalın, Özgen ; 503182020 ; Mechanical Engineering

Ensuring safe driving in autonomous vehicles is one of the most important requirements. Providing trajectory tracking plays a key role in this issue. A number of technological instruments such as electronic anti-skid systems, electronic stability programs and electric-hydraulic-supported steering systems are used to obtain the safest trajectory for a vehicle. These systems developed by automotive manufacturers are controlled by different methods. For example, proportional-integral-derivative (PID) control, Fuzzy logic, linear-quadratic-regulator (LQR), linear-quadratic-integrator (LQI), artificial neural networks, H-infinity and model predictive control are utilized for directional control in vehicles. With the help of these control methods, parameters such as steering angle and/or wheel moments are optimized, and human intervention in driving is partially or completely prevented. Model predictive control (MPC), one of the listed methods, differs from other control methods due to its suitability for autonomous driving systems. It is a model-based control method. In this approach, the control action is provided by considering the difference between the predicted and current outputs of the system. The control signal is generated according to the selection of the MPC parameters (prediction horizon, control horizon, appropriate sampling time and weighting parameters). In addition, the MPC is capable of working with multiple system and controller outputs, multiple constraints on the control signal and multiple set-points. Furthermore, the base model of the MPC can be in linear or nonlinear formulations. In linear MPC systems, the base model formulation remains constant throughout the control action. In nonlinear MPC systems, the base model is updated at each sampling depending on the outputs of the system. With this implementation, nonlinear and complex systems can be controlled with MPC. Due to these advantages, MPC is frequently used in solving of trajectory tracking problems of the autonomous vehicles. In this Ph.D. thesis, the MPC-based control systems for a military vehicle cruising at constant speed in the NATO double lane change (DLC) maneuver are presented, considering successful trajectory tracking and fast control signal generation. This vehicle is entitled "system" and it is represented by a two-track nonlinear vehicle model. The system model has 4 degrees of freedom in the vehicle body (longitudinal motion, lateral motion, yaw motion and roll motion) and 8 degrees of freedom in each wheel (rotation). The inputs to the system are the steering angle for the front wheels and the torque outputs of each wheel. Magic Formula (2002) version is used to model the tires of the vehicle. This semi-experimental model is used to calculate the lateral and longitudinal forces that can be produced by the tire using the experimentally-determined tire parameters. The friction between the tire and ground and combined slip properties are also considered in the tire modelling. The system model has been validated using the experimental data generated by a NATO Research Task Group on Applied Vehicle Technology. The data include outputs such as steering wheel angle, wheel moments, lateral acceleration, roll angle, roll rate, yaw angle, yaw rate and global position. Six control systems based on discrete-time MPC are developed. These are "linear MPC", "adaptive nonlinear MPC" (with two tuning methods), "robust linear MPC", "classical nonlinear MPC with multiple controller outputs" and "explicit tunable nonlinear MPC". In all controllers, the vehicle model with two degrees of freedom is used as the base model. The degrees of freedom are the yaw motion of the body and the lateral motion of the center of gravity. In all controller designs, except for the "classical nonlinear MPC" and "explicit tunable nonlinear MPC" designs, the base model is configured as a single-track vehicle model. In addition, the steering angle is used as the only control signal. In the "classical nonlinear MPC" and "explicit tunable nonlinear MPC" designs, the base model is a two-track vehicle model. The steering angle and direct yaw moment are determined in coordination. In the "explicit tunable nonlinear MPC" design, the control law is not obtained using online approaches. However, in other controllers, the control signal is generated online by minimizing the cost function in the MPC structure. In all controller designs, the lateral position of the center of gravity and the yaw angle of the body are used as desired system outputs. In addition, the system model is always assumed to be at constant speed during the DLC maneuver. In the first controller design, "linear MPC", the system is expected to approach the set points at two different speeds. The base model of the controller is linear. No tuning method is used to determine the controller parameters. In the simulation studies, it is observed that the "linear MPC" can provide improved trajectory tracking performance compared to the proportional-integral-derivative (PID) control method. In the second controller design, "adaptive nonlinear MPC (version 1)", it is aimed to increase the experimentally-determined maximum NATO DLC speed of the system. The parameters of this controller are tuned by artificial neural networks (ANN) and determined online at each sampling instant according to the outputs of the system. In addition, during the control signal generation phase, the nonlinear base model is linearized at each sampling instant. This process is completed by considering the instantaneous values of the control signal and the system states. These features make the controller adaptive. Steering angle is the only control signal. Simulations show that the maximum NATO DLC speed can be increased using "adaptive nonlinear MPC (version 1)" compared to experiments and PID controller, without lateral skidding, wheel lift-off and roll-over. The third controller design, "adaptive and nonlinear MPC (version 2)", is an enhanced version of the "adaptive and nonlinear MPC (version 1)". The weights of this controller are tuned using a combined structure of ANN and the Big Bang-Big Crunch (BB-BC) algorithm. It includes 2 layers: In the first layer, controller weights are determined by ANN. These weights are then evaluated as the initial center of mass in the first iteration of the BB-BC algorithm. The BB-BC algorithm also works in two stages: In the first stage, "Big Bang", the initial population is obtained. Then the "Big Crunch" phase starts and candidate solutions are gathered around the center of mass. The BB-BC algorithm is inspired by the formation of the universe and it determines the controller weights with low computational load and fast convergence. The combined tuning mechanism is adaptive and online. The results showed that, all controller weights are tuned online and updated during the maneuvers, and path following performance of the vehicle is enhanced at different NATO DLC speeds using the developed tuning mechanism, compared to working with ANN only. The fourth design, "robust linear MPC", aims to provide a control action where controller performance is maintained at different vehicle speeds. Steering angle is the only controller output. The robustness of the controller is ensured by ANN in 2 steps. In the first step, controller weights and sampling time are determined for a given range of vehicle speeds to achieve maximum tracking performance. These parameters are determined to be same for all speeds. In addition, a smoothed control signal is obtained by adaptively selecting the prediction horizon according to the vehicle speed. In the simulation studies, it is observed that the "robust linear MPC" is more successful in trajectory following and more flexible in terms of completing the control action at three different vehicle speeds, compared to a set of linear-quadratic-integrator (LQI) and two discrete integrators. The fifth design, the "classical nonlinear MPC with multiple controller outputs", aims to optimize the steering angle and the direct yaw moment (DYM) to ensure trajectory tracking in the NATO DLC maneuver at 2 different speeds. The DYM is then determined as rear wheel torques using the wheel torque distribution algorithm and transmitted to the system model. No method is used to tune controller parameters. In order to reduce the high computational burden caused by the online control signal generation, multiple controller outputs and base model complexity, the sixth design, the "tunable explicit nonlinear MPC", is used. In this design, the behavior of the "classical nonlinear MPC" on the control action is completely modeled by ANN. Furthermore, in order to improve the trajectory tracking performance, the weights of the controller are adjusted by two mechanisms: ANN and fuzzy logic. The simulation results show that the "tunable explicit nonlinear MPC" is more successful than the "classical nonlinear MPC" in terms of trajectory tracking and computational efficiency. All simulations in this Ph.D. thesis were performed in MATLAB / SIMULINK environment. It has been determined that the controllers designed based on MPC show effective results in terms of trajectory tracking performance and computational load. They are candidates for the control of autonomous vehicles.
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.
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.
Grafen oksit katkılı polimer nanokompozitlerin çeşitliözelliklerinin incelenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-01-12) Şentürk, Oğuzkan ; Palabıyık, İbrahim Mehmet ; 503142005 ; Makina Mühendisliği

GO veya diğer nano katkı malzemelerinin polimer matrisinde kullanılmasındaki en büyük zorluklardan biri homojen olmayan dağılım ve topaklanmadır. In situ polimerizayon vede eriyik ve solvent karıştırma yöntemlerinin kombinasyonu iyi dağılmış GO katkılı polimer nanokompozitlerin elde edilmesi açısından umut vericidir. Bu nedenle takdim edilen doktora tezi, GO'nun sahip olduğu özellikleri polimer nanokompozit elde ederken etkili bir şekilde aktarabilme hedefiyle iki çalışma etrafında şekillenmiştir. İlk çalışmada in situ polimerizayon ile imal edilen PA6/GO nanokompozitlerin karakterizasyon, termal, mekanik, viskoelastik ve tribolojik özellikleri incelenmiştir. İkinci çalışmada, eriyik ve solvent karıştırma yöntemlerinin kombinasyonuyla imal edilen PA6/HDPE+GO polimer karışım nanokompozitlerinin termal, mekanik, viskoelastik ve tribolojik özellikleri incelenmiştir. İlk çalışmada, PA6/GO nanokompozitleri 4 farklı karışım oranında in situ polimerizasyonla elde edilmiştir. PA6/GO nanokompozitlerinin karakterizsyon, termal, mekanik, viskoelastik ve tribolojik özellikleri şu şekilde incelenmiştir: XRD bulguları, GO'nun tipik kırınma pikinin ortadan kalktığını göstermiştir. Kristal tipinin değişmesi PA6 zincirlerinin GO üzerine etkili bir şekilde aşılandığını göstermektedir. XPS sonuçları, GO/PA6 elemental taramasından elde edilen güçlü N1s sinyali, C1s dekonvolüsyon pikleri ile birlikte değerlendirildiğinde, GO'in PA6 ile aşılandığını göstermiştir. GO/PA6 ve GO FT-IR spektrumları karşılaştırıldığında yeni pikler ortaya çıkmıştır. Elde edilen pikler, yeni ara moleküler bağlardan kaynaklanan GO'daki konformasyonel değişikliklerin, PA6 zincirlerinin GO üzerine aşılandığını ortaya koymaktadır. Raman spektrumu, PA6'nın GO'ya aşılanmasının GO/PA6'nın G modunu genişlettiğini göstermiştir. Ayrıca, artan kusur için kabul edilen gösterge olan ID/IG oranının, GO'ya kıyasla arttığını ortaya koymaktadır. AFM verilerine göre, karboksilik asit ve amino asit grupları arasındaki reaksiyon, 10,8 nm tarama yüksekliğinde görüldüğü gibi PA6'nın GO yüzeyine başarılı bir şekilde bağlandığını göstermektedir. PA6 ve PA6/GO nanokompozitlerinin DSC sonuçları karşılaştırılmıştır. GO ağırlık oranının artmasıyla genel kristalleşme derecesinin (%Xc) azaldığını göstermiştir Ayrıca, PA6 ve PA6/GO nanokompozitleri için soğutma DSC eğrileri, iyi dağılmış GO'nun çekirdeklenme ajanı olarak işlev gördüğünü ve PA6 ile etkileşime girerek daha yüksek bir kristalleşme sıcaklığına yol açtığını göstermiştir. TGA sonuçları, GO konsantrasyonunun bozunma sıcaklığı (Td) üzerinde önemsiz bir etkisi olduğunu ve termal kararlılıkta çok az bir iyileşme sağladığını göstermiştir. Bulgular, PA6'ya kıyasla PA6/GO nanokompozitlerin elastisite modülü ve maksimum çekme mukavemetinin GO ağırlık oranının artmasıyla arttığını göstermiştir. Kopma uzaması verileri değerlendirildiğinde, artan GO ağırlık oranı sonucunda sertlik artmakta, polimer hareketliliği sınırlanmakta ve kopma uzaması azalmaktadır. PA6/GO nanokompozit numunelerin çekme testi sonrasında kopma yüzeylerinin morfolojisi incelenmiştir. SEM sonuçları, gerilme özelliklerindeki iyileşmenin homojen dağılma ve kimyasal etkileşim sonucu meydana geldiğini göstermektedir. PA6'ya kıyasla, nanokompozitlerin eğilme gerilmesi ve modül değerleri GO içeriği arttıkça önemli ölçüde artmıştır. Bu iyileştirme yine rijit GO kullanılarak elde edilmiştir. Çentikli Charpy darbe testi sonuçlarına göre nanokompozitlerdeki her GO içeriğinin PA6'ya göre darbe mukavemetini arttığını göstermektedir. Kopma uzaması sonuçlarıyla uyumlu olarak fazla miktarda GO'nun PA6/GO nanokompozitlerinin darbe mukavemetini artırmadığı sonucuna varılabilir. DMA malzemelerin viskoelastik özelliklerini belirlemekte kullanılan en önemli deney yöntemlerinden biridir. Sıcaklığın depolama modülü üzerine etkisi çok net görülmüştür. Depolama modülleri sıcaklığın etkisi ile sürekli olarak azalmıştır. Buna karşın nanokompozitlerinin depolama modülü, PA6'ya göre tüm sıcaklıklarda GO içeriğinin artmasıyla artış göstermiştir. Maksimum Tan Delta değerinin azaldığını ve camsı geçiş sıcaklığının (Tg) PA6 matrisindeki homojen GO dağılımı ve etkileşimi sonucunda arttığı görülmüştür. PA6/GO nanokompozitleri sürtünme katsayısı eğrilerinin, sürekli sürtünme katsayısına geçiş mesafesi nanokompozitlerdeki GO miktarının artmasıyla azalmıştır. GO'nun PA6 ile birleştirilmesi, sürtünme katsayısında önemli bir azalmaya neden olmuştur. PA6'ya kıyasla PA6/GO nanokompozitlerinin termal iletkenliklerinin GO ağırlık yüzdesi arttıkça arttığı gösterilmiştir. GO'nun homojen dağılımı ve güçlü PA6 monomer zinciri etkileşimleri ile GO'nun üstün termal özelliklerinin etkili bir şekilde aktarılmasını sağlamıştır. Ayrıca, sürtünme testleri sırasında ölçülebilir noktadan ara yüzü gösteren termal görüntüleme kamera sonuçlarına göre GO'nun PA6 ile birleşmesi sürtünme sıcaklıklarının düşmesine katkı sağlamıştır. PA6'ya kıyasla PA6/GO nanokompozitlerinin istisnai derecede iyi aşınma direnci olduğu vurgulanmalıdır. Herhangi bir sürtünme mesafesindeki aşınma hacmi PA6'dan daha küçüktür. PA6'ya kıyasla, PA6/GO nanokompozitleri artan GO içeriği ile çelik karşı yüzeyde sürekli ve düz bir transfer filmi oluşturmuştur. PA6 için derin oyuklar şeklinde görülen abraziv aşınma mekanizmasının baskın aşınma mekanizması olduğu bulunmuştur. GO'nun ağırlıkça % 0,5'inden sonra elde edilen nispeten düz ve pürüzsüz aşınma yüzeyleri, aşınma şeklinin adaziv aşınmaya dönüştüğünü göstermektedir. PA6/GO nanokompozitlerinde GO içeriğinin artmasıyla aşınma hızları azalmış ve her yük için PA6'ya göre önemli ölçüde daha düşük aşınma hızları elde edilmiştir. PA6/GO nanokompozitlerin aşınma hızının, kayma hızı yükseldikçe arttığı görülmüştür. Aşınma hızları, kayma hızının azalmasıyla önemli ölçüde azalmamıştır. Çünkü transfer film oluşturma yeteneği sınırlı olan PA6, zaten belirgin şekilde metal pürüz tepelerine maruz kalmaktadır. Sürekli ve sabit bir transfer film oluşması aşınma hızını azalmasına neden olmuştur. İkinci çalışmada, polimer karışım nanokompozitleri, PA6, HDPE, MAPE ve GO kullanılarak 5 farklı formülasyonla hazırlanmıştır. PA6/HDPE+GO nanokompozitlerinin termal, mekanik, viskoelastik ve tribolojik özellikleri şu şekilde incelenmiştir: PA6/HDPE+GO nanokompozitlerin DSC sonuçları karşılaştırılmıştır. GO içeriğinin artması, erime sıcaklıkları üzerinde önemsiz bir etkiye sahiptir. GO ağırlık oranının artmasıyla nanokompozitlerin kristalliği azalmıştır. GO konsantrasyonunun bozunma sıcaklığı (Td) üzerinde hafif bir etkisi olduğunu ve termal kararlılıkta çok az bir iyileşme olduğunu göstermiştir. İmal edilen nanokompozitlerin istenilen ağırlık oranında GO içerip içermedikleri yüzde ağırlık azalmalarıyla tatmin edici bir şekilde gösterilmiştir. PA6/HDPE+GO nanokompozitlerinin çekme testi sonuçları, GO'nun PA6/HDPE nanokompozitlerine dahil edilmesinin PA6/HDPE'e göre hem elastisite modülünü hem de maksimum çekme mukavemetini artırdığını göstermektedir. Bu iyileştirme doğrudan GO ağırlık oranıyla ilgilidir. Kopma uzaması verileriyle birlikte değerlendirildiğinde, rijit GO'nun PA6/HDPE deformasyonunu sınırladığını PA6/HDPE'ye göre önemli ölçüde azalma ölçülmüştür. PA6/HDPE+GO nanokompozit numunelerin çekme testi sonrasında kopma yüzeylerinin morfolojisi incelenmiştir. GO ağırlık oranının artmasıyla ara yüzey adezyon mukavemetinin önemli ölçüde yükseldiği görülmüştür. Bu gözlemler, gerilme özelliklerindeki iyileşmenin GO'nun matris içerisindeki homojen dağılımın neden olduğunu göstermektedir. Nanokompozitlerin, GO içeriği arttıkça PA6/HDPE'ye göre artan eğilme gerilmesi ve modül değerleri sergilediği görülmektedir. Bu iyileştirme, çekme deneylerinde olduğu gibi rijit GO'nun kullanımıyla elde edilmiştir. Charpy darbe testi sonuçları, nanokompozitlerde her GO içeriği için darbe mukavemetinin PA6/HDPE'ye göre azaldığını göstermektedir. Darbe mukavemeti, çatlak ilerlemesini kolaylaştıran ve gerilme transfer yolunu kısıtlayan oldukça sert GO varlığı nedeniyle düşmüştür. GO içeriğinin artırılmasının, PA6/HDPE+GO nanokompozit enerji emme yeteneğini azalttığı sonucuna varılabilir. Nanokompozitlerin depolama modülü, PA6/HDPE göre tüm sıcaklıklarda GO içeriğinin artmasıyla artış göstermiştir. Depolama modülündeki bu artış, GO'nun PA6/HDPE matrisine eklenmesiyle elde edilen sertlikle ilişkilendirilmektedir. PA6/HDPE+GO nanokompozitlerin maksimum Tan Delta değerinin azaldığını; camsı geçiş sıcaklığının (Tg) ise GO'nun varlığı ve PA6/HDPE matrisindeki homojen dağılımı ile arttığı gözlenmiştir. Sürtünme katsayısı eğrilerinin sürekli sürtünme katsayısına geçiş mesafesi, nanokompozitlerdeki GO miktarının artmasıyla hızlanmıştır. Nanokompozitlerdeki GO konsantrasyonunun artması, sürtünme katsayılarının azalmasına neden olmuştur. PA6/HDPE'ye kıyasla GO ağırlık oranının artmasıyla PA6/HDPE+GO nanokompozitlerinin termal iletkenliklerinin yükseldiğini göstermektedir. Bu artış, GO'nun homojen dağılımı ve GO'nun olağanüstü termal özelliklerinin verimli bir şekilde aktarmasıyla sağlamıştır. Artan ısı iletim katsayısı, sürtünme ısısının hızlı bir şekilde dağılmasına katkıda bulunmuştur, bu da GO ağırlık oranının artışıyla sürtünme sıcaklıklarının azalmasına katkı sağlamıştır. PA6/HDPE'ye göre, GO'nun PA6/HDPE nanokompozitlerine eklenmesi, çelik karşı yüzeyler üzerinde son derece homojen ve sürekli bir transfer filmi oluşturmuştur ve GO konsantrasyonu arttıkça transfer film oluşumu iyileşmiştir. Aşınma yüzeylerinden elde edilen SEM mikrografları, GO içeriğinin artmasının nanokompozitlerin aşınma direncini önemli ölçüde artırdığı açıktır. %0.25 GO içeriğinden sonra aşınma biçimi abraziv aşınmadan adeziv aşınma yönünde değiştiğini göstermektedir. PA6/HDPE+GO nanokompozitleri için GO içeriğinin artmasıyla aşınma hızlarının düştüğü ve PA6/HDPE'nin aşınma hızlarına kıyasla daha düşük aşınma hızları elde edildiğini göstermektedir. Sürtünme katsayıları ve transfer film sonuçları ile uyumlu bir şekilde, iyi dağılmış rijit GO, ağırlık oranı arttıkça, rijitlik ve yük taşıma yeteneklerini artırarak aşınma hızlarını azaltmıştır. Ayrıca sürtünme tarafından üretilen ısının azalması nedeniyle PA6/HDPE+GO nanokompozitler, karşı yüzey üzerindeki sürekli ve kararlı bir transfer film oluşturmuştur. Bu, aşınma hızını azaltmaya yardımcı olmuştur.
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.
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.

Gözat

Başlık ile LEE-Makina Mühendisliği-Doktora'a göz atma

Sayfa başına sonuç

Sıralama Seçenekleri