LEE- Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği-Yüksek Lisans

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/19283

Gözat

Başlık ile LEE- Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği-Yüksek Lisans'a göz atma
  • Öge
    İçten yanmalı motor egzoz manifoldunun sayısal modellenmesi ve incelenmesi
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Benek, Görkem ; Özsoysal, Osman Azmi ; 692492 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği
    Dünya ticaret hacmini oluşturan insan ve yük taşımacılığında kullanılan araçların büyük çoğunluğunda içten yanmalı motorlar kullanılmaktadır. İçten yanmalı motorların geniş bir kullanım alanına sahip olmasının nedeni olarak bu motorlardan geniş bir yelpazede güç elde edilmesi ve performanslarının yüksek olması gösterilebilir. İçten yanmalı motorlarda alt ısıl değeri yüksek olan fosil yakıtlar, biyodizeller ve hidrojen bazlı yakıtlar kullanılabilir. Fakat tedarik zinciri ve üretim maliyetleri ele alındığından içten yanmalı motorlarda en fazla fosil yakıtlar kullanılmaktadır. İçten yanmalı motorlarda kullanılan yakıtlar ele alındığında, bu motorlar karbon başta olmak üzere yüksek emisyon oranlarına sahiptir. İçten yanmalı motorlardan kaynaklanan emisyonlar sera gazı etkisine neden olmakta ve küresel ısınmanın en önemli etkenlerinden biri sayılmaktadır. Günümüzde yakıt verimliliğinin artması dolayısıyla yakıt tüketiminin azalması oldukça büyük önem kazanmıştır. Çevreye verilen zararların azaltılması için, hem hidrojen tabanlı yakıtlar üzerine çalışmalar hem de içten yanmalı motorların ısıl ve mekanik verimlerini yükseltmeye yönelik çalışmalar güncel şekilde devam etmektedir. Gelişen bilgisayar teknolojisi ile içten yanmalı motorların enerji verimliliğini arttırmaya yönelik çalışmalar, bilgisayar ortamında model oluşturularak yapılmaya başlanmıştır. Bu sayede yapılan geliştirme çalışmaların, hızlı, pratik, ucuz ve çevreye verdikleri zararın minimum olması amaçlana gelmiştir. İçten yanmalı motorların çalışma çevriminde gaz akışı ve yanma olayları gerçekleşmektedir. Basit bir şekilde anlatılacak olursa motorun giriş kısmından hava emilir, emilen havanın silindir içerisinde yakıt ile karışmasıyla yanma olayı gerçekleşir. Yanma olayından elde edilen enerji silindir vasıtasıyla hareket enerjisine dönüştürülür. Yanma sonrasında açığa çıkan egzoz gazları da içten yanmalı motorun dışına egzoz sistemi yardımıyla atılır. İçten yanmalı motorlar bilgisayar ortamında modellenirken akış ve yanma olayları modellenmektedir. Bu motorların çalışma çevrimi karışık olduğundan emme, yanma ve egzoz adımlarının ayrı ayrı incelenmesi modelleme çalışmalarına hız ve pratiklik getirmektedir. İçten yanmalı motor içindeki gaz akışı modellenirken akış, sıkıştırılabilir akış olarak kabul edilir. Sıkıştırılabilir akış modellenirken Navier Stokes denklemleri kullanılır. Fakat kullanılan bu denklemler analitik olarak çözülemeyen veya çözülmesi zor olan diferansiyel denklemlerdir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği modellerinde bu denklemleri çözmek için farklı yaklaşımlar ve basitleştirmeler kullanılır. Akış koşulları ve sınır şartları belirlenerek oluşturulan model bu çalışmada sonlu hacimler yöntemi kullanarak çözülmüştür. Sonlu hacimler yöntemi kapsamında oluşturulan model çok küçük hacimlere bölünmüş ve bu hacimlerde Navier Stokes denklemleri çözülmüştür. Bilgisayar ortamında oluşturulan akış probleminin çözümünde çeşitli paket programlar kullanılmaktadır. Genel olarak bu paket programlara, kullanıcı dostu olması açısından müdahale imkanı kısıtlıdır. Bu programlarda model oluşturulur, sınır şartları girilir. Programa tanımlanmış olan çözüm yöntemlerinin içinden uygun olan seçilerek programdan sonuçlar elde edilir. Bu çalışma da ise OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) programı kullanılmıştır. Bu program açık kaynaklı olup isteyen herkesin ulaşımına açık bir programdır. Bu program kapsamında belirli bir algoritma oluşturulmuş ve programın kodları herkesin paylaşımına açılmıştır. Modele ait geometri ve sınır şartlarınının yanı sıra çözüm yöntemleri de dahil olmak üzere her koda müdahale imkanı verilmiştir. Uygun sınır koşullarını veya çözüm yöntemlerini programın içine aktararak kendi probleminize ait düzenlemeleri rahatlıkla uygulama imkanı sunmaktadır. Programın bu imkanları ve açık kaynak olması ele alındığında bu tez çalışmasında kullanılması uygun görülmüştür. Bu tez çalışmasında gemi dizel motorunun egzoz manifold içindeki egzoz gazlarının hız ve basınç dağılımları ve türbülans karakteristikleri incelenmiştir. Gemi dizel motorunun egzoz valfleri ve manifoldu içindeki değerleri kullanılarak manifold içindeki gaz akışı modellenmiştir. Bu çalışmada 3.96 litre hacminde 16 silindire sahip V tipi gemi dizel motorunun egzoz manifoldu kullanılmıştır. Gemi dizel motoru dört stroklu olup türboşarjlıdır. İncelenmek için seçilen motor bloğundaki ateşleme sırası 5-2-8-3-4-6-1-7 şeklindedir. Manifold içindeki akış modellenirken, egzoz valflerinden manifolda doğru giren egzoz gaz akışı sırası ve zamanlaması bu ateşleme sırasına göre oluşturulmuştur. Gemi dizel motorunun manifoldu modellenirken 1:1 ölçek kullanılmıştır. Manifoldun geometrisi, egzoz gazlarının hız ve basınç değerleri, egzoz valflerinin açılma zamanlaması ve ısı transferi ele alındığında egzoz manifoldu modellenirken belirli bir ölçek kullanarak boyutların küçülmesi sağlanamamıştır. Modellenen egzoz manifoldu 1820 mm uzunluğunda, 130 mm çapındadır. Egzoz valfi ile manifold arasındaki bağlantı borularının uzunluğu 145 mm'dir. Bağlantı borularının egzoz valfi tarafındaki çapı 80 mm, manifolda bağlandığı noktalardaki çapı 50 mmdir. Manifoldun boyutlarını ölçeklendirerek küçültemediğimizden sonlu hacimler metodunu uygulamak için oluşturulan hücre sayılarında yüksek adetlere çıkılmak zorunda kalınmıştır. Oluşturulan modelin hücre sayısından bağımsızlığını gösterebilmek için model ağ örgüsü kaba (coarse), orta (medium) ve sık (fine) olmak üzere üç farklı sıklıkta hücre sayısına bölünmüştür. Bunlardan kaba olan ağ örgüsü 1.3 milyon hücre, orta olan ağ örgüsü 1.8 milyon hücre ve sık olan ağ örgüsü 2.3 milyon hücreden oluşmaktadır. Oluşturulan problemde çözülecek olan denklem sayısının fazlalığı, zamana bağlı değişimler ve hücre sayısı göz önünde bulundurulduğunda çözüm süresinin uzun olduğu bilinmektedir. Egzoz manifold modeli uygun denklemler ve sınır şartları kullanılarak zamana bağlı olarak çözüldüğünde elde edilen verilerin, gerçek gemi dizel motoru üzerinden alınan değerlerle uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde manifold içinde türbülansın ve basınç dalgalanmalarının oluştuğu gözlemlenmiştir. Oluşan bu basınç dalgalanmasının, manifold çıkışında bulunan türbine akışın lineer girememesi ve türbin veriminin düşmesine neden olduğu görülmüştür. Ayrıca egzoz valflerinin açılması esnasında valf civarında yüksek basınç oluştuğu gözlemlenmiştir. Bu durum manifold içinde basınç kayıplarına yol açmakta ve süpürme veriminin düşmesine yol açmaktadır. Egzoz manifoldu içindeki basınç kayıplarını, türbülansı ve basınç dalgalanmasını azaltmak için manifoldun kapalı ucuna kör boru eklenmiştir. Kör boru eklenmesi ile oluşan yeni egzoz manifold modeli çözülerek manifold içindeki basınç dağılımı ve türbülans değerleri incelenmiştir. Eklenen bu hacim özellikle kör uca yakın bulunan silindir bağlantı borularındaki basınç değerlerini azaltarak egzoz manifoldu içindeki basınç dağılımının düzenlenmesini önemli ölçüde etkilediği gözlemlenmiştir. Ayrıca duvarlardan gelen basınç dalgalarını yansıtarak akışı zayıflatarak manifold ve ara bağlantı boruları boyunca daha yumuşak basınç değişimlerine neden olduğu ve özellikle kör uç tarafında türbülansın azaltılmasına yardımcı olduğu görülmüştür. Sonuç olarak manifold içindeki basınç dağılımı ve türbülans değerlerinde kayıpların azaldığı yönünde değişimler görülmüştür. Bu çalışmanın devamında optimize edilmiş herhangi bir ek hacim geometrinin, silindirlerin performans özelliklerini daha da iyileştireceği düşünülmektedir.