Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

Gözat

Son Başvurular

Şimdi gösteriliyor 1 - 5 / 27
  • Öge
    Dizel motor hava akış sisteminin ortalama değer modeli ve EGR-VGT sistemlerinin model öngörülü kontrolü
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016) Karakaş, Şafak Cemal ; Söğüt, Oğuz Salim ; 441696 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği ; Naval Architecture and Marine Engineering
    Bu doktora tez çalışmasında egzoz gazı devridaim (Exhaust Gas Recirculation - EGR) ve değişken geometrili türbin (Variable Geometry Turbine - VGT) sistemlerini içeren türboşarjlı dizel motor hava akış sisteminin ortalama değer yöntemi (Mean Value Model - MVM) kullanılarak matematik modeli oluşturulmuştur ve bu model kullanılarak NOx emisyon miktarını ve yakıt sarfiyatını düşürmeyi amaçlayan bir model öngörülü denetleyici (Model Predictive Controller - MPC) tasarlanmıştır. Kullanılan dizel motor 12.7 litre hacminde, 6 silindirli, EGR ve VGT sistemlerine sahiptir. Yakıt akışı, EGR aktüatör sinyali ve VGT aktüatör sinyali model girişleri, yüklenen moment miktarı bozucu, motor devri, üretilen moment miktarı, hava manifoldundaki EGR gazı oranı ve silindirlerdeki oksijen-yakıt oranı ise model çıkışlarıdır. Hava manifoldundaki EGR gazı oranı ve silindirlerdeki oksijen-yakıt oranı değişkenleri geri besleme sinyalleri olarak kullanılmaktadır. Geri besleme sinyali olarak sıklıkla kullanılan hava-yakıt oranı yerine oksijen-yakıt oranının kullanılmasının nedeni EGR sistemi ile yanma odasına gönderilen egzoz gazının oksijen içermesi ve duman üretimi açısından oksijen miktarının hava miktarından daha önemli bir konumda olmasıdır. Geri besleme sinyali olarak yine sıklıkla kullanılan havanın kütle debisi (MAF) ve hava manifoldu mutlak basıncının (MAP) kullanılmamasının nedeni ise tasarımı yapılan denetleyicinin pompalama momentini azaltarak yakıt sarfiyatını azaltmayı amaçlaması ve hava manifoldundaki EGR gazı oranı ve silindirlerdeki oksijen-yakıt oranının pompalama momenti ile doğrudan bağlantısının bulunmasıdır. Bu çalışmada kullanılan matematik model, dizel motor hava akış sistemlerinin modellenmesinde kullanılan bir yöntem olan ortalama değer yöntemi (Mean Value Modelling - MVM) kullanılarak elde edilmiştir. Bu yöntem termodinamik bağıntıların ampirik ifadelerle birlikte kullanılmasını temel alır ve motor ve türboşarjer dönme dinamiği ile manifoldlardaki basınç ve kütle değişimlerini ifade eden birinci mertebe doğrusal olmayan diferansiyel denklemler içerir. Elde edilen matematik model Matlab Simulink ortamında kodlanarak sistemin benzetimi yapılmıştır. Sistemde atmosferden alınan taze hava kompresörden geçerek sıkıştırılır. Kompresör çıkışında hava ısı değiştiricisinden geçirilerek soğutulur. Daha sonra taze hava egzoz gazı devridaim (Exhaust Gas Recirculation - EGR) sisteminden gelen egzoz gazı ile birleştirilir ve elde edilen karışım hava manifoldundan geçirilerek silindirlere gönderilir. Silindirlerden çıkan egzoz gazının bir kısmı egzoz manifoldundan geçtikten sonra EGR sistemine alınır, EGR ısı değiştiricisinden geçirilerek yeniden taze hava ile karıştırılıp hava manifolduna gönderilir. Egzoz gazının kalan kısmı değişken geometrili türbinde (Variable Geometry Turbine - VGT) türboşarjere dönme hareketi verdikten sonra dış ortama atılır. Bu çalışmada motordan elde edilen moment, gros indike moment ile pompalama ve sürtünme momentlerinin farkı olarak ifade edilmektedir. Motor devri ise motor momenti ve yük momentine bağlı bir diferansiyel denklemle ifade edilmektedir. Manifold basınçları ve oksijen oranları kütlenin korunumu ve ideal gaz kanunlarının türetilmesiyle elde edilen diferansiyel denklemler kullanılarak modellenmiştir. Egzoz manifoldu sıcaklığı ideal gaz Seiliger çevrimi hesaplamaları kullanılarak elde edilmiştir. Türboşarjer devri ise Newton'un ikinci kanunu kullanılarak oluşturulan, türbin ve kompresör güçlerine bağlı bir diferansiyel denklem kullanılarak modellenmiştir. EGR aktüatör dinamiği için ikinci, VGT aktüatör dinamiği için birinci mertebeden doğrusal diferansiyel denklemler kullanılmıştır. Sistem durumları aşağıda verilmektedir: - Motor devri - Hava manifoldu basıncı - Egzoz manifoldu basıncı - Hava manifoldundaki oksijen oranı - Egzoz manifoldundaki oksijen oranı - Türboşarjer devri - EGR aktüatör durumları (iki adet) - VGT aktüatör durumu Tasarımı yapılan model öngörülü denetleyici NOx emisyon miktarını Euro 6 kriteri olan 0.4 gr/kWsa değerinin altında tutmaya, aynı zamanda motorun yakıt sarfiyatını da minimum değere indirmeye çalışmaktadır. Doğrusal olmayan çalışma bölgesi dokuz doğrusal alt bölgeye ayrılmış ve her bir bölge için ayrı bir MPC denetleyicisi tasarlanmıştır. Motor devri ve yakıt miktarına göre konumu belirlenen bir anahtar aracılığıyla hangi denetleyicinin çalışması gerektiği belirlenmektedir. Sistemi kumanda etmek için EGR açıklık oranı ve VGT açıklık oranı, geri besleme sinyalleri olarak ise hava manifoldundaki EGR gazı oranı ve silindirlerdeki oksijen-yakıt oranı kullanılmaktadır. Motor devri ve yakıt girişi değerleri bir anahtar fonksiyonu aracılığıyla çalışma noktasının hangi doğrusal bölgede olduğunu belirlemek için kullanılmakta ve bu sayede hangi alt bölgeye ait denetleyicinin kullanılacağına karar verilmektedir. Her alt bölge için ayrı birer doğrusal model oluşturulmuştur ve her alt bölge için farklı referans değerleri bulunmuştur. Doğrusal modelleri elde etmek için her alt bölgeye ait doğrusallaştırma noktaları belirlenmiş, daha sonra bu noktalar civarında sistem tanılama yöntemleri kullanılmıştır. Doğrusallaştırma noktalarının tespit edilmesi için her noktadaki yakıt girişi, motor devri, EGR ve VGT aktüatör sinyalleri değerlerinin belirlenmesi gerekmektedir. Seçilen noktaların hangi motor devri ve yakıt girişi değerlerinde olacağına karar verilirken fiziksel sistemin doğrusal olmayan çalışma bölgesi eşit aralıklarla bölünmüş, elde edilen bölgelerin orta noktalarının değerleri alınmıştır. Doğrusallaştırma noktalarındaki EGR ve VGT aktüatör girişleri değerlerinin ne olacağına karar verirken bu noktaların aynı zamanda denetleyici için referans noktası olarak kullanılacağı gözönüne alınmıştır çünkü bu değerler MPC denetleyicisinde kontrol sinyali olarak kullanılmaktadır. Bu durumda kontrol amaçlarını sağlayan noktaların bulunması için haritalar oluşturulmuştur. Uygun noktaların haritalardan seçilmesi sayesinde her bölge için çalışma noktasında EGR ve VGT aktüatör girişleri değerlerinin ne olacağı belirlenmiş olmaktadır. Doğrusallaştırma noktalarının belirlenmesinin ardından doğrusal durum-uzay modellerini elde etmek için sistem tanılama yöntemleri "Matlab System Identification Toolbox" kullanılarak uygulanmıştır. Yakıt miktarı ve motor devri sabit kabul edilerek doğrusal olmayan modelde EGR ve VGT aktüatör girişlerine +-%10 bant genişliğiyle PRBS (Pseudorandom binary sequence) sinyalleri uygulanmıştır. Elde edilen hava manifoldundaki EGR gazı oranı ve silindirlerdeki oksijen-yakıt oranı çıkış sinyalleri kullanılarak iki giriş iki çıkışlı doğrusal durum-uzay modelleri oluşturulmuştur. Elde edilen doğrusal modellerin geçerliliğini göstermek için doğrusal olmayan ve doğrusal modellerin aynı PRBS sinyaline verdiği cevapların birbirleriyle uyumlu olup olmadıklarına bakılmış, ayrıca çapraz korelasyon testi uygulanmış ve sonuçların kabul edilebilir olduğu görülmüştür. Doğrusal modellerin elde edilmesinden sonra "Matlab Model Predictive Toolbox" kullanılarak her bölge için ayrı bir MPC denetleyicisi tasarlanmıştır. Öngörü ufku, kontrol ufku ve ağırlık katsayıları denemeler sonucunda belirlenmiş ve kontrol sinyallerinde EGR aktüatur girişi için %0-%80 ve VGT aktüatör girişi için %20-%100 kısıtlamaları kullanılmıştır. Sonuçlar incelendiğinde denetleyicinin çalıştırılması neticesinde dokuz çalışma bölgesinin yedisinde NOx emisyonlarının düşürüldüğü, ikisinde ise düşürülemediği ancak kontrolsüz sistemde üretilenden daha fazla NOx üretilmediği görülmüştür. Ayrıca dokuz çalışma bölgesinin altısında yakıt sarfiyatının düşürüldüğü görülmektedir. Sistem uygun bir süre içerisinde referans noktasına getirilmekte ve sürekli rejime girmektedir. Bu durum denetleyicinin yörünge izleme performansının güçlü olduğunun işaretidir. Sonuçlar MPC`nin klasik haritalandırma yaklaşımından üstünlüğünü gösteren geçici rejim cevabını düzeltebilme ve standart yaklaşımdan (PID) üstünlüğünü gösteren sistem değişkenlerinin birbirleriyle etkileşimini göz önüne alma özelliklerini taşıdığını göstermektedir. Ayrıca denetleyicinin aynı motor için tasarlanmış olan iki farklı denetleyici ile de performansının karşılaştırılması yapılmıştır ve MPC denetleyicisinin diğer denetleyicilerden daha iyi performans gösterdiği görülmüştür. Bu sebeplerden MPC yönteminin EGR ve VGT sistemlerine sahip dizel motorlarında hava akış sistemini kontrol etmek için iyi bir yöntem olduğu görülmektedir. Gelecek çalışmalarda iki kademeli EGR ve VGT sistemlerine sahip dizel motorlarda emisyonların düşürülmesi için MPC denetleyicisi tasarlanması, otomatik pilot ve dinamik konumlandırma sistemleri (Dynamic Positioning System - DPS) için yakıt girişini de kumanda edecek kontrol sistemleri oluşturulması ve birden fazla motoru birbirleriyle etkileşimli olarak beraber çalıştırabilmek için yakıt girişini kumanda etme çalışmaları yapılması planlanmaktadır.
  • Öge
    Prediction of three dimensional turbulent flow with an embedded vortex
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 1999) Akman, Ayşe Nazan ; Odabaşı, A. Yücel ; 100707 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği ; Naval Architecture and Marine Engineering
    Bu çalışmada üç boyutlu sıkıştırılamaz akışlar için geçerli olan parabolize edilmiş Navier-Stokes denklemlerini kullanılarak üç boyutlu narin türbülanslı akışların öngörüsü yapılmıştır. Navier-Stokes denklemleri basitleştirilir ve sabit vizkozite ve sıkıştırılamaz akışlar için Parabolize edilmiş Navier-Stokes denklemleri elde edilir. Bu çalışmada, önce tüm türbülans modelleri gözden geçirilmiş ve Reynolds Gerilmeleri için en gelişmiş türbülans modeli RSTM kullanılmıştır. Çalışmanın teorik gelişimi ikinci bölümde anlatılmıştır. Çalışmanın nümerik kısmında, bu denklem sistemini çözmek için zamana bağlı olmayan ancak bunun yerini alabilecek şekilde formüle edilmiş ana akım yönünde ilerleyen (streamwise marching) bir bilgisayar programı kullanılmıştır. Programda hızların hesaplanmasında ADI metodu kullanılmıştır. Basınç denkleminin çözümü ise sistemin eliptik olmasında dolayı iterasyon metodlarıyla yapılmalıdır. Bu çalışmada SLOR iterasyon metodu kullanılmıştır. Aynı durum türbülans terimlerinin hesaplanması için de geçerlidir. Birkaç örnek durum için program koşturulmuş ve sonuçlar grafikler yardımıyla modelin uygulanması bölümü olan dördüncü bölümde sunulmuştur. Bu durumlar bir plaka üzerindeki laminar akış, bir plaka üzerindeki türbülanslı akış ve türbülanslı sınır tabakası içinde bulunan bir girdap akışıdır. Sonuncu durum için deneysel bir data kullanılmıştır. Çalışmanın amacı da bu deneysel datanın öngörüsüdür. İlk iki durum için elde edilen sonuçlar başarılıdır. Böylece programın başlangıçta verilen iki boyutlu akış özelliğini koruduğu ortaya çıkmaktadır. Bu durumda programın laminar akışlar için başarılı çalıştığı söylenebilir. Son durum ise, çalışmanın belkemiği olan deneysel dataların hesaplamayla tekrar elde edilmesidir. Bu durum için grid noktaları aynen deneydeki gibi alınmıştır. Sonuçlara bakıldığında, programın ve türbülans modelinin çok da yeterli olmadığı görülmektedir.
  • Öge
    Değişken Valf Zamanlamasının Türboşarjlı & Arasoğutuculu Bir Dizel Motorun Egzoz Isıl Yönetimi Üzerindeki Etkileri
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016-11-29) Başaran, Hasan Üstün ; 10124258 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği
    Dizel motorlar günümüzde dünyada öncü bir rol üstlenmektedir. Endüstri ve sanayiden tarıma, otomotiv araçlarından deniz taşıtlarına kadar hemen her alanda dizel motorlar oldukça yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Ancak bu makinaların hayatımıza kattığı olumlu etkilerin yanı sıra, özellikle son zamanlarda çevremize oldukça olumsuz etkisi söz konusudur. Dizel motorlardan çevreye yayılan yüksek orandaki emisyonlar; küresel ısınmayı arttıcı etkileri ve insan sağlığına da olumsuz etkileri nedeniyle günümüz dünyasında ciddi bir sorun haline gelmiş bulunmaktadır. Günümüzde dizel motorlar için izin verilen NOx ve PM emisyon sınırlamaları çok düşük değerlere düşürülmüştür. Makina üreticileri dizel makinalardan çevreye yayılan bu yüksek orandaki emisyonları düşürmek için genellikle makina sistemlerinde egzoz ısısı yönetim sistemlerini kullanmaktadırlar. SCR, DPF ve DOC, bu sistemlerin dizel motorlarda en yaygın kullanılan türlerindendir. SCR göreceli olarak NOx emisyonlarını düşürmek için daha fazla kullanılırken, DPF yöntemi PM emisyonlarını azaltmakta tercih edilmektedir. DOC yöntemi ise, yanmamış hidrokarbon ve karbonmonoksit oranları için çevre koruma ajanslarınca dizel motorlara konulan sınırlamaların sağlanmasına yönelik bir sistemdir. Her ne kadar bahsi geçen bu ısıl yönetim sistemleri dizel motorlar için belirlenmiş emisyon sınırlarını sağlamak amacıyla kullanılmaktaysa da, pratikte kullanım sırasında her bir egzoz ısıl yönetim sisteminin kendisine has sıkıntıları ve yol açtığı zorluklar bulunmaktadır. Bu sistemlerde, yüksek emisyon dönüşüm verimi sağlayabilmek için genellikle yüksek egzoz gazı sıcaklıklarına ihtiyaç duyulmaktadırlar. Bir başka ifadeyle, bu sistemler sıcaklığa oldukça bağlıdır ve verimli olabilmeleri için katalizör taşıyıcı sıcaklıklarının 250oC'den yüksekte tutulması gerekmektedir. Bu da ancak motordan ısıl yönetim sistemlerine gönderilen egzoz gazı sıcaklığının 250oC'nin üzerinde sürekli bir şekilde seyretmesi ile sağlanabilir. Fakat, dizel motorlarda egzoz gazı sıcaklıkları, dizel motorun çalışma alanında (hıza ve yüke bağlı) özellikle hızın ve yükün nispeten daha düşük seyrettiği durumlarda genellikle 250oC'nin altında kalmaktadır. Düşük egzoz gazı sıcaklığı ile çalışma durumu da, oldukça verimsiz egzoz ısıl yönetimine ve dizel motorun bu koşulda çalıştığı noktalar için yeterli emisyon düşürümünün sağlanamamasına sebep olur. Makina imalatçılarının bu performans noktalarında gereken yüksek egzoz gazı sıcaklarına ulaşabilmek için çözümler üretmesi gerekmektedir. Dizel motorlarda; makina hızının ve makina yükünün nispeten daha düşük olduğu motor performans alanlarında, 250oC'den yüksek egzoz gazı sıcaklığı elde etmek için başvurulan güncel metodlardan birisi de değişken valf zamanlamasıdır (VVT). Emme ve egzoz valflerinin açılma ve kapanma zamanları değiştirilerek, VVT bir dizel motoruna herhangi bir hız veya herhangi bir yük durumu için uygulanabilir. Bu nedenle; bu çalışmanın amacı, 6 silindirli ve 4 stroklu bir dizel motorunun egzoz gazı sıcaklığının 250oC'nin altında kaldığı performans noktalarında, farklı hız ve farklı yük durumları için VVT yöntemini uygulayarak egzoz gazı sıcaklığını 250oC'nin üstüne çıkarabilmek ve dolayısıyla makina sisteminde daha verimli egzoz ısıl yönetimi elde edebilmektir. Valf açılma ve kapanma zamanlamalarının yanı sıra emme ve egzoz maksimum valf açıklıklarının değişimi de yine egzoz gazı sıcaklığını daha da arttırmak için uygulanmıştır. Çalışmadaki hedef, bu yüksek egzoz gazı sıcaklıklarını elde ederken, başlangıç emme ve egzoz valf açılma ve kapanma zamanlamaları ile başlangıç maksimum valf açıklıklarına kıyasla sistemde herhangi bir yakıt tüketimi artımına sebep olmadan VVT yöntemini birçok farklı hız ve yük durumu için uygulayabilmektir. Tez çalışmasında öncelikle altı-silindirli türboşarjlı ve arasoğutuculu marinize bir dizel motor sistemi LES motor simülasyon programı kullanılarak, egzoz gazı sıcaklıklarını ve egzoz gazı kütle akış oranlarını incelemek için modellenmiştir. Simülasyon programı, içerisinde marinize dizel motor sistemini oluşturan birçok farklı unsuru (silindirler, portlar, valfler, türboşarjer, arasoğutucu, elemanları birbirine bağlayan borular vs.) bulundurmaktadır. Simülasyonu oluşturan bu parçalar toplu olarak bir şekil üzerinde gösterilmiş ve ardından programda kullanılan kabuller ve programa bu elemanlara ait verilerin girişi detaylı bir şekilde gerek metin içinde gerekse de tezin Ek kısmında gösterilmiştir. Ayrıca, bu unsurlarda hesaplamalar için kullanılan matematiksel denklemler de yine ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Tez çalışmasının ilerleyen safhalarında LES programında modellenen marinize dizel motorun 1200 rpm hızında ve 2.50 bar sabit motor yükünde (ortalama efektif basınç) çalıştığı düşünülmüş ve emme valfi kapanma (IVC) zamanlamasının daha erken/geç kapanması durumu açık literatürdeki bir deneysel çalışma ile karşılaştırılmıştır. Yapılan inceleme ve kontroller sonucunda teorik modellemenin literatürdeki baz deney sonuçlarıyla uyumlu olduğu görülmüş, modellemenin kabul edilebilirliği ve doğruluğu anlaşılmıştır. Bilgisayar modellemesi ile hesaplanan türbin çıkış sıcaklığı (TET) ve hacimsel verim değerlerinin literatür deney sonuçları ile uyumlu olduğu gözlenmiştir. Böylece modelleme programının egzoz gazı sıcaklığı hesabında da rahatlıkla kullanılabileceği görülmüştür. Modellemenin doğrulama aşamasında; sabit yük koşulu altında, IVC'nin orijinal kapanma krank açısı (CA) değerinden 65 derece CA geriye ötelenmesi veya 100 derece CA ileriye ötelenmesinin TET değerinin 250oC'den yüksek olması için yeterli olduğu gösterilmiştir. IVC'nin ileri ve geri ötelenmesi ile 55oC'ye varana kadar TET artışı elde edilmiştir. Ayrıca, IVC'nin diğer makina performans parametreleri üzerindeki etkisi incelendiğinde IVC'nin erken ve geç kapanmasının yakıt tüketimini azalttığı gözlenmiştir. Erken kapanma geç kapanmaya kıyasla biraz daha fazla yakıt tasarrufu sağlamaktadır. İleri ve geri ötelenmiş IVC değerlerinin etkileri P-V indikatör diyagramında gösterilmiş, sonuçları orijinal IVC değerleri için açık literatürde ortaya konulan sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmalar sonunda yakıt tasarrufunun sistemdeki pompalama kayıplarının azalmasından kaynaklandığı görülmüştür. Öte yandan, bu erken ve geç kapanma zamanlamaları başlangıç değerine kıyasla, egzoz gazı kütle akış oranında oldukça yüksek düşüşlere neden olmaktadır. Erken IVC (EIVC); motorun hacimsel verimini, geç IVC (LIVC) zamanlamasına göre daha fazla düşürdüğü için egzoz gazı kütle akışında daha yüksek oranda azalışa sebep olmaktadır. Tez çalışmasının ilerleyen safhalarında ise egzoz gazı sıcaklıklarını 250oC'nin yukarısına çıkarmak ve bunu yaparken egzoz gazı akış oranında azalmaya yol açmamak için erken emme valfı düzenlemesine ek başkaca VVT seçenekleri de araştırılmıştır. Erken egzoz valf kapanması, geç emme valfi açılması ve erken egzoz valfi açılması (EEVO) uygulamalarının hepsi ayrı ayrı incelenmiştir. EEVO'nun EIVC ile birleştirilmesinin en iyi seçenek olduğu görülmüştür. Çünkü EEVO; hem egzoz gazı sıcaklığını hızlı bir şekilde arttırmakta, hem de egzoz akış oranı üzerinde olumsuz bir etki yaratmamaktadır. Ayrıca, her ne kadar EEVO yöntemi yakıt tüketimini arttırsa da, EIVC metodunun sistemde sağladığı yakıt tasarrufu ile bu yükseliş en aza indirilebilir ve hatta dengelenerek başlangıçtaki yakıt tüketim değeri korunabilir. Bu nedenle, birleştirilmiş EIVC & EEVO yöntemi sisteme sabit yük altında uygulanmıştır. EIVC başlangıç zamanından sadece 40 derece CA geriye ötelenmiş ve EEVO da başlangıç açılma değerinden 70 derece CA daha önce açılmıştır. Her ne kadar sistemde 250oC'ye oldukça yakın egzoz gazı sıcaklığı elde edilmiş olsa da, birleşik valf zamanlaması metodu başlangıç valf zamanlamasına nazaran 1 %'den biraz daha fazla bir oranda yakıt tüketiminde artışa neden olmuştur. Sonraki aşamada, emme ve egzoz maksimum valf açıklık değerlerinin değişimi incelenerek simülasyonda oluşan bu % 1'lik yakıt tüketimi artışı giderilmeye çalışılmıştır. Başlangıç valf açıklıklarına kıyasla daha küçük emme valfi maksimum açıklığı ile daha yüksek egzoz valfi maksimum açıklığı kullanıldığında, TET değerinin 250oC'den çok daha yüksek değere ulaşabilmesi sağlanmıştır. Ancak bundan daha da önemli olan sonuç, bu yüksek egzoz gazı sıcaklığı elde edilirken, sistemdeki yakıt tüketiminin başlangıç valf zamanındaki değere düşürülebilmiş olmasıdır. Yöntem, her ne kadar egzoz kütle debisini biraz azaltsa da, TET değerini başlangıç valf maksimum açıklık değerlerine nazaran yeterince arttırdığı için ısıl sisteme gönderilen egzoz gazı termal gücü sabit kalabilmektedir. Son aşamada, yöntemin başarılı olduğunun görülmesi üzerine, metod farklı makina hızlarına (1000 rpm'den 2000 rpm'e) ve birçok farklı makina yük durumuna (1.0 bar'dan 5.0 bar'a) uygulanmıştır. VVT metodu ile, başlangıç valf açılma ve kapanma zamanları ile başlangıç valf maksimum açıklık değerlerine kıyasla, çok daha düşük makina yüklerinde egzoz gazları 250oC TET değerine ulaşabilmektedir. Örneğin, 1200 rpm makina hızı için; dizel motor başlangıç valf değerlerinde, 250oC'nin üstünde egzoz kütle akışını ancak 4.50 bar yüklü durumda sağlayabilirken, VVT ve değişken valf açıklık değerleri ile aynı sıcaklığa 2.50 bar motor yükü durumunda ulaşabilmektedir. Yük durumundaki iyileştirme farklı motor hızlarında farklı değerler alsa da, 250oC egzoz gazı TET eğrisi bu yöntem ile motorun çalıştığı bütün hızlarda daha düşük makina yük durumlarına indirilebilmektedir. Bu da dizel motorun, başlangıç valf durumuna nazaran, çalışma bölgesinin çok daha büyük bir kısmında daha verimli egzoz ısıl yönetimine sahip olabilmesi ve emisyon değerlerini izin verilen sınır değerlerde tutabilmesi demektir. Daha da önemli olan sonuç ise, bu sonucun orijinal valf zamanlamasına nazaran fazladan bir yakıt tüketimi gerektirmeden gerçekleşmiş olmasıdır. Ayrıca, her ne kadar egzoz gazı kütle akışında düşüş gözlense de; hesaplanan azalma, yalnızca IVC zamanlamasının ileri ve geri ötelenmesi ile 250oC TET değerinin elde edildiği durumdaki kadar yüksek olmamaktadır. Tezin sonuç kısmında modelleme sonuçları tartışılmış, araştırmanın genel değerlendirmesi yapılmış ve gelecekte bu yönde çalışma yapacak araştırmacılar için çalışma alan önerileri belirtilmiştir. Bu çalışmayla VVT tekniğinin marinize dizel motorların özellikle manevra veya liman içi gibi düşük yükte çalışma durumlarında egzoz gazı sıcaklıklarının 250oC'nin üzerine nasıl çıkarılabileceği ortaya konuluştur. Teorik araştırmanın deneysel araştırmayla desteklenerek gelecekte emisyon azaltımı ile alakalı çalışmalara yöntem bazında fikir vermesi, yol göstermesi ve katkı sağlaması umulmaktadır. Tez bulgularıyla marinize dizel motorların egzoz ısıl yönetim sistemleri çok daha verimli hale getirilebilir ve aranan/izin verilen emisyon kriterleri karşılanabilir.
  • Öge
    Sualtı Akıntı Türbinlerinin Hidrodinamik Analizi
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015-05-29) Uşar, Deniz ; Bal, Şakir ; 10074757 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği ; Naval Architecture
    Son yıllarda, rüzgar ve güneş enerjisi ile deniz ve gel-git akıntıları gibi yenilenebilir kaynaklardan elektrik enerjisi üretimi önceki yıllara oranla hızlı biçimde artmıştır. Bu tür enerji kaynaklarının potansiyelleri, dünyanın gelecekteki enerji talebini güvenli, temiz ve ekonomik biçimde karşılamaya yetecek kadar yüksektir. Sualtı akıntılarından istifade ederek enerji üreten sualtı akıntı türbinleri (MCT-Marine Current Turbine), okyanus ve denizlerde işletilebilecek yenilenebilir enerji kaynaklarından biridir. MCT’lerin teknik olarak uygulanabilir olduğu ve akıntı kaynaklarının, gelecekteki enerji talebinin karşılanmasına önemli katkı yapmaya yetecek ölçüde büyük olduğu bilinmektedir. MCT’ler düşük akım hızlarında dahi enerji üretebilme potansiyeline sahiptir. Ayrıca, dip akıntı hızları rüzgara göre daha kararlı ve düzenli bir yapıya sahip olduğundan, sualtı akıntı türbinleri devamlı ve öngörülebilir enerji sağlamaktadır. Bilindiği üzere MCT’ler, çalışma prensibi ve kullandıkları mekanizma ile temelde rüzgar türbinlerine çok benzerdir. MCT’ler ve rüzgar türbinleri arasındaki önemli farklardan bir tanesi oluşması engellenemeyen bir fiziksel olay olan kavitasyondur. Kavitasyon, MCT kanatlarının önemli bir kısmında meydana geldiğinden etkilerinin hesaplamalara dahil edilmesi gereklidir. Sualtı akıntı türbini dizaynında, analizinde ve optimizasyonunda yaygın olarak kullanılan klasik momentum kanat elemanı teorisi ile, momentum teorisi ve kanat elemanı teorisine ait denklemler birlikte kullanılarak, istenilen bir türbin rotoru için optimal kanat formu belirlenebilir. MBEM teorisine ait bu denklemler temelde, kavitasyon karakteristikleri hariç sualtı akıntı türbinleri ile büyük benzerlik gösteren rüzgar türbinleri için geliştirilmiştir. Ek olarak, MCT’lerde uç hız oranları, mukavemet ve kavitasyon gereksinimleri nedeni ile rüzgar türbinlerindekilere oranla oldukça düşüktür. Momentum kanat elemanı metodu, uygulanan temel düzeltme faktörleri ile dizayn aşamasında yapılacak türbin analizleri için yeterli olmakla birlikte, analitik modeldeki eksiklikler ve sualtı akıntı türbini uygulamalarında kanatlar üzerinde meydana gelebilecek kavitasyon karakteristiklerinin hesaba katılamaması dolayısı ile önemli modifikasyonlara ihtiyaç duymaktadır. Diğer yandan, kesit kaldırma kuvveti ve kavitasyon direnci katsayılarının kanat yarıçapları boyunca hesaplanabilmesi gereklidir. Türbin kanatları etrafındakı akımın analizi için panel metodu olarak da bilinen sınır eleman metodu da kullanılmıştır. Potansiyel akım teorisini temel alan bu yöntem, kesitler etrafındaki basınç dağılımları hakkında bilgi sağlayarak kanat kavitasyon performansının öngörülebilmesine imkan sağlamaktadır. Bu yöntemler, doktora tez çalışması çerçevesinde MCT’lere uygulanmış ve MCT’lerin hidrodinamik performansları incelenmiştir. Ayrıca, kavitasyonun türbin kanatları üzerindeki dağılımının simülasyonu için, pervane performansının analizinde yaygın olarak kullanılan bir sayısal yöntem olan girdap ağ metodu kullanılmıştır. Metot, düzensiz tabaka kavitasyonlu akımların incelenebilmesi için geliştirilmiş ve hassas sonuçlar elde edilebilmesi için, tekillik ve kontrol noktolarının aralıkları hata oluşumunu engelleyecek biçimde düzenlenmiştir Newcastle Universitesi Emerson Kavitasyon Tüneli’nde, üç kanatlı yatay eksenli bir model türbin kullanılarak gerçekleştirilen deneylerde itme ve tork değerleri ölçülmüş; ayrıca türbinin iki farklı şaft derinliğinde kavitasyon davranışları incelenmiştir. Zira, sualtı akıntı türbini dizayn ve optimizasyonunda hidrodinamik performansın belirlenebilmesi için gerçekleştirilen sayısal öngörülerin deneysel olarak doğrulanması büyük önem teşkil etmektedir. Kavitasyon tünelinde yapılan deneyler ile kavitasyon formları ve türbin kanatları üzerindeki dağılımı incelenmiş, türbinin önemli ölçüde tabaka ve bulut kavitasyona ek olarak kanat uçlarında girdap kavitasyon maruz kaldığı gözlemlenmiştir. İki farklı deney koşulu için türbin kanatları üzerindeki kavitasyon dağılımı girdap ağ metodu kullanılarak modellenmiş, sonuçlar deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Momentum kanat elemanı metodu öncelikle kavitasyonsuz çalışma koşullarının analizi için literatürde deneysel ölçümleri mevcut olan bir rüzgar türbinine ve kavitasyonsuz çalışma koşulu için sayısal olarak modellenmiş bir sualtı akıntı türbinine uygulanmış ve sonuçlar mukayese edilmiştir. Sayısal olarak modellenen türbinin kanatları üzerinde ideal teorik bir kavitasyon dağılımı için belirli bir uç hız oranı aralığında güç katsayıları hesaplanmış ve kavitasyonsuz durumdakilerle kıyaslanmıştır. Kavitasyona maruz bir sualtı akıntı türbininin performans analizi için, literatürde bulunan diğer bir çalışmadan faydalanılmış, türbinin kavitasyon dağılımı girdap ağ metodu kullanılarak simüle edilmiştir. Kavitasyon yapan kanat kesitlerinin kaldırma ve sürüklenme kuvvetleri sınır eleman metodu ile hesaplanarak momentum kanat elemanı metodunda kullanılmış, böylelikle kavitasyonun türbin güç üretme performansına etkisi teorik olarak hesaplanmıştır. Kavitasyon dağılımının matematiksel olarak belirlenebilmesi, kavitasyona maruz kanat kesitlerinin kaldırma ve direnç katsayılarının daha doğru öngörülebilmesini, böylelikle momentum kanat elemanı teorisinin kavitasyon yapan bir sualtı akıntı türbininin performansını hesaplama kapasitesinin artmasını sağlamıştır. Bu çalışmada sunulan yöntem kullanılarak üç kanatlı bir türbin modeli için yapılan analizde elde edilen güçte %30 teorik azalma öngörülmüştür.
  • Öge
    İki Boyutlu Yalpa Hareketindeki Hidrodinamik Katsayıların İnterpolasyonlu Parçacık Hidrodinamiği Yöntemi İle Hesaplanması
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016-10-27) Ölmez, Onur ; Gören, Ömer ; 10127345 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği ; Naval Architecture
    Su yüzeyinde salınım yapan cisimlerde meydana gelen hidrodinamik kuvvetlerin ve momentlerin tahmini için birçok analitik, deneysel ve sayısal çalışma yapılmaktadır. Bu çalışmada, sayısal yöntemlerden biri olan İnterpolasyonlu Parçacık Hidrodinamiği (Smoothed Particle Hydrodynamics) kullanılarak zorlanmış yalpa hareketi yapan ikiboyutlu dikdörtgen kesitli bir cisme etkiyen moment, ek su kütle atalet momenti ve sönüm moment katsayıları, cisim çevresinde oluşan girdaplılık ve cismin hareketi nedeni ile serbest su yüzeyinde oluşan dalgalar incelenmiş ve elde edilen sonuçların literatürde yer alan diğer sonuçlarla ile mukayesesi yapılmıştır. Ayrıca tez kapsamında elde edilen sonuçlar çeşitli duyarlılık analizlerine tabi tutularak oluşturulmuş olan İnterpolasyonlu Parçacık Hidrodinamiği (İPH) sayısal çözüm algoritmasının gürbüz (robust) olup olmadığı araştırılmıştır. İPH yönteminin uygulamasında değişik algoritmalar kullanılmakta olup, bu çalışma çerçevesinde geliştirilmiş bilgisayar programı temelde, Yapay Viskozite Terimi’ni (Artificial Viscosity Term) içeren Euler Hareket Denklemi ve Süreklilik Denklemini, Zayıf Olarak Sıkıştırılabilir İPH Yaklaşımı (WCSPH) yardımı ile çözmektedir. İPH yöntemi ilk olarak 1970’li yılların sonlarında astrofizik problemlerinin çözümünde eş zamanlı olarak Monaghan ve Gingold (1977) ve Lucy (1977)tarafından kullanılmaya başlanmış, daha sonra akışkan ve katı cisim problemlerine uygulanmıştır. Bu yöntem, 1990’lı yıllardan sonra su altı patlaması, şok, bio-mekanik, çarpışma, çeşitli akışkan ve katı mekaniği problemlerinde kullanılmış olup günümüzde halen geliştirilmeye devam edilmektedir. İPH yöntemi, çözüm bölgesini oluşturan parçacıklarda yoğunluk, basınç, hız vb. kinematik ya da dinamik büyüklüklerinin zaman içerisindeki değişiminin takip edildiği Lagrange temelli bir yöntem olup ağsız yöntemlerden bir tanesidir. İPH formülasyonu kullanılarak oluşturulacak bir sayısal çözüm prosedüründe iki adet temel adım vardır. Bu adımlardan birincisi çekirdek/ağırlık yaklaşımı, ikincisi ise parçacık yaklaşımıdır. Bahsedilen yaklaşımlar birer cümle ile şu şekilde özetlenebilir. • Çekirdek yaklaşımı; herhangi bir kinematik ya da dinamik büyüklüğün, çözüm bölgesi içerisinde dağıtılmış parçacıklara bir ağırlık fonksiyonu ile atanması, • Parçacık yaklaşımı; çekirdek yaklaşımı yapılarak integral haline dönüştürülen fonksiyonun parçacıklara ayrıklaştırılarak bir toplam ile gösterilmesi, Çekirdek/ağırlık yaklaşımı ve parçacık yaklaşımı uygulanmış olan Süreklilik ve Euler denklemlerine WCSPH yaklaşımı yapılmıştır. İPH sayısal yöntemi ile geliştirilmiş algoritma ile kararlı çözüme ulaşabilmek ve sistemin sayısal stabilitesini arttırmak için Euler hareket denklemi içerisindeki basınç terimlerine yapay viskozite terimi eklenmiştir. Yapay viskozite teriminin doğrudan momentum korunumu denklemine eklenmesinin sebebi akışkana belli bir mertebede difüzyon eklenerek sayısal çözümün kararlılığının arttırılmasının sağlanmasıdır. Bu terim ilk olarak sonlu farklar algoritmaları için Von Neumann ve Richtmyer (1950) tarafından kullanılmaya başlanmış olup birçok İPH çalışmasında da kapsamlı olarak kullanılmıştır (Delorme ve diğ., 2005). Eklenen bu yapay viskozite değerinin sayısal kararlılığı sağlarken çözüm üzerindeki etkilerinin en aza indirilecek şekilde optimize edilmesi gerekmektedir. Ayrıca dikkat edilmesi gereken başka bir husus da parçacık çözünürlüğünün arttırılması ile (örneğin interpolasyon uzunluğunun (h) sıfıra yakınsaması ile) yapay viskozite terimi sıfıra yakınsar ve böylece hareketi temsil eden denklem sistemi Euler denklemlerine indirgenmiş olur (Antuono ve diğ., 2011).WCSPH yaklaşımını ise akışkanı oluşturan parçacıkların yoğunluk değerinin başlangıçtaki durumlarından %1 sapmasına müsaade eden ve parçacıkların basınç değerlerinin yoğunluk değerlerinden faydalanılarak çözüldüğü bir hal denklemini içeren yaklaşım olarak özetleyebiliriz. Tez kapsamında ayrıca literatürde sıklıkla kullanılan Yoğunluk Düzeltmesi (Shephard Filtering), Birleşik Serbest Su Yüzeyi Yapay Parçacık Ötelemesi (VXSPH) ve Parçacık Paketleme Algoritması (Particle Packing Algorithm) sayısal düzeltme algoritmaları kullanılmıştır. Yoğunluk Düzeltmesi WCSPH kullanımında basınç değerlerinin değişimini düzenleyen ve problem bölgesindeki sayısal gürültünün (numerical noise) azaltılması maksadıyla Süreklilik denkleminden elde edilen yoğunluk değerlerinin parçacıklar arasında ağırlıklandırılmış interpolasyon kullanılarak düzenlenmesi olarak ifade edilebilir ve literatürde WCSPH yaklaşımını kullanan bir çok araştırmacı tarafından (Colagrossi ve Landrini, 2003, Dalrymple ve Rogers, 2006 ve Özbulut ve diğ., 2014) kullanılmıştır. VXSPH çözüm algoritması, XSPH Hız Varyantı (Monaghan, 1994) ve Yapay Parçacık Ötelemesi (Shadloo ve diğ., 2011)’nin ortak uygulamasını içeren hibrit bir yöntem olup su yüzeyinde parçacıkların hız ve konumlarının düzenlenmesine, su altında ise parçacıkların kümelenmesinin engellenmesine etki etmektedir. Ayrıca problem sınırlarının eğik olduğu durumlarda ise sayısal algoritma içinde parçacıkların çözüm bölgesine daha homojen dağıtılmasına yarayan Colagrossi ve diğ. (2012), tarafından geliştirilen Parçacık Paketleme Algoritması (Particle Packing Algorithm) kullanılmıştır. Çalışma kapsamında geliştirilmiş olan algoritmanın doğrulanmasına yönelik beş değişik test uygulanmış olup her bir doğrulama kapsamında probleme ilişkin farklı parametrelerin değiştirildiği uygulamalara da yer verilmiştir. Birinci doğrulamada cismin hareketsiz olduğu durumda basınç değerlerinin gözlemlenmesi için yapılmıştır. Birinci doğrulamada dik havuz sınırlarına sahip ve eğik havuz sınırlarına sahip iki farklı havuz geometrisi kullanılmış ve havuz içerisindeki basınç değişiminin başlangıç şartı olarak verilen hidrostatik basınçlardan sapması zaman içerisinde incelenmiştir. Yine bu doğrulamada eğik havuz sınırlarında uygulanan PPA algoritmasının beklenildiği gibi çalışıp çalışmadığı da test edilmiştir. İkinci doğrulama, cisim hareketli ve hareketsiz haldeyken elde edilen moment değerlerinin sınanmasına yönelik yapılmıştır. Cisim hareketli haldeyken elde edilen moment değerleri literatürde yer alan deneysel ve sayısal yöntemler ile mukayese edilmiştir. Yine bu doğrulama kapsamında cismin hareketli olduğu durumda cismin açısı ve cisme etkiyen moment değerlerinin arasında bir faz farkının oluşup oluşmadığı da incelenmiştir. Üçüncü doğrulama, değişik açısal frekans ve yalpa genliklerinde hareket eden cisimden elde edilen ek su kütle atalet momenti ve sönüm moment katsayılarının, literatürdeki deneysel ve sayısal sonuçlar ile karşılaştırılması şeklinde yapılmıştır. Dördüncü doğrulamada cismin hareketi nedeni ile cismin çevresinde oluşan girdapların adet ile mevkilerinin ve cismin çevresindeki akışkan hızlarının literatürde yer alan diğer çalışmalar ile karşılaştırılması yapılmıştır. Beşinci ve son doğrulama kapsamında ise cismin hareketi nedeni ile serbest su yüzeyinde oluşan dalgalar incelenmiştir. Doğrulama faaliyetlerinden sonra, geliştirilmiş olan algoritmanın gürbüz (robust) olup olmadığının kontrolü için parçacıklar arası mesafe (dx), zaman adımı (dt) ve problem geometrisinin değişiminin sonuçlara etkisi araştırılmıştır. Her üç duyarlılık analizinde de mukayese kriteri olarak boyutsuz ek su kütle atalet momenti (a66) ve boyutsuz sönüm moment katsayısı (b66) seçilmiştir. Oluşturulmuş olan İPH algoritması farklı doğrulama ve duyarlılık analizleri ile çeşitli denemelere tabi tutulmuştur. Gerçekleştirilen bütün denemelerde literatürde yer alan deneysel çalışmalara tatmin edici doğruluklarla cevap veren algoritma, literatürde bulunan deneysel veriler baz alındığında literatürdeki diğer bir sayısal yöntem olan FSRVM’ye göre daha yakın sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Başarılı sonuçlar alınmasına rağmen geliştirilen İPH algoritmasının çözüm süresi bir hayli uzun olup kısaltılmasına ihtiyaç duyulmaktadır. Daha önce farklı problemlerin çözüm/doğrulaması için kullanılmış olan İPH yönteminin su içinde yalpa hareketi yapan 2 boyutlu bir cisme uygulanmasına yönelik herhangi bir çalışmaya literatür taraması esnasında rastlanmamıştır. Dolayısı ile tez kapsamında İPH yöntemi kullanılarak iki boyutlu yüzen cisimlerin yalpa hareketine ilişkin elde edilecek sonuçların literatüre bir katkı sağlayacağı düşünülmektedir. Tez kapsamında irdelenmiş olan yalpa hareketi yapan cisme etkiyen moment, yalpa hareketindeki ek su kütle atalet momenti, sönüm moment katsayısı ve serbest su yüzeyinde meydana gelen dalgalar literatüre nicel olarak katkı sağlanmaktadır. Ayrıca yine tez kapsamında incelenmiş olan girdaplılık ve cisim çevresindeki parçacıklarda meydana gelen hız vektörleri literatüre nitel olarak katkı sağlamaktadır.