Makine Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

Gözat

Son Başvurular

Şimdi gösteriliyor 1 - 5 / 158
  • Öge
    Kömürün kendi kendine ısınmasının ve tutuşmasının modellenmesi, simülasyonu ve deneysel incelenmesi
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Yörük, Burhan ; Arısoy, Ahmet ; 693910 ; Makine Mühendisliği
    Kömürün ocak koşullarında kendi kendine ısınması, tutuşması ve yanmasının tahmin edilmesi henüz tam çözülmüş bir problem değildir. Olaya etkiyen çok sayıda parametre vardır. Özellikle kömürün kendi kendine tutuşmaya yatkınlığı/reaktivitesi ve içerisindeki mevcut orijinal nemin miktarı birinci derecede etkili parametrelerdir. Bu tez kapsamında ocak koşullarına mümkün olduğu kadar yakın koşullarda, kömürün kendi kendine ısınması ve tutuşması teorik ve deneysel olarak incelenmiştir. Kömür içindeki nemin etkisi dâhil pek çok parametrenin etkisini göz önüne alabilen yeni bir model geliştirilmiştir. Deneysel çalışmalar için adyabatik fırın deney düzeneği ve thermo – balance deney düzeneği imal edilmiştir. Geliştirilen kontrol algoritması ile adyabatikliğin daha kritik olduğu düşük sıcaklıklarda 0.1oC'ye kadar adyabatik ortam elde edilmiştir. İşletmelerin yardımıyla elde edilen ve kısa analizi yapılan numuneler üzerinde önce R70 ardından da kuluçka deneyleri yapılmıştır. R70 deneyi ile çok riskli grupta bulunduğu belirlenen A numunesinde, kuluçka deneyinde de 40 saat sonunda ısıl sürüklenme gözlemlenmiştir. Ancak riskli olduğu düşünülen B numunesinde özgün nem içeriğinin buharlaşma süreci sıcaklık artışını baskılamış ve ısıl sürüklenme gözlemlenmemiştir. Dolayısıyla kömürün içsel reaktivitesinin bir sonucu olan R70 deneylerinin tek başına yeterli olmadığı ve nem etkileşimlerinin derinlemesine incelenmesi gerektiği sonucuna ulaşılmıştır. Kömürün kendi kendine tutuşmasını, oksidasyon ve buharlaşma arasındaki ısı dengesi belirler. Bu nedenle modelde reaksiyon kinetiği ve buharlaşma/nem çıkışı kinetiği ayrıntılı olarak ele alınmıştır. Fiziksel modelde, ise adyabatik fırın koşulları esas alınmıştır. Bu çalışmada, yaşlanma etkisi dahil edilmiş yeni bir reaksiyon kinetik modeli önerilmektedir. Önerilen model için gerekli parametrelerin deneysel olarak nasıl elde edileceği 3. Bölümde ayrıntılarıyla verilmiştir. Kuruma – nem çıkışı kinetiği ifadesi ise temel kütle taşınım denklemi, monomoleküler seviyede bağlı nemi de içerecek şekilde düzenlenerek elde edilmiştir. Gerekli parametreler Reynolds sayısı sıfıra yaklaşırken bir küre etrafındaki akış için geçerli olan kütle geçişi bağıntılarıyla hesaplanmıştır. Tezin simülasyon bölümünde, öncelikle önerilen reaksiyon kinetiği modeli, R70 deneyleri kullanılarak doğrulanmıştır. Kuruma kinetiği modelinin doğrulanması için thermo – balance deneyi ile 80oC'de gerekli parametreler elde edilmiş, diğer sıcaklık ve debilerde modelle elde edilen sonuçlar deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Teklif edilen teorik ifadeler, deneysel olarak ölçülen veriyi oldukça başarılı bir şekilde tahmin etmiştir. Geliştirilen simülasyon programı kömür numuneleri için yapılan kuluçka deneylerinin simülasyonu için çalıştırılmıştır. İçsel reaktivitesi oldukça yüksek olan A numunesi için modelin ısıl sürüklenme zamanı ve kendi kendine ısınma eğrisi tahmini, deneysel sonuçla oldukça uyumludur. Daha güvenli olarak tanımlanabilecek, düşük reaktiviteye ve yüksek nem içeriğine sahip B numunesinin davranışını ise model oldukça başarılı bir şekilde tahmin etmiştir. Bu tezde önerilen model ve yöntem kullanılarak, kömürün kendi kendine tutuşma yatkınlığının belirlenmesinde en etkili yöntem olarak görülen ve haftalarca sürebilen kuluçka testleri çok kısa bir süre içerisinde tamamlanarak, simüle edilen kömür için tam bir sıcaklık – zaman değişimi elde edilebilir.
  • Öge
    Galvanizli sacların lazer kaynağı ve gazaltı kaynağı ile birleştirilmesinde kaynak parametrelerinin kaynak kalitesine etkisi
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Yavuz, Başar ; Vural, Murat ; 695274 ; Makine Mühendisliği
    Günümüz endüstriyel üretimde parçaların birleştirilmesi sırasında kaynak işlemi yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Özellikle artan üretim hızlarında kolay, hızlı ve verimli bir şekilde kullanılabilir olmasından dolayı çok çeşitli kaynak yöntemleri pekçok alanda ihtiyaç duyulan bir üretim yöntemi olarak ele alınmaktadır. Birçok farklı yöntemi bulunan kaynak işleminde, bu çalışma kapsamında 2 çeşidi kullanılmıştır. Bu yöntemler gazaltı kaynak yöntemi ve lazer kaynak yöntemidir. Diğer yandan malzeme olarak endüstriyel olarak kolayca ulaşılabilen ve otomotivden, beyaz eşyaya birçok farklı alanda kullanılan 1 mm kalınlıktaki galvaniz kaplamalı sac levha kullanılmıştır. Gazaltı kaynağı ile yapılan birleştirmelerde numuneler için belirlenen kaynak paramereleri şu şekilde sıralanabilir; kaynak tel çapı, koruyucu gaz debisi, kaynak hızı, akım ve tel besleme hızı. Lazer kaynağı ile birleştirilen numuneler için ise kaynak parametreleri kaynak hızı, güç ve darbe süresi şeklinde seçilmiştir. Belirlenen kaynak parametrelerinin kaynak kalitesi üzerindeki etkisinin anlaşılabilmesi amacıyla herbir aşamda bir kaynak parametresi değiştirilerek incelenmiştir. Bu değişim sırasında seçilen kaynak parametresini etkisinin daha iyi anlaşılabilmesi amacıyla diğer parametreler sabit bir değerde tutulmuşlardır. Bu şekilde iki farklı kaynak yöntemi kullanılarak numuneler testlere hazır hale getirilmişlerdir. Kaynak işlemlerinin kalitesinin arttırılması amacıyla, numunelerin kaynak yüzeyleri kir ve diğer artık maddelerde arındırılmışlardır. Numuneler 1 mm kalınlıktaki galvanizli sacdan 30x100 mm ölçülerinde keilmiştir. Kesilen 2 adet parça 30 mm olan yüzeylerinden alın kaynağı ile birleştirilmişlerdir. Gazaltı kaynağı ve lazer kaynağı ile birleştirilen numuneler radyografik muayene ile incelenmişlerdir. Yapılan incelemeler sonucunda, gazaltı kaynağı ile hazırlanan numunelerde kaynak bölgeinde porozite oluşumu görülmüştür. Bu porozite oluşumunun kaynak parametreleri ile ilişkisi incelenmiştir. Bazı numunelerde ise yüksek ısı girdisi kaynaklı olarak yanmış bölgelerin varlığı gözlenmiştir. Diğer yandan gazaltı kaynağı ile hazırlanmış numunerede porozite ya da toplu gözenek olarak adlandırılan kaynak hataları da gözlenmiştir. Bu gibi durumlarda kaynaklı bölgenin kesit alanında azalma oluşmaktadır. Bu azalma mekanik özelliklerde azalma olarak sonuçlanmaktadır. Lazer kaynağının radyografik sonuçlarına göre ise numunelerde bir miktar porozite varlığı tespit edilmektedir. Ancak gözlenen porozite miktarı, gazaltı kaynağı ile hazılanmış olan numuneler göz önüne alındığında kabul edilebilir seviyelerde kalmaktadır. Radyografik muayene sonuçlarına göre, lazer kaynağında dikkate alınacak seviyede hata varlığından söz edilememektedir. Hazırlanmış olan numuneler kaynaklı birleştirmenin mekanik özelliklerinin anlaşılabilmesi amacıyla çekme testine sokulmuşlardır. Çekme testinde kaynaklı numuneler kopma gerçekleşene kadar çekme kuvvetine maruz bırakılmaktadırlar. Test kapsamında karşılaştırma yapılabilmesi amacıyla herhangi bir şekilde birleştirilmemiş galvanizli sac levhada çekme testine tabi tutulmuştur. Bu sayede kaynak işlemi sonrasında mekanik özelliklerin karşılaştırılması kolaylıkla yapılabilmektedir. Gazaltı kaynağı ile birleştirilen numuneler görece iyi diye tanımlanabilecek olan sonuçlar vermişlerdir. Tüm numuneler ait testler çekme kuvveti-uzama şeklinde grafiklenmiş ve ilgili bölümlerde ayrıntılı bir şekilde açıklanmışlardır. Çekme test sonuçlarında en kötü sonucu 1 numaralı numune vermiştir. Bu numuneye ait olan radyografik sonuçlara baktığımızda da aynı şekilde yüksek porozite oluşumu gözlenmiştir. Dolayısıyla radyografik muayene de belirlenen hatalar, kaynak kesit alanını azaltmıştır. Azalan kesit alan sebebiyle, ilgili numune çekme testinde kötü sonuçlar vermiştir. Diğer yandan 8 numaralı numuneye ait çekme test verileri göz önüne alındığında 350 MPa gibi mukavemet değerleri gözlenmiştir. Bu değer iyi kabul edilebilecek bir değer olarak tanımlanabilir. Lazer kaynağı ile birleştirilmiş olan numunelere ait sonuçlar incelendiğinde ise gözlenen değerlerin gazaltı kaynağı ile birleştirilen numunelere göre oldukça düşük olduğu sonucuna varılabilmektedir. Lazer kaynağı ile hazırlanan numuneler içerisinde en iyi sonucu veren 8 numaralı numune için bile dayanım değeri 230 MPa gibi düşük kabul edilebilecek bir seviyede kalmıştır. Her iki kaynak yöntemi kullanılarak hazırlanan ve çekme testine tabi tutulan numuneler makrografik analiz ile de incelenmişlerdir. Bu inceleme sırasında çekme testi sonucunda kopan yüzeyler incelemeye sokulmuştur. Gazaltı kaynağı ile birleştirilen numunelerin kopma yüzeylerine bakıldığında bazı bölgelerde kararmış alanların varlığı gözlenmiştir. Bu alanlar yüksek ısı girdisi kaynaklı olarak yanmış alanlar olarak belirtilebilir. Ayrıca yüksek mekanik özellikler gösteren numunelerin makrografik incelemelerinde yetersiz nüfuziyet gibi hatalara rastlanmamıştır. Lazer kaynağı ile birleştirilen numunelerin kopma yüzeylerine baktığımızda ise belirgin bir şekilde nüfuziyet noksanlığı varlığı tespit edilmiştir. Nüfuziyet noksanlığı, kaynaklı bölgenin tüm kesit alan boyunca yer almaması durumu olarak açıklanabilir. Yetersiz nüfuziyet nedenli olarak kaynaklı birleştirmenin kesit alanı küçülmüştür. Kesit alandaki azalmada kaynaklı birleştirmenin mekanik özelliklerini önemli miktarda azaltmaktadır. Bu nedenle çekme testi sonuçlarının bu kadar düşük değerlerde kaldığı sonucuna varılmıştır. Yinede lazer kaynağı ile birleştirme sırasında doğru bir şekilde belirlenecek kaynak parametreleri ile daha kaliteli bir birleştirme sağlanabilir. Bu sayede yapının mekanik özeliklerinde de iyileştirme gözlenecektir. Gazaltı kaynağı ile yapılan işlemlerde, kaynakçının tecrübesi ve yeteneği büyük önem taşımaktadır. İyi bir kaynakçı ile yapılan kaynak işlemi yüksek kalitede bir sonuç verecektir. Ancak insan faktörüne bu kadar açık bir işlemde sabit bir kalite tutturulabilmesi de oldukça zor olacaktır. Öte yandan lazer kaynağı yarı otomatik veya otomatik olarak gerçekleştirilebilir. Bu sayede insan faktöründen kaynaklanan hatalar en aza indirilebilir. Lazer kaynağında doğru parametreler kullanılarak otomatize edilmiş işlemlerde sabit bir kalite seviyesi sağlanabilir. Bu şekilde üretim verimliliği artacak ve parça başına düşen maliyet kalemlerinin azalacağı sonucuna varılabilmektedir. Yapılan bu çalışma ile yaygın olarak kullanılan bir malzeme olan galvanizli çelik sacların birleştirilmesi sırasında kullanılabilecek lazer kaynağı ve gazaltı kaynağının etkisinin anlaşılması kolaylaşacaktır.
  • Öge
    Yoğuşturucularda iki fazlı akış mekanizmalarının ve ısı geçişinin farklı eğim açılarında teorik ve deneysel analizi
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013) Arslan, Gökhan ; Eskin, Nurdil ; 332912 ; Makine Mühendisliği ; Mechanical Engineering
    Boru içerisinde yoğuşma esnasında gerçekleşen ısı geçişine etki eden faktörlerin incelenmesi için R134a soğutucu akışkan buharının yoğuşması esnasında gerçekleşen ısı taşınım katsayısı veya Nusselt sayısı ile basınç kaybını ölçebilecek bir deney tesisatı oluşturulmuştur. Doyma basıncı, kütlesel akı, doymuş buhar ve cidar arasındaki sıcaklık farkı, buhar kalitesi değişimi, boru eğim açısı ve iç yüzey iyileştirmesi gibi parametrelerin yoğuşma ile gerçekleşen ısı geçişine etkisi araştırılmıştır. Deneyler iki farklı test borusunda yapılmıştır. İlk test borusu 9.52 mm dış çapında ve 1 mm et kalınlığına sahip iç yüzeyi düz bakır borudan imal edilmiştir. İkincisi ise 9.52 mm dış çapında iç yüzeyi mikro-kanatlı bakır borudan imal edilmiştir. Her iki test borusu da iç içe geçmiş borulu ısı değiştiricisi şeklinde tasarlanmıştır. Deneyler yerel ve ortalama ısı taşınım katsayısı veya Nusselt sayısı ile basınç kaybını ölçmek üzere yapılmıştır. İç yüzeyi düz boruda deneyler 5.8-6.9 bar doyma basıncında, 30~175 kg/m2s kütlesel akı, 2~9 kW/m2 ısı akısı ve 90º (düşey), 60º, 30º ve 0º (yatay) eğim açılarında yapılmıştır. Mikro-kanatlı boru için ise deneyler 5.7-5.9 bar doyma basıncında, 20~100 kg/m2s kütlesel akı, 1.7~5.3 kW/m2 ısı akısı ve 90º (düşey), 60º, 30º ve 0º (yatay) eğim açılarında yapılmıştır. Elde edilen deney verileri şıkça kullanılan ısı taşınım katsayısı bağıntıları ile karşılaştırılmıştır. İç yüzeyi düz boru için Akers ve diğ. (1959), Rosson ve Meyers (1963), Boyko ve Kruzhilin (1967), Cavallini ve Zecchin (1971), Traviss ve diğ. (1973),Shah (1979), Chen ve diğ. (1987), Dobson ve diğ. (1994), Tandon ve diğ. (1995), Fujii (1995), Haraguchi ve diğ. (1994), Jung ve diğ. (2003), iç yüzeyi mikro-kanatlı boru için ise Cavallini ve diğ. (1999), Yu ve Koyama (1998), Kedzierski ve Goncalves (1999) ısı taşınım katsayısı bağıntıları incelenmiştir. Bunlara ek olarak elde edilen deney verilerine çok değişkenli regresyon analizi uygulanarak hem iç yüzeyi düz boru hem de iç yüzeyi mikro-kanatlı boru için ısı taşınım katsayısı bağıntıları oluşturulmuştur.R134a soğutucu akışkan buharının boru içerisinde yoğuşması esnasında gerçekleşen yerel ve ortalama Nusselt sayısını hesaplayabilecek bir analitik model geliştirilmiştir. Deneyler iç içe geçmiş borulu ısı değiştiricisinde yapıldığı için, soğutma suyunun olduğu bölümde modele eklenmiştir. Soğutucu akışkana ait sıvı ve buhar fazlar için momentum ve enerji denklemleri çözdürülmüştür. Bu modelde sıvı filminin laminar, buhar fazın ise türbülanslı aktığı kabul edilmiştir. Boru merkezinde yer alan buhar çekirdeği için Reichardt (1951) türbülans modeli kullanılmıştır. Sonuç olarak, bu model yerel ve ortalama Nusselt sayısını, test borusu boyunca buhar kalitesi değişimini, soğutma suyu çıkış sıcaklığını ve boru iç yüzey sıcaklık dağılımını hesaplayabilmektedir. Oluşturulan bu yeni modelin önemini vurgulamak için literatürde yer alan analitik modellerin detaylı bir incelemesi verilmiştir. Laminar sıvı filmini esas alan Nusselt (1916) ve Carey (1992) modelleri incelenmiştir. Bunlara ek olarak, sıvı filmini türbülanslı olarak kabul eden Kwon ve diğ. (2001), Pei-Wen Li ve diğ. (2000), Borujerdi (2001), Faghri ve Zhang (2006) modelleri incelenmiştir.Bu çalışma esas olarak soğutucu akışkan R134a buharının, farklı çalışma şartları altında boru içerisinde yoğuşması esnasında gerçekleşen yoğuşma Nusselt sayısının ölçülmesi üzerine odaklanmıştır. Genel olarak hem iç yüzeyi düz hem de iç yüzeyi mikro-kanatlı boruda, artan kütlesel akıya bağlı olarak ortalama Nusselt sayısında bir artış olduğu görülmüştür. Benzer olarak, Soğutucu akışkan doyma sıcaklığı ile cidar sıcaklığı arasındaki farkın artmasına bağlı olarak ortalama Nusselt sayısı düşmüştür. Fakat belli bir sıcaklık farkı değerinden sonra bu farkı artırmak yoğuşma Nusselt sayısını çok fazla etkilememektedir. Çalışma kapsamında elde edilen bir diğer önemli bulgu ise doyma basıncının yoğuşma ile gerçekleşen ısı geçişinde çok etkili olduğudur. Soğutucu akışkan doyma basıncı düştükçe daha yüksek ortalama Nusselt sayısı değerleri elde edilmektedir. Her bir deneyde, boru boyunca artan sıvı film kalınlığına bağlı olarak yerel Nusselt sayısının düştüğü tespit edilmiştir. Her iki test borusu içinde eğim açısındaki azalmaya bağlı olarak ortalama Nusselt sayılarında artış görülmüştür. En yüksek Nusselt sayısı değerleri 30º ve 0º (yatay) eğim açılarında elde edilmiştir. Mikro-kanatlı boruyla kıyaslandığında iç yüzeyi düz boruda eğim açısının Nusselt sayısına etkisi daha belirgin olmaktadır. Bu çalışma elde edilen bir diğer önemli deneysel bulgu ise iç yüzey iyileştirmenin yoğuşma ile gerçekleşen ısı geçişine etkisidir. Aynı çalışma şartları altında, aynı buhar kalitesi değerlerinde mikro-kanatlı boruda elde edilen ortalama Nusselt sayısı değerleri düz boruda elde edilene kıyasla 1.6-2.2 kat daha yüksek çıktığı tespit edilmiştir. Son olarak test borusu boyunca gerçekleşen basınç kayıpları incelenmiştir. Artan sıvı filmi Reynolds sayısına bağlı olarak sürtünmelerden kaynaklanan basınç kayıplarının artmış olduğu gözlemlenmiştir. Deney verilerinin ısı taşınım katsayısı bağıntıları ile karşılaştırılması sonucu iç yüzeyi düz boruda en iyi sonucu %19.4 ortalama mutlak sapma ile Akers (1951) bağıntısı, iç yüzeyi mikro-kanatlı boruda ise %23.9 ortalama mutlak sapma ile Kedzierski ve Goncalves (1999) bağıntısı vermiştir. Deney verilerine kullanılarak yeni ısı taşınım katsayısı bağıntıları geliştirilmiştir. Bu bağıntılar, sıvı filmi Reynolds sayısı, Prandtl sayısı, Froude sayısı ile eğim açısının bir fonksiyonu olarak tanıtılmıştır. İç yüzeyi mikro-kanatlı boruda ayrıca yüzey alanın ifade eden bir terim kullanılmıştır. İç yüzeyi düz boru için geliştirilen bağıntı deneysel Nusselt sayısını %1.5 ortalama mutlak sapma ile hesaplamıştır. İç yüzeyi mikro-kanatlı boru için geliştirilen bağıntı ise deneysel Nusselt sayısını %5.6 ortalama mutlak sapma ile hesaplamıştır. Çalışma kapsamında en son olarak deney verileri teorik model ile karşılaştırılmıştır. Bu yeni model, ortalama Nusselt sayısını %5.8 ortalama mutlak sapma ile hesaplamıştır. Buhar kalitesi değişimi için bu hata payı %18.4 olurken, ortalama cidar sıcaklığı %1.4 hata ile hesaplanmıştır.
  • Öge
    Investigation of the effect of heat treatments on the formability of the 6061 Al alloy
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019) Yıldız, Raşid Ahmed ; Yılmaz, Şafak ; 10313688 ; Makine Mühendisliği ; Mechanical Engineering
    Dünya çapındaki rekabet ve çevreyle ilgili standartların titizlikle uygulanmaya başlanması sonucunda hareketli yapıların hafifletilmesi ile enerji tasarrufu sağlanarak çevreye daha az zarar vermek aranan en önemli tasarım beklentilerinden biri olmuştur. Dolayısıyla hafifliklerinden dolayı uzun yıllardır uçak-uzay sanayinde kullanılmakta olan alüminyum alaşımları, son yıllarda, ülkemizde de hızla gelişmekte olan, otomotiv sanayi tarafından da yüksek özgül dayanım, korozyon direnci ve alışılmış imalat tekniklerine uygunluk avantajlarından dolayı, gittikçe artan oranda tercih edilir olmaktadır. Bu alaşımlar arasında 5xxx ve 6xxx serisi Al alaşımları korozyon direnci ile dikkat çekmektedir. Şekil verme sonrası gündeme gelen yaşlanma süreci şekillendirme sonrasında alüminyum mamul geometrilerinde; tasarım geometrisinden farklılaşmalara yol açmaktadır. Tasarım mühendisleri malzeme için yüksek mukavemet isterken, imalat mühendisleri için öncelik şekillendirilebilirlik dolayısıyla süneklik olmaktadır. Yapay yaşlandırılabilir alüminyum alaşımları için süneklik ve dayanım çökelme ile kontrol edilmektedir. Bu tez çalışması çerçevesinde farklı sıcaklık-zaman koşulları altında yaşlandırılmış 6061 Al alaşımının şekillendirme performansı incelenmiştir. Öncelikle malzemenin mekanik özelliklerinin ısıl işlemlerden nasıl etkilendiğinin tespiti için 5 farklı ısıl işlem tasarlanmıştır. Bu ısıl işlemler T4 doğal yaşlandırma ve 160 0C'de 4, 8, 12 ve 16 saat (T6 en yüksek dayanım veren temper) yaşlandırma sürelerini de içermektedir. Farklı ısıl işlemler altındaki mekanik özelliklerinin belirlenmesi için sertlik ve çekme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen çekme deneylerinde malzemenin düzenli ve düzensiz uzama bölgelerindeki davranışı incelenmiştir. Malzemenin farklı ısıl işlem koşuları altındaki akma mukavemeti, çekme mukavemeti, kopma mukavemeti, dayanım sabiti, pekleşme üsteli, boyun verme öncesindeki ve sonrasındaki sertlik değerleri de deneysel olarak elde edilmiştir. Malzeme için eşdeğer birim şekil değişimi, eşdeğer gerilme ve sertlik değerleri arasındaki ilişki incelenmiş ve sonuçta düzenli ve düzensiz (Boyun verme bölgesinde) uzama bölgesi ve tüm ısıl işlem koşulları için σ=2.98×HV denkleminin geçerli olduğu görülmüştür. Malzemenin deformasyon davranışının düzgün uzama bölgesi içinde Holloman pekleşme modeli denklemine uygun olduğu görülmüştür. Ancak, boyun verme anındaki birim şekil değişimi değerinin pekleşme üsteline sayısal olarak eşit olmadığı ve kopma anındaki gerçek gerilme değerinin Holloman modeline uymayıp daha düşük olduğu tespit edilmiştir. İyi bilindiği üzere, bunun nedeni artan birim şekil değişiminden kaynaklanan, malzeme içerisindeki boşluk oluşumudur. Şekil değişimiyle gelişen boşluk oranını belirlemek amacıyla, düzgün uzamış ve boyun vermiş çekme deneyi numunesi kesitlerinde yoğunluk ölçümleri yapılmıştır. Boşluk hacim oranları küçük olduğundan, elde edilen boşluk oranları kullanılarak, boşluklu yapıya sahip metal matristeki gerilme değeri ortalama olarak hesaplanmıştır. Hesaplanan gerilme değerlerinin Holloman modelindeki gerilme değeriyle uyumlu olduğu görülmüştür. Bu uyum tanıklığı, Al 6061 alaşımının çekme yükü altındaki şekil değiştirmesinde, şekil değişimi miktarına karşılık gelen Holloman denklemiyle hesaplanan çekme gerilmesiyle deneysel çekme gerilmesi arasındaki farkın matriste deformasyına bağlı olarak oluşan boşluk oranının tahmininde kullanılabileceğini ortaya konmuştur. Gurson-Tveergaard-Needleman (GTN) hasar modeli sünek malzemelerin kırılma mekaniği çalışmalarında sıklıkla kullanılmaktadır. Literatürde GTN hasar modeli parametreleri çoğunlukla deneylerle ölçülmeden deneme yanılma yaklaşımına dayanan sayısal yöntemlerle tespit edilmeye çalışılmıştır. Bu çalışmada literatürden farklı olarak GTN hasar modeli paramtrelerinin deneysel olarak elde edilmesi amaçlanmıştır. GTN hasar modeli için dokuz farklı malzeme parametresinin bilinmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Bunun için beş farklı ısıl işlem koşullarındaki 6061 Al alaşımı malzeme çekme testlerine tabi tutulmuştur. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) yardımıyla başlangıç ve çekirdeklenen boşluk/hacim oranı tespit edilmiştir. SEM ve enerji saçılımlı X-ışını tayfölçüm analizleri ile ikincil fazların malzemede çekirdeklenen boşlukların kaynağı olduğu görülmüştür. Kırılma yüzeyleri incelendiğinde malzeme birincil ve ikincil boşlukların etkisinde tipik sünek kırılma örneği göstermektedir. Dolayısıyla, son kırılma bölgesindeki birim şekil değişimi değerinin kritik çekirdeklenme seviyesine ait birim şekil değişimi olduğu kabul edilmiştir. Malzeme içerisindeki boşluklar kritik bir değere ulaştığında birleşmeye başlamaktadır. Yoğunluk ölçümleri kullanılarak, çekirdeklenen boşluk/hacim oranındaki standart sapma da hesaplanmıştır. Yine yoğunluk ölçümleri ile, çekirdeklenen boşluk/hacim oranının standart sapması hesaplanmıştır. Ayrıca deneylerde boşluk/hacim oranının artan eşdeğer birim şekil değişimi ile birlikte eksponansiyel olarak arttığı gözlemlenmiştir. Bu tez çalışması, dokuz adet GTN hasar modeli parametresinden literatürden verilen üçü dışında, kalan altı adet katsayı deneysel olarak elde edilmiştir. Bu parametrelerin doğruluğunu kontrol edebilmek için çekme deneyini simüle edecek bir sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. Bu modelde malzemenin elastik bölgedeki özellikleri literatürden alınmıştır. Plastik bölgedeki özellikleri ise gerçekleştirilen çekme deneylerinden elde edilmiştir. Son olarak deneysel olarak elde edilen GTN hasar modeli parametreleri sonlu elemanlar yazılımına veri olarak girilmiştir. Çekme deneylerinin sonuçları ve sonlu elemanlar modelinin gerilme-birim şekil değişimi grafikleri çıkartılmıştır. Tüm ısıl işlem durumları için, elde edilen GTN model parametreleriyle oluşturulan sonlu elemanlar modeli sonuçlarının, deneysel olarak elde edilen eğrilerle uyum içinde kaldığı tespit edilmiştir. Deneysel olarak elde edilen GTN model parametreleri, sonlu elemanlar simülasyonlarıyla doğrulanmıştır. Sac malzemelerin şekil verilebilirlik sınırlarının belirlenmesinde şekillendirme sınırı diyagramları kullanılmaktadır. Şekillendirme sınır diyagramları genellikle Marciniak Deneyi ve Nakazima Deneyi olarak adlandırılan derin çekme şartlarında çalışan deney sistemlerinden elde edilmektedir. Bu deneylerin, malzeme üreticileri ve araştırmacılar tarafından aynı şekilde uygulanabilmesi amacıyla ASTM E2218-02 ve ISO 12004 standartları oluşturulmuştur. Tez çalışmasını gerçekleştirebilmek için öncelikle deney sistemi kurulmuştur. Derin çekme deneyinin (Nakajima deneyi) yapılabilmesi için İTÜ Makine Fakültesinde mevcut 150 ton kapasiteli hidrolik pres kullanılmıştır. Numunelerin hazırlanabilmesi için sac kesme kalıpları ve giyotinden yararlanılmıştır. Malzemenin şekillendirilebilirliğinin incelenmesi için öncelikle uygun ölçülere getirilen numunelerin yüzeyine benek işlenmesi gereklidir. Benek kalitesi şekilllendirilebilirlik için önemli bir adımdır. Tez çalışması kapsamında dört farklı benek işleme yöntemi (Serigrafi, elektro-kimyasal dağlama, foto-kimyasal dağlama ve lazer markalama) beneklerin test esnasındaki dayanıklılığı ve ölçüm doğruluğu açısından incelenmiştir. Gerçekleştirilen ön deneyler neticesinde yaygın olarak kullanılan tüm markalama yöntemleri denenmiş ve alüminyum malzeme için en uygun yöntemin lazer markalama olduğu görülmüştür. Lazer markalama ile işlenmiş beneklerin ölçüm amaçlı kullanılabilirliliğini değerlendirmek için doğrulama amaçlı çekme deneyleri yapılmıştır. Deneylerde önce lazer markalama ile benekler numune yüzeyine işlenmiştir. Deney sonrasında şekil değiştiren beneklerdeki birim şekil değişimi ölçmek için şekil değiştirmiş beneklerin tek tek fotoğrafları çekilmiştir. Çekilen fotoğraflar Matlab kodu yardımıyla dijital olarak işlenmiş ve major/minor birim şekil değişimleri hesaplanmıştır. Ek olarak, ölçüm yönteminin doğruluğunu değerlendirmek için çekme deneyleri farklı uzama seviyelerinde durdurulmuştur. Bu deneylerde ölçülen hata miktarının, beklendiği üzere toplam uzama ile ters orantılı olduğu görülmüştür. Çekme deneyinde %9 üniform uzama gerçekleştiğinde, uygulanan yöntemin hatasının %1'den az olduğu görülmüştür. Bunlara ilaveten ölçüm yöntemini değerlendirmek için 2 mm sac kalınlığına sahip T6 temperi kullanılarak bir adet şekillendirme sınır diyagramı oluşturulmuştur. Bu sınır diyagramına göre, sadece düşük birim şekil değişimi değerleri için hata oranı anlamlı seviyelere ulaşabilmektedir. Ancak ölçülen beneklerin diyagram üzerindeki normal dağılımına bağlı olarak bu hata oranı önemsenmeyecek bir seviyede kalmaktadır. Beş farklı ısıl işlem koşulu altında (T4 doğal yaşlandırma ve 160 0C'de dört farklı sürede) yaşlandırılmış 6061 Al alaşımının şekillendirme sınır diyagramları oluşturulmuştur. Ayrıca kalınlığın 6061 Al alaşımının şekillendirilebilirliği üzerindeki etkisini incelemek için dört farklı kalınlıkta (1 mm, 1.6 mm, 2 mm ve 2.5 mm) sac levhanın şekillendirilebilirliği karşılaştırılmıştır. Temin edilen levhaların mekanik anizotropi gösterip göstermediğini tespit etmek için ASTM E517 standart testi yapılarak normal anizotropi ve düzlemsel anizotropi katsayıları belirlenmiştir. Ayrıca malzemenin mikroskopik incelemesinde tane boyutunun her üç düzlemde de benzer olduğu bulgusuna ulaşılmıştır. Levhanın haddeleme doğrultusuna göre 00, 450 ve 900 için gerçekleştirilen çekme testi sonuçları incelendiğinde eğrilerin birbirine çok yakın olduğu gözlemlenmiştir. Dolayısıyla malzemenin mekanik özelliklerinin yöne bağımlı olmadığının kabul edilebileceği belirlenmiştir. Isıl işlem koşullarına ve sac metal kalınlığına bağlı olarak şekillendirme sınır diyagramları hazırlanmıştır. Bu diyagramlar incelendiğinde sac metal kalınlığı arttıkça minor birim şekil değişimi değerleri sabit kalmasına karşın, major birim şekil değişimi değeri doğrusal olarak arttığı tespit edilmiştir. Öte yandan yapay yaşlandırma süresi arttıkça hem minor hem de major birim şekil değişimi değerleri eksponansiyel olarak artmaktadır. Deneysel olarak elde edilen GTN model parametreleri kullanılarak Nakajima deney sisteminin sonlu elemanlar modeli hazırlanmıştır. Sonlu elemanlar modelinde sürtünme katsayısının çözüme ciddi biçimde etki ettiği bilinmektedir. Farklı sürtünme katsayıları kullanılarak sürtünme katsayısının şekillendirme sınır diyagramı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Kalıplar ile alüminyum levha arasındaki uygun sürtünme katsayısının 0.52 olduğu tespit edilmiştir. Oluşturulan sonlu elemanlar modeli sonuçlarıyla, deney numunelerindeki kırılma bölgesinin konumu, kubbe yüksekliği ve deneysel şekillendirme sınırı diyagramları karşılaştırılarak GTN hasar modeli parametreleri doğrulanmıştır. Sonlu elemanlar çözümü, deneysel sonuçlarla karşılaştırıldığında tüm ısıl işlem durumları ve sac metal kalınlıkları için en fazla %5 oranında farklılık olduğu görülmüştür. Sac metal kalınlığı arttıkça hasara kadar olan eşdeğer birim şekil değişiminin artmış olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca yapay yaşlandırma süresi ile de sünekliğin azaldığı ve dolayısıyla hasara kadar olan eşdeğer birim şekil değişiminin azaldığı gözlemlenmiştir. Gerilme hali boşluk çekirdeklenmesi ve büyümesini etkilediği için sonlu elemanlar modeline ait sonuçlardan karakteristik üç farklı duruma ait sonuçlar dikkate alınarak incelenmiştir: Tek eksenli gerilme (Düzlem gerilme), düzlem genleme ve iki eksenli eşit gerilmeli germe durumları. İki eksenli eşit gerilmeli germe durumundaki sınırın, hidrostatik gerilme değerinin düşük olmasının boşluk çekirdeklenmesini ve büyümesini geciktirmesi dolayısıyla, diyagramın düzlem genleme haline ait olan en düşük şekilledirme sınırının üzerinde kalabildiği tespit edilmiştir. Bilindiği üzere Al 6061 alaşımlarından yapılan mamüller en sünek oldukları, ısıl işlem görmemiş haliyle şekillendirilirler ve sonrasında yaşlandırılarak mukavemetli hale getirilirler. Şekil verme imalatı sonrası doğal ya da yapay yaşladırma sürecinde mamül geometrisinde yaşlanmaya bağlı olarak çarpıklaşma meydana gelmesi tekniğin bilinen bir problemidir. Değişik seviyelerde yaşlandırılarak çökelti oluşumunu kısmen tamamlamış içyapıların deformasyon işleminden sonra çarpıklaşmasının, yaşlandırma işlemi uygulanmamış durumuyla şekillendirilmesinden sonraki çarpıklaşmasından daha az olacağı açıktır. Bu yararlı durumun bedeli, metalin yaşlandırılmamış halindeki başlangıç sünekliğinden yani, şekil verilebilirlikten taviz verilmesidir. Sunulan tez çalışması kapsamında, ısıl işlem koşulları ile şekil verilebilirlik arasındaki ilişki şekillendirme sınırı diyagramları aracılığıyla incelenmiş ve şekillendirilebilirlik sınırındaki değişimin kuramsal mekanizmaları deneylerle ve simülasyon analizleriyle elde dilen bulugularla açığa çıkartılmıştır. Tez çalışmasıyla, bir yandan bilimsel ve teknik literatürdeki igili boşlukları dolduracak bulgular, diğer yandan da sanayide bu yöntemin verimli kullanılmasını sağlayacak ısıl işlem parametrelerinin belirlenmesine yönelik çıktılar elde edilmiştir. Çalışma sonuçlarının, ülkemizde ve dünyada hızla gelişen otomotiv, havacılık/uzay sanayine ve alüminyum alaşımı levhaların (soğuk şekil verilerek) yoğun olarak kullanıldığı tüm imalat dünyasına katkı sağlaması beklenmektedir.
  • Öge
    A numerical study on the interaction of flow and combustion in solid propellant rocket motors
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2017) Havlucu, Mehmet Özer ; Kırkköprü, Kadir ; 10175800 ; Makine Mühendisliği ; Mechanical Engineering
    20. yüzyılın ortalarından itibaren uzaya yolculuk insanoğlu için önem kazanmaya başlamıştır. Bu amaç için geliştirilen uzay araçlarında roket motorlarından yararlanılmıştır. Bu araçlarda roket motoru kullanmaktaki amaç dünyanın kütle çekimini yenip uzaya ulaşabilmektir. Roket motorları bu kuvveti gazlardan elde ederler. Kullanılan yakıt türüne göre kimyasal reaksiyonlar sonucu bu gazlar elde edilir ve yüksek hızlarda roketi terkederler. Gazların yüksek hızlarından dolayı oluşan püskürtme etkisi ters yönde itici bir kuvvet uygular ve bu şekilde roketler hareket etmiş olurlar. Tasarlanan roket motorları kullanılan yakıt türüne göre, katı yakıtlı, sıvı yakıtlı ve hibrit olmak üzere üçe ayrılır. Bunlardan katı yakıtlı roket motorları, yakıtının ucuz olup kolay elde edilebilmesi, kullanım amacına göre farklı büyüklüklerde imal edilebilmeleri, askeri roketlerde kısa sürede hedeflerine ulaşabilmeleri, ateşlemeye hazır halde bekleyebilmeleri, sıvı yakıtlı roketlere göre daha güvenli olmaları gibi sebeplerden dolayı tercih edilmektedirler. Tez çalışmasında değişken iç geometri içeren bir katı yakıtlı roket motoru (KYRM) bölmesi içinde reaktif akış için basınca bağlı yanma yüzey gerileme simülasyonu içeren bir hesaplama modeli geliştirilmiştir. Kütle, momentum, enerji ve türe ait komple korunum denklemleri sonlu hız kimyası ile çözülmüştür. Mekansal ayrıklaştırma, ikinci dereceden ileri farklar şeması (second order upwind differencing scheme) kullanılarak elde edilmiş ve zamansal ayrıklaştırma birinci derece kapalılık (first order implicit) yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sert (stiff) kimyasal çözücü, yüksek sıcaklık gradyeninin yanı sıra maddelerin kütle oranlarının gradyenlerinden dolayı katılık (stiffness) problemini önlemek için kullanılmıştır. Hücreler, alev bölgesindeki akış özelliklerini daha iyi yakalamak için motorun yanan kısmının yakınında yoğun bir şekilde kümelendirilmiştir. Model, yanma yüzeyindeki ses altı girişten lüle çıkışındaki süpersonik çıkışa kadar geniş bir akış Mach sayısı için çözümler üretmektedir. Basınca ve zamana bağlı dinamik sınır, yanan ve gerileyen sınırda oluşturulmuştur. Bunu oluşturmak için ANSYS Fluent 15.0 içinde C++ yardımıyla kullanıcı tanımlı fonksiyonlar (KTF) geliştirilmiş ve kullanılmıştır. Yanma odasının hacmini zamanla arttıran gerileyen sınır, yeniden hücreleme teknikleri ile işlem görmüştür. Tez çalışması, soğuk akış modelinin doğrulanması, reaktif akış modelinin doğrulanması ve gerileyen sınır durumu için reaktif akış modelleri olmak üzere 3 bölümden oluşmuştur. Soğuk akışın doğrulanması bölümünde, literatürdeki mevcut Onerac 1 geometrisi için hem sabit hem de gerileyen yanma sınırı için modelleme yapılmıştır. Sabit sınır durumunda roket içi basınç ve Mach sayısı literatürdeki farklı iki çalışma ile karşılaştırılmış ve uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. Bunlara ek olarak akım çizgileri dağılımına bakılmıştır. Kapalı uçtaki basıncın zaman bağlı değişimi de elde edilmiş ve sonuçların literatür ile uyumlu olduğu görülmüştür. Gerileyen sınır durumu için zamana bağlı akım çizgileri 5 farklı an için incelenmiştir. Ayrıca kapalı ucun basınç değişimine de bakılmıştır. Kapalı uçtaki basıncın gerileyen sınır durumunda zamanla azaldığı görülmüştür. Soğuk akış için elde edilen sonuçların literatürdeki çalışmalar ile uyumlu olması gerileyen sınırın başarılı bir şekilde modellendiğini göstermektedir. Reaktif akış modelinin ele alınıp literatürdeli çalışmalar ile karşılaştırıldığı bölümde ise farklı iki geometri üzerinde çalışılmıştır. Bu bölümde yanma yüzeyi gerilemesi olmamaktadır. İlk durumda bir ucu kapalı dikdörtgen bir kanala yan yüzeylerden propan hava karışımı püskürtülmektedir ve kanal içerisinde akış incelenmektedir. Yanma odası içinde Mach sayısı ve basınç değişimlerine bakılmıştır. Bunlara ek olarak yanma yüzeyinden 2.5 mm'lik uzaklığa kadar olan bölüm incelenmiş ve buradaki sıcaklık ve açığa çıkan ısı dağılımına bakılmıştır. Elde edilen sonuçlar yapılan çalışmanın doğruluğunu göstermektedir. Reaktif akış modelinin ikinci durumunda yine literatürde kullanılan laboratuvar ölçeğinde, çıkışında lüle bulunan bir ucu kapalı dikdörtgen bir kanalda hidrojen hava karışımının kapalı uçtan verildiği bir motor üzerinde çalışılmıştır. 2 mm'lik yanma bölgesi içerisindeki, sıcaklık, hidrojen, oksijen ve su buharı değişimlerine incelenmiştir. Kanal içerisinde sıcaklık ve Mach sayısı dağılımı literatürdeki çalışma ile karşılaştırılmış ve sonuçlar doğrulanmıştır. Bu bölümde de reaktif akışın başarılı olarak modellendiği görülmüştür. Oluşturulan modelin hem yanma yüzeyinin gerilemesi hem de reaktif akış için doğru sonuçlar vermesinden sonra bu iki model birleştirilerek son bölümde gerileyen yanma sınırı içeren reaktif akış modelleri üzerinde durulmuştur. Burada önce sabit hızla gerileyen ve yanma odası içindeki basınca bağlı olarak gerileyen sınır durumları üzerinde durulmuştur. Sabit hızla gerileme için daha önce kullanılan laboratuvar ölçeğindeki motor çalışılmıştır. Hem propan hem de hidrojen yanması üzerinde durulmuştur. Gerilemenin olduğu ve olmadığı durumlar için sıcaklık dağılımı verilmiştir. Ayrıca farklı hücre boyutları için sıcaklık dağılımlarına bakılmış ve hücre boyutundan bağımsızlık araştırılmıştır. Farklı giriş sıcaklıkları için sonuçlar elde edilmiştir. Hem propan hem de hidrojen yanması durumunda sıcaklık dağılımlarına bakılmış ve maksimum sıcaklıklar karşılaştırılmıştır. Sonrasında itki eğrileri çalışılmıştır. Farklı giriş sıcaklıkları hem hidrojen hem de propan itki eğrileri elde edilmiş ve aynı giriş sıcaklığında bu iki yanma modeli karşılaştırılmıştır. Yanma odası içindeki basınca bağlı sınır gerilemesi modelinde 2 farklı geometri için modelleme yapılmıştır. Bunlardan biri laboratuvar ölçeğindeki motor, diğeri ise Onerac 1 motoru. Laboratuvar ölçeğindeki motor için oluşturulan basınca bağlı gerileyen sınır modelinde zamana bağlı yanma hızı değişimi üzerinde çalışılmıştır. Ayrıca bu, sabit yanma hızı ile karşılaştırılmıştır. Ortam basıncının da zamanla değişimi ele alınmış ve sabit yanma hızındaki değişimi ile karşılaştırılmıştır. Bunlara ek olarak yanma bölgesi içerisinde sıcaklık ve kütlesel oranların değişimi verilmiştir. Önceki bölümlerde olduğu gibi zaman tasarrufu için maksimum hücre boyutu hesaplanmıştır. Sabit ve basınca bağlı gerileme durumlarında sıcaklık değişimleri incelenmiştir. Farklı giriş sıcaklık etkileri üzerine çalışılmıştır. Benzer şekilde hidrojen ve propan yanmaları için sıcaklık değişimleri üzerinde durulmuştur. 2 mm'lik yanma bölgesinde sıcaklık değişiminin akış özelliklerine etkisini araştırmak için bu bölgede hız ve yoğunluk değişimleri çalışılmıştır. Basınca bağlı yanma yüzeyi gerilemesinin incelendiği ikinci model de Onerac 1 geometrisi üzerinde olmuştur. Burada gerileme sonucu ortam hacminin artmasından dolayı zamanla basınç ve yanma hızı değişimleri elde edilmiş ve bunlar sabit gerileme hızı modelindekilerle karşılaştırılmıştır. Akış ile yanma arasındaki etkileşimi daha iyi inceleyebilmek için yanma bölgesinde dikey ve yatay yöndeki hız değişimleri detaylı bir şekilde araştırılmıştır. Bu bölgedeki hız şiddetinin yatay yöndeki hızdan etkilendiği görülmüştür. Yanma bölgesi içerisinde sıcaklık ve kütlesel oran değişimleri de çalışılmıştır. Uygun hücre boyutu seçmek için farklı boyutlarda sıcaklık değişimleri de incelenmiştir. Geliştirilen model, değişken iç geometriye sahip bir katı roket motoru yanma odasındaki reaktif akışı basınca bağlı yanma yüzey gerilemesiyle birlikte başarılı bir şekilde temsil etmektedir.