Uçak yakıt termal yönetim sistemlerinde entropi üretimi minimizasyonu: Simscape ve Matlab tabanlı modelleme ve optimizasyon

Abstract

Bu tez çalışması, günümüz ticari ve savaş uçaklarının kritik bileşenlerinden biri olan Uçak Yakıt Termal Yönetim Sistemi'nin (UYTYS) devridaim hattının termodinamik performansının iyileştirilmesi amacıyla hazırlanmıştır. Uçaklarda termal yönetimin önemi ve tasarım gereksinimleri kapsamında, yakıt devridaim hattının ısı kaynakları ve soğutma yöntemleri analiz edilmiştir. Ayrıca, entropi kavramının termal yönetimdeki rolü detaylı şekilde incelenmiş ve uçak termal sistemlerine entegrasyonu üzerine temel bilgiler verilmiştir. Uçaklardaki termal yüklerin yönetiminde kullanılan ısı transfer mekanizmaları, entropi kavramı ve entropi üretiminin termal sistemlerde kullanımı kapsamlı biçimde ele alınmıştır. Ayrıca, ısıl akış yollarının analizi ve gelişmiş soğutma teknolojileri incelenmiş, termal yönetim sistemlerinin optimizasyon yaklaşımları ile modelleme teknikleri literatür çerçevesinde değerlendirilmiştir. Bu sayede, çalışmanın temel kavramsal altyapısı oluşturulmuş ve UYTYS'de entropi üretiminin minimize edilmesinin önemine dikkat çekilmiştir. Entropi üretimi minimizasyonunun termodinamik temelleri, uygulama alanları ve avantajları açıkça ortaya konmuştur. Sistemin matematiksel modeli oluşturulmuş, yakıt devridaim hattı boyunca akış ve ısı transferi kaynaklı geri döndürülemezliklerin entropi üretimi üzerindeki etkileri formüle edilmiştir. Genetik algoritma kullanılarak çok değişkenli optimizasyon problemi tanımlanmış ve MATLAB tabanlı nümerik analizlerle çözülmüştür. Uçuş koşullarına ve sistem parametrelerine uygun olarak belirlenen sınırlar dahilinde, boru çapı, boru uzunluğu ve yakıt debisi optimize edilmiştir. Son olarak, fiziksel doğrulama amacıyla Simscape ortamında sistem modeli kurulmuş ve sayısal doğrulama yapılmıştır. Simülasyon sonuçları, matematiksel modelin güvenilirliğini ve gerçekçilik derecesini ortaya koymuştur. Tez kapsamında gerçekleştirilen optimizasyon çalışmasında elde edilen minimum entropi üretimi değeri yaklaşık 90 kW/K seviyesinde gerçekleşmiş ve bu sonuçlar literatürde benzer uygulamalarda bildirilen değerlerle (örneğin Zhang ve diğ, 2023) uyumlu bulunmuştur. Bu, çalışma kapsamında uygulanan metodolojinin doğruluğunu ve pratik geçerliliğini göstermektedir. Ayrıca, literatürde sıklıkla göz ardı edilen yakıt devridaim hattının entropi üretimi detaylı şekilde analiz edilerek özgün bir katkı sağlanmıştır. Bu çalışmanın en önemli kazanımları şunlardır: İlk olarak, entropi üretimi temelli optimizasyon yaklaşımının uçak yakıt termal yönetim sistemine uygulanması ve böylece sistem verimliliğinin artırılması sağlanmıştır. İkinci olarak, genetik algoritma tabanlı çok değişkenli optimizasyon ile gerçek uçuş koşulları ve fiziksel sınırlar göz önünde bulundurulmuştur. Üçüncü olarak, Simscape tabanlı fiziksel modelleme ile sayısal ve teorik sonuçların doğrulanması mümkün olmuş, bu sayede geliştirilen modelin pratik uygulamalarda kullanılabilirliği ortaya konmuştur. Son olarak, devridaim hattının entropi etkileri detaylı incelenerek, literatürde nadiren ele alınan bu kritik parametreye özgün bir perspektif kazandırılmıştır. Bu tez hem akademik literatüre hem de havacılık sektöründeki uygulamalara önemli katkılar sunmaktadır. Uçak yakıt termal yönetim sistemlerinin tasarımında enerji verimliliğini artırmak, ısıl stabiliteyi sağlamak ve geri kazanılabilir enerji potansiyelini yükseltmek açısından özgün ve sayısal temellere dayanan bir optimizasyon modeli geliştirmiştir. Ayrıca, geliştirilen metodolojinin erken tasarım aşamalarında sistem performansını iyileştirmek için kullanılabileceği ortaya konmuştur.