GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ MAKİNA
Transkript
GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ MAKİNA
GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI MM 598 SEMİNER DERSİ Tez Danışmanı : Prof. Dr. Nuri YÜCEL Tez Öğrencisi : İzzet MOLA Tez Konusu : Bir Otomobil Egzozundaki Akış ve Isı Transferinin Sayısal ve Deneysel Olarak İncelenmesi ÇALIŞMANIN AMACI Bu tez çalışmasında, üretimi gerçekleştirilmekte olan bir egzoz sistemi üzerinde sıcaklık dağılımının ve ısı transferi miktarının, ticari Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yazılımı FLUENT ile sayısal simülasyonunun gerçekleştirilmesi ve elde edilen simülasyon sonuçlarının, oluşturulan deneysel model üzerinden elde edilecek tutarlı deneysel sonuçlar ile uyumlu hale getirilmesi amaçlanmaktadır. Bu kapsamda üretici bir firma ile ortak SANTEZ projesi hazırlanması düşünülmektedir. KAPSAM Akışkan ve ısı transferi problemlerinde kullanılan temel denklemler: Kütlenin Korunumu, Enerjinin Korunumu, Momentumun Korunumu, Türbülans denklemleri’dir. Bu denklemler birkaç boyutsuz sayı ile karakterize edilir. Bu parametrelerin en önemlileri: Nusselt, Biot, Reynold ve Prandtl sayılarıdır. Egzoz borusundaki akış kararsız ve sıkıştırılabilirdir. Egzoz valfi açılırken, yüksek hız jetleri yüksek ısı transferi oranları ile belirli bölgelerde resirkülasyon alanları oluşturur. Egzoz valfi tam olarak açıldığı zaman ise akış türbülanslı bir boru akışına dönüşür. Egzoz valfi kapanırken dar bir gaz jeti resirkülasyon alanları oluşturur, böylece tekrar ısı transferini etkileyen bir süreç oluşur. Valfin kapalı olduğu süre zarfında, akış hızı sıfıra yaklaşır ve buna bağlı olarak ısı transferi oranı düşer. Egzoz sisteminin girişinde gerçekleşen söz konusu bu dört durumun oluşturduğu türbülansın çözümü, kullanılacak olan FLUENT yazılımında mevcut olan, Navier-Stokes denklemlerini baz alan matematiksel türetmeler ile boyutsal argüman ve ampirik girdilere dayanan modeller ile sağlanacaktır. Sistemin ilerleyen kısımlarında, boru akış korelasyonu genellikle motorun çalışma döngüsü sırasında egzoz gazının ortalama akış oranına göre uygulanır. Egzoz gazlarından egzoz borusunun iç duvarına olan ısı transferi öncelikle zorlanmış taşınıma ve egzoz akış özellikleri ile boru geometrisine bağlıdır. LİTERATÜR Chan ve Hoang [1] yaptıkları çalışmada, düşük sıcaklık koşullarında çalışmaya başlatılan bir motora bağlı egzoz sistemindeki ısı transferini ve kimyasal reaksiyonları hem deneysel hem de sayısal olarak incelemişlerdir. Katalitik konvertörde, motorun düşük sıcaklıkta başlamasının hemen ardından suyun buharlaşması ile yoğuşma sıcaklığı ve zehirli karbon monoksit ile hidrokarbonların, karbondioksit ve suya dönüşümleri deneysel verilerle belirlenmiştir. Çalışma sonucunda, egzoz gazı sıcaklığı egzoz hattı boyunca ve katalizör içerisinde hem uzaysal hem de zamansal olarak ortaya konulmuştur. Sayısal ile deneysel verilerin tatmin edici olması, yapılan çalışmanın nitelik ve nicelik bakımından tutarlı olduğunu göstermiştir. Koschan ve arkadaşları [2], kullanılmakta olan otomobil parçalarının termal modellemesini ve görüntülenmesini, ters mühendislik uygulaması ile sayısal ve deneysel olarak incelemişlerdir. Söz konusu otomobil parçaları, Dodge RAM 3500 van, Ford Taurus ve Toyota Corolla marka otomobillerin egzoz hattı ve susturucu kısımlarından oluşmaktadır. Çalışmanın deneysel bölümü iki kısımdan oluşmaktadır. İlk kısımda, Dodge RAM 3500 van’ın susturucusunun ile Ford Taurus marka aracın egzoz hattının, Indigo Omega marka termal kamera ile termal modellemesi yapılmıştır. Deneyin ikinci kısmında ise, bir Raytek kızılötesi termometre kullanılarak, Dodge RAM 3500 van, Ford Taurus ve Toyota Corolla marka araçların egzoz sisteminde bulunan susturucu kısımlarının sıcaklık değerleri belirlenmiştir. Çalışmanın sayısal bölümünde, tersine mühendislik kapsamında, üç boyutlu lazer tarayıcı kullanılarak söz edilen parçaların geometrisi bilgisayar ortamına aktarılmış, Rhinoceros 3D yazılımı kullanılarak sanal modelleri oluşturulmuştur. Son olarak MuSES (Multi-Service Elektro-optic Signature) yazılımı yardımıyla ve deneysel veriler kullanılarak sayısal simülasyon elde edilmiştir. Kandylas ve Stamatelos [3] çalışmalarında, ısı transferi hesabına dayanan egzoz sistemi tasarımını deneysel ve sayısal olarak incelemişlerdir. Farklı silindir hacimlerinde, egzoz gazının ve egzoz hattı duvar sıcaklığının araç hızına göre değişimi ölçülmüştür. Ayrıca farklı egzoz sistemlerinde, egzoz gazı sıcaklığının zamana bağlı değişimi NEDC (New European Drive Cycle) egzoz emisyon testi ile ölçülmüş, sayısal ve deneysel sonuçlar tutarlı çıkmıştır. Çalışma, egzoz manifoldu, geometrisi, boru kalınlığı vb. parametrelerin tasarımında yol gösterici bir özellik taşımaktadır. Haworth ve Dobson [4] yaptıkları çalışmada, içten yanmalı bir motorun egzoz sisteminde değişken sıcaklıklardaki suyun yoğunlaşması ve buharlaşmasının etkisini deneysel ve sayısal olarak incelemişlerdir. Deneysel bölümde, 1.61 Volkswagen Bora marka otomobil kullanılmıştır. Aracın egzoz sisteminin çeşitli bölümlerine yerleştirilen sensörler kullanılarak çeşitli ölçümler yapılmıştır. Sayısal bölümde kütle, enerji ve momentum korunum denklemleri hesaplanmış, Runge-Kutta çözüm metodu ile çözüme ulaşılmıştır. Çalışmanın sonunda, tutarlı deneysel ve sayısal sonuçlarla egzoz gazı sıcaklığı hesaplanmış, nem etkisinin göz önünde bulundurulması gerektiği sonucu ortaya konmuştur. Baysal [5], eşmerkezli boru tipli ısı değiştiricilerinde deneysel ve sayısal ısı transferi sonuçlarının karşılaştırılmasını incelemiş, çalışma sonucunda FLUENT yazılımıyla ve çeşitli ampirik ifadelerle (Dittus-Boelter, Sieder-Tate, Petukhov) elde edilen sayısal sonuçlar, deneysel sonuçlar uyumluluk göstermiştir. ÇALIŞMA YÖNTEMİ Örnek bir egzoz hattı geometrisi katı modeli bilgisayar ortamına aktarılacak ve lisanslı FLUENT yazılımı kullanılarak, motor çıkış şartları göz önüne alınıp, egzoz sistemi içerisindeki akış sayısal olarak simüle edilecektir. Bu çalışmada, sıcak egzoz gazının, egzoz hattı boyunca araç şasisinin alt bölgelerinde oluşturacağı yüksek sıcaklık bölgelerinin tespiti önem arz etmektedir. Üreticilerden alınan bilgilere gore, bu yüksek sıcaklık bölgelerinde ısı kalkanının kullanılma gereksinimi oluşmaktadır. Dolayısı ile bu kalkanın kullanılıp kullanılmaması, kullanılacak ise en uygun bölgenin nerede olacağı düşüncesi önem kazanmaktadır. Çalışmanın sayısal bölümünde, farklı akış modelleri ve ağ yapıları kullanılarak egzoz sistemini en iyi şekilde temsil edecek modeller oluşturulmaya çalışılacaktır. Ağ yapısı ve iterasyon optimizasyonları ile sayısal çözümün güvenilirliğinin arttırılması hedeflenmektedir. Sayısal simülasyonlarda kullanılacak olan sınır şartları, mevcut üreticiden alınacak olan gerçekçi deneysel sonuçlardan oluşacaktır. Deneysel model, mevcut geometrinin, tasarlanacak olan deney yatağına montajlanması ile gerçekleştirilecektir. Deneysel çalışmada temel olarak önem arz eden bölgelerde pitot tüpleri yardımı ile hız ve fark basınç, ısıl çiftler kullanılarak sıcaklık değerleri ölçülecektir. SONUÇ Planlanan bu tez çalışmasının sonunda, elde edilecek bilgisayar simülasyonu ve deney sonuçları ile üreticinin arzu ettiği egzoz hattı, geometrisi ve gerekli ise ısı kalkanı ihtiyaçları optimum düzeyde belirlenmeye çalışılacaktır. KAYNAKLAR 1. 2. 3. 4. 5. Chan, S. H., Hoang, D. L.‘Heat transfer and chemical reactions in exhaust system of a cold-start', International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol: 42, Issue 22, Pages 4165-4183, 1999. Koschan, M., Govindasamy, P., Sukumar, s., Page, D., Abidi, M. ' Thermal Modeling and Imaging of As-built Vehicle Components', SAE World Congress, SAE SP-2040, Detroit, SAE Technical Paper 2006-01-1167. Kandylas, I.P., Stamatelos, A.M. ‘Engine exhaust system design based on heat transfer computation’, Energy Conversion & Management, Vol: 40, Issue 10, Pages 1057-1072, 1999. Haworth L.C., Dobson R. ‘Modelling the effects of condensation and evaporation of water on the transient temperatures inside the Exhaust system of an internal combustion engine’, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, Vol: 225, Pages 328-340, 2011. Baysal, E., ‘Comparison of Experimental and Numerical Heat Transfer Results in Concentric Pipe Heat Exchangers’ Journal of Polytechnic, Vol: 11, Issue 4, Pages 345-352, 2008.