Search

ÖZET İÇTEN YANMALI MOTORDA FARKLI TÜRBÜLANS MODELLERİ İÇİN DAHA YOĞUN GRİD SİMÜLASYONLARI Son yıllarda, otomotiv tasarımcıları ses ve kirlilik yayılımını azaltmak ve buna karşılık motordan yüksek performans elde etmek ve yakıt tüketiminde ekonomi sağlamak amacı ile motor tasarımında önemli değişiklikler yapmaya girişmişlerdir. Bu bağlamda, bu konuda gelişme kaydedebilmek için motorlardaki akışın karakteristik özelliklerinin anlaşılması ve bununla sürekli karşılıklı etkileşim halinde bulunan yanma ürününün özelliklerinin belirlenmesi gerekmektedir. Bu çalışmalar deneysel metotlarla yapılabilmektedir. Ancak, deneysel metotlar çok uzun zaman almakta ve çok yüksek maliyetlere neden olmaktadır. Buna karşılık, bilgisayar yardımı ile yapılan simülasyon teknikleri, deneysel metotlara kıyasla birçok avantaja sahiptirler. Çünkü, simülasyon teknikleri daha düşük maliyet getirmekte ve uzun sürmeyip, birçok kez tekrarlanmaya elverişli oldukları için parametre kontrolünü kolaylaştırmaktadırlar. Ancak simülasyonlar türbülans modellerinin yetersizliği, nümerik metod yetersizlikleri v.b. gibi nedenlerden ötürü iyi sonuçlar vermemektedir. Biz bu tezde türbülans modellerinin yetersizliklerinden yola çıkacağız. Sonuç olarak bu tezde daha gelişmiş türbülans modelleri kullanılarak daha elverişli sonuçların elde edilmesi ve bu sonuçlardan faydalanılarak otomotiv tasarımcılarına yardımcı olunması amaçlanıyor. Buradan hareketle, bu tezde, 1. Bölümde, problem ve yaklaşımlar üzerinde durulmuştur. 2. Bölümde, motorlardaki akışkanlar üzerine teorik ve deneysel çalışmalar sunulmaktadır. 3. Bölümde, piston silindirindeki akışı tanımlayan diferansiyel denklemler ifade edilmiştir.4. Bölümde, türbülans modelleri üzerinde durulmaktadır. 5. Bölümde, diferansiyel denklemlerin diskritizasyonu üzerinde durulmaktadır. 6. Bölümde, k-e modeli ve k-e-x modelinin serbest akışlara uygulamaları anlatılmış ve modellerin basit akışlara uygulanışları test edilmiştir. 7. Bölümde, değişik sıkıştırma oranlarında çalışan yatay pistonlu, merkezi valili, aksisimetrik modelli motorun türbülans karakteristiklerinin ve ana akışın ölçümlerinin karşılaştırılması yapılmaktadır. Bu akışın karakteristiklerini belirlemek için bir içten yanmalı motor simülasyon programı kullanılmıştır. İki tane değişik sıkıştırma oranlarındaki durumlar test edilmiştir. Karşılaştırmalar, k-s modeli, k-e-t modeli ve deney dataları arasında yapılmıştır. 8. Bölümde ise sonuçlardan bahsedilmiştir. Temmuz, 2002 HANDE ALPEREN VI ABSTRACT FINE GRID SIMULATIONS OF AN IC ENGINE COMBUSTION CHAMBER WITH VARIOUS TURBULENCE MODELS During the last years, automotive engineers have been called upon to make significant changes in engine design in order to reduce the levels of pollutant and noise emission, and to increase the fuel economy and the performance of the engine. In this connection, it has become apparent that a more complete understanding of the characteristics of the flow evolution in engines and its interaction with the combustion process is needed. These works can obtain by empirical methods. But these techniques take too much time. And they have high cost limitations. But computer simulations have better characteristics than the empirical methods. Because computational methods offer a cost-effective and practical means for a more complete knowledge of in cylinder flow processes and the effects of key controlling parameters. Simulations don't give excellent results everytime because of the insufficiency of turbulence. Therefore, there seems to be need to develop more advanced turbulence models for excellent results. Finally, in this thesis we want to get better results when the new turbulence models were developed and we want to help to the automotive designers. There are two different simulations in this thesis. First one, simulations of free turbulent shear layers and second one simulation of a model engine. Because in the simulation engine, there is an annular jet flow during intake stroke through the valves, we want to simulate this annular jet. But this is a complex jet simulation. In this connection firstly, we simulate less complex jets like plane jet, round jet and plane far wake than annular jet simulation. In this thesis, Chapter 1 presents the approches about turbulence problems. Chapter 2 presents a review of previous theoretical and experimental studies of flows in engines. vuIn Chapter 3, the differential equations governing the flow in piston-cylinder are presented. Chapter 4, presents the turbulence models. Chapter 5 is concerned with the discretization of the differential equations. In Chapter 6, applications of the k-s-T model and k-e model to free shear flows are introduced in order to validate and test the model in experimentally well documented classes of flow which are fairly simple. Chapter 7 is concerned with the prediction and comparison with measurement of the mean flow and turbulence characteristics in a flat-piston, central valve, axisymmetric model engine that operates at different compression ratios. An Internal Combustion Engine (ICE) simulation program is used to predict the in- cylinder flow characteristics. Two cases are tested. Comparisons are made with the experimental data where available and with the k-E turbulence models against the k-s-x model to present their relative accuracy. Chapter 8, presents the conclusions. July, 2002 HANDE ALPEREN Vlll 133

Emisyon mevzuatının giderek daha katı hale gelmesi, fosil kaynaklarının azalması ve CO2 emisyonunun neden olduğu sera etkisinin artmasıyla üreticiler, motorun performansından ödün vermeden emisyon yönetmeliklerine uymanın yeni yollarını araştırıyorlar.Bu tez çalışması, 2.0 L Turboşarjlı Dizel Motorun Sayısal modelinin (Sıfır / Tek Boyutlu Model) geliştirilmesini ve daha sonra sayısal modeldeki sıkıştırma oranının değiştirilmesinin etkilerinin incelenmesini içermektedir. Bu çalışma, motorun farklı çalışma koşullarında Sıkıştırma Oranlarının etkisini belirlemede bir çerçeve sağlamıştır. Sayısal bir model üzerinde bulunan Değişken Sıkıştırma Oranı teknolojisi çalışması çok uygun maliyetli ve zaman kazandırıcı olduğunu kanıtlamış ve sayısal modellerin geliştirme aşamasında motorların farklı parametrelerini incelemek için kullanılabileceği gerçeğini doğrulamıştır.Sıkıştırma Oranındaki bir artışın ana etkisinin, beklendiği gibi olduğu, düşük motor hızı ve düşük yük bölgelerinde daha büyük bir etkiye sahip olan, Frene Özgü Yakıt Tüketiminde düşüş ve Termal Verimlilikte bir artış olduğu bulunmuştur. Değişken Sıkıştırma Oranı teknolojisinin motorda kullanılabileceğini varsayarsak, bu çalışma motor haritasının etrafındaki Sıkıştırma Oranlarının en iyi kombinasyonunu bulmuştur ve bu da motorun emisyonları ve performansı arasında en iyi dengeyi sağlamıştır. Bu çalışma, Değişken Sıkıştırma Oranı teknolojisinin, motorda uygulandığında sadece motor emisyonlarını azaltmakla kalmayıp, uzun mesafeli yolculuklarda son kullanıcı için rölanti veya seyir esnasında daha ekonomik yakıt tüketim değerlerine geçme seçeneği olarak verilebileceği gerçeğini de doğrulamaktadır.--------------------With emission legislation becoming ever more stringent, declining fossil resources and an increase in greenhouse effect caused by CO2 emissions, manufacturers are exploring new ways to match the emissions regulations without compromising on the performance of the engine.This thesis work included developing of Numerical model (Zero/One Dimensional Model) of a 2.0 L Turbocharged Diesel Engine and then study the effects of changing its compression ratio in the numerical model. This study gave a framework in determining the effect of Compression Ratios in different operational conditions of the engine. The study of Variable Compression Ratio technology on a numerical model proved to be very cost-effective, time saving and validated the fact that numerical models can be used to study different parameters of the engines during the development stage.The main effect of an increase in Compression Ratio, was found to be as expected, a decrease in Brake Specific Fuel Consumption and an increase in Thermal Efficiency with a greater impact in the low engine speed and low load regions. Assuming, that the Variable Compression Ratio technology can be utilized in the engine, this work found the best combination of Compression Ratios around the engine map, giving a best fit of trade-offs between the emissions and performance of the engine. This study also validates the fact that Variable Compression Ratio technology, if implemented in the engine could not only reduce emissions of the engine but can be given as an option to the end-user to switch to more economic fuel consumption values during idling or cruising at long distant journeys.

ÖZETV-16 AĞIR HİZMET DİZEL MOTORUNDA PİSTON YÜZEY GEOMETRİSİNİN OPTİMİZASYONUİçten yanmalı motorların termodinamik performansını iyileştirmek için geçmiş yıllardan günümüze birçok yenilik uygulanmıştır. Günümüzdeki ticari dizel motorlardan istenen yüksek performansla birlikte düşük emisyon oranları motorların tasarımını gitgide zorlaştırmaktadır. Bu çalışmada direkt enjeksiyonlu sıkıştırma ateşlemeli V-16 ağır hizmet motoru üzerinde, piston yüzey geometrisi ve temel yakıt enjeksiyon parametlerini kullanarak, CFD yanma simülasyonları ve optimizasyon programı aracılığı ile motorun mevcut performansını koruyup daha düşük yakıt tüketimi sağlaması amaçlanmıştır. Bu çalışma esnasında optimizasyon programına BMEP ve PFP değerleri hedef değerler olarak tanımlandı. Optimizasyon girdisi olarak ise yakıt enjeksiyon basıncı, enjeksiyon başlangıç zamanı ve enjeksiyon süresi değerleri alt ve üst limit değerleri tanımlanarak sMOGA optimizasyon algoritmasında kullanıldı. Bu çalışma esnasında her bir CFD simülasyonun performans çıktıları ile NOx ve kurum sonuçlarıda elde edilerek optimizasyon esnasında tasarımlara ait emisyon değerinin değişimi incelenmiştir. Bu sayede optimizasyon sonucunda istenen hedef performans değerini elde etmiş birden çok piston yüzey tasarımı içinden en düşük emisyon değerine sahip olan tasarımın elde edilmesi sağlandı. --------------------ABSTRACTPISTON BOWL GEOMETRY OPTIMIZATION OVER A V-16 HEAVY DUTY DIESEL ENGİNEMany innovations have been applied from the past years to the present day in order to improve the thermodynamic performance of internal combustion engines. Today's high performance and low emission rate demands for commercial diesel engines make difficult to design engine process. In this study, it is aimed to maintaining the current performance of the engine and achieving lower fuel consumption relative to original design by using computational fluid dynamics (CFD) combustion simulations and optimization on a V-16 heavy duty direct injection compression ignition diesel engine.During this study, break mean effective pressure (BMEP) and peak firing pressure (PFP) values were defined as target values in the optimization program. As the optimization input, piston bowl geometry parameters, fuel injection pressure, start of injection time and injection duration values were used in the surrogate multi objective genetic algorithm (sMOGA) by defining lower and upper limit values.During optimization, NOx and soot results were evaluated as performance outputs of each CFD simulation and the variation of the emission values of the designs was investigated during the optimization. Thus, as a result of optimization, the design with the lowest emission value was obtained from multiple piston bowl designs which have achieved the desired target performance value.

ÖZET (Seçiçi İndirgeyici Katalistlerin Performansının Entegre Modelleme Yaklaşımıyla İncelenmesi)Dizel emisyon gazları partikül, karbon monoxide, NOx içeren çok sağlığa zararlı gazlardır. lBu çalışmanın amacı seçici indigeyici katalist sistemler icin birbiriyle entegre ve çok boyutlu bir modelleme geliştirebilmektir. Bu modelleme tekniği ile katalistlerde yüksek NOx çevrim verimi için gerekli emisyon tahminlerini yapabilecektir. Emisyon tahminin doğruluğunu arttırmak için egzoz sistemindeki 3 boyutlu bütün fiziksel etkiler detaylı bir çalışma ile modellenmiştir. Araştırmacılar farklı üre seçici indirgeyici katalist modellemeleri geliştirmektedir ancak modeller deposit oluşmasının emisyon üzerindeki etkilerini modelleyememektedir. Tezde emisyon taminleri 3 boyutlu sayısal çalışmaları sonucunda secici indirgeyici katalistlerindeki NH3 dağılımlarının bulunması ve üre-kristallerinin birikmesinin sıcaklık ve debiye bağlı haritalaştırılması sayesinde doğru olarak yapılamabilmektedir. Bu sayede daha gelişmiş üre kontrol stratejileri denenebilmekte, seçici indirgeyici katalist boyutlandırmaları ve kimyasal yükleme optimizasyon çalışmaları yapılırken egzoz sistem tasarımları iyileştirilebilmektedir.Seçiçi İndirgeyici Katalist modellemeleri çok sayıda fiziksel modelleme gerektiren karmaşık bir modeleme tekniğidir. Bu modelleme püskürtme, kimyasal modelleme, katı-sıvı arasındaki ısı transferi ve deposit modellemesi içermektedir. Bu fazla sayıda modelleme yaklaşımlarının farklı çalışmalar ile doğrulanması yapılmıştır. Literaturde bulunan temel çalışmalar ile kullandığımız modelleme teknikleri karşılaştırmaları yapılmıştır. Bu sayede geliştirilen modeller gerçek egzoz sisteminin modellenmesinde kullanılmış ve PIV sistemi ile akış ve parçacık doğrulanmaları yapılmıştır.Kurulmuş olan akışkanlar mekaniği laboratuvarımızdan egzoz sisteminin değişik yerlerini termo eleman, basınç ve NOx sensorleri monte edilerek alınan datalar ile sayısal modeli iyileştirilmiştir. Akışkanlar mekaniği laboratuvarı motordan çıkan sıcaklık, hava, NOx debisi simule edilen elektronik kontrol ünitesi ile birlikte çalışan, kontrollu test yapmamızı sağlayan bir laboratuvardır. Üre kristallerin modellemesi karmaşık olduğundan sadece sayısal modelleme teknikleri ile ürenin sistemde birikmesi ve yapısının ne olduğunu tahmin etmek mümkün değildir. Sayısal modellemesi ile sadece ürenin nerede birikebileceği tahmini yapılabilmektedir. Gerçek egzoz sistemine üre injektörünün bulunduğu yerden endoscope ile alınan görüntülerden görüntü işleme teknikleri ile ürenin ne kadar biriktiğinin tahmini yapılabilmektedir. Bu datadan daha sonra üre kristallerinin birikme haritası çıkarılabilmektedir. Üre kristalleri akışkanlar mekaniği laboratuvarında endoscope, quartz camlar ve sayısal ile detaylı incelendikten sonra oluşturulan harita ile 1 boyutlu emisyon modeline verilecek olan datalar düzeltilerek verilmektedir. 1 boyutlu emisyon modeli sayısal gelen düzgün olmayan NH3 dağılımları ve ile emisyon sonuçlarını bulabilmektedir. Bu sonuçlar motordan gelen emisyon sonuçları ile karşılaştırılmıştır.ABSTRACT (An Integrated Modeling Approach to Investigate Performance of Selective Reduction Catalyst)The emissions of the diesel engines consist of various harmful exhaust gases such as carbon monoxide (CO), particulate matter (PM), hydrocarbon (HC), and nitrogen oxides (NOx). Several technologies have been developed to reduce diesel emissions especially NOx reduction systems in last decades. The most promising NOx emission reduction technologies are exhaust gas recirculation (EGR) system to reduce peak cylinder temperature that reduces NOx form caused by combustion and active selective catalyst reduction (SCR) system using reducing agent such as urea-water-solution for exhaust aftertreatment system.Recent years many different emission reduction application strategies were developed. One of the challenging approach to remove the EGR from engine and design the high NOx conversion efficiency SCR with reducing agent system. Thus the comprehensive SCR modeling approach is required to design compact aftertreatment systems that meet NOx emission legistration level. In the first stage, To develop computational fluid dynamic (CFD) methodology with conjugate heat transfer, spray, deposit and chemical reaction modeling techniques is fundamental work for methodology development. Result of this methology include required parameters to optimize SCR system design.In the second stage 1D emission prediction tool is developed whether the design meet the emission legistlation target. This emission prediction tool should be fast and accurate method with 3D simulation and deposit effect on the SCR system. Before freezing the design of SCR system, emission level of design should be predictable whether further design optimizations or advanced SCR technologies are required. 1D emission tool can predict to different SCR catalyst sizing, and different aftertreatment system layout.Since deposit has a complex phenomogical physics for prediction, in this dissertation deposit modeling is developed in 3D CFD. To predict more accurate deposit prediction, image processing tool was developed in Matlab which uses endoscop camera deposit images. The calculated mass of deposit from matlab was correlated with deposit studies in Flow Test Bench. These results were developed to deposit map which is function of temperature and mass flow rate over all operating conditions by using image processing tool. The main objective of this work is to develop selective catalyst reduction CFD modeling with correction of the deposit map technique to focus on ammonia distribution at the SCR inlet and to observe its influence over NOx reduction process.

ÖZETBİR DİZEL MOTORUN YANMA KARAKTERİSTİKLERİNE BİYOGAZ ETKİSİNİN DENEYSEL İNCELENMESİ VE ÇOK BOYUTLU MODELLENMESİ Buji ateşlemeli LPG ve CNG yakıtlı motorlara alternatif olarak, bu projede, on binlerce model çalışmasından sonra sıkıştırma ile ateşlemeli biyogaz yakıtlı dizel motor tasarımı elde edilmiştir. Biyogaz yakıtı, CNG ve LPG gaz yakıtlara göre ülkemizde üretilmesinden dolayı çok ekonomiktir. Ayrıca biyogaz yüksek oktan sayısı nedeniyle dizel motorlarda kullanılmaya oldukça elverişlidir. Bu çalışmada, Türkiye’de üretilen sıkıştırılmış biyogaz (CBG) yakıtını kullanan, yakıt sarfiyatı azaltılmış, çevreci yeni bir çift yakıtlı dizel motor tasarlanmıştır. Optimizasyon çalışması esnasında 1B ve emme ve egzoz manifoldları dahil 3B HAD simülasyonları kullanılmıştır. Bu projede tasarlanan çift yakıtlı dizel motor ile özellikle motor silindirlerinde hiçbir yapısal değişiklik yapmadan CBG yakıtının kullanılması maliyetleri oldukça düşürmektedir. Tasarım aşamasında bir boyutlu (1B), üç boyutlu (3B) hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yazılımları ve çok amaçlı optimizasyon yazılımı eş zamanlı olarak kullanılmıştır. Çift yakıtlı dizel motor modellemesinde biyogaz ve dizel yakıtı ayrıca bir kod yazılarak sürükleyici yakıt olarak tanımlanmıştır. Optimizasyon çalışmasında uygun motor çalışma parametrelerini elde etmek amacıyla, CBG ve pilot dizel yakıt oranları, motor hızı, ateşleme zamanı, sıkıştırma oranı ve subap zamanlamaları farklı motor yüklerinde değişken olarak tanımlanarak yaklaşık 20000 model elde edilmiştir. HAD ile elde edilen sonuçlar test sisteminde doğrulanmıştır. Yeni tasarım sıkıştırılmış CBG dizel motor ile, tüm motor yüklerinde tek yakıtlı dizel motorlara göre oldukça düşük NOx emisyon değerleri elde edilmiştir. Ayrıca NOx ve SOOT emisyonlarının azaltılmasında CBG dizel motor en iyi performansı sağlamıştır. Bu çalışma, Marmara Üniversitesi BAPKO Birimi tarafından FEN-C-DRP-101012-0327 proje kapsamında desteklenmiştir.ABSTRACTEXPERIMENTAL INVESTIGATION AND MULTIDIMENSIONAL MODELING OF BIOGAS EFFECTS ON THE DIESEL ENGINE COMBUSTION CHARACTERISTICSAs an alternative to LPG and CNG fueled SI engines, in this study, CBG fueled CI engine design was obtained after thousands model study. Biogas fuel is considerably economic due to the home product fuel compared to that of CNG and LPG fuels. In addition, due to the higher-octane rate, biogas is considerably adaptable for diesel engines. In this study, a new ecological dual fuel diesel engine with low fuel consumption and Compressed Bio Gas (CBG) produced in Turkey has been designed. 1D and full geometry 3D computational fluid dynamics (CFD) simulations including intake and exhaust ports were used in optimization process. Usage of CBG fuel in new designed CBG engine without any constructive change in cylinder will considerably decrease the cost. During the engine design, one dimensional (1D), three dimensional (3D) CFD codes and multi-objective optimization code were employed by coupling codes. CBG and diesel fuels were defined as leading reactants using user defined code in dual fuel diesel engine modeling. In optimization study, CBG and diesel mass flow rates, start of pilot diesel fuel injection, compression ratio, valve timing and engine speed were defined as input variables in different engine loads and evaluated about 20000 cases to define the proper operating conditions. Obtained CFD results were validated on engine test system. With this new design CBG diesel engine, significantly lower NOx emissions were emitted under dual-fuel operation for all cases compared to single-fuel mode at all engine load conditions. Moreover, CBG diesel engine provided superior performance in reductions of NOx and SOOT emissions. This project has been supported by Marmara University BAPKO institution as an entitled of FEN-C-DRP-101012-0327.

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2011, Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2011, Günümüzde yeni yanma süreçleri ile birlikte temiz dizel araştırmalarına önem verilmektedir. Bu araştırmaların önemi bu süreçlerin sahip olduğu sıfır civari partikül ve düşük emisyon seviyelerinden kaynaklanmaktadır. Uluslarası kurallar ise üreticileri NOx seviyelerini düşürmeye zorlamaktadır. Bu kurallar otomobil üreticileri ve bu sanayiye motor tedarik eden firmaları daha çevreci ve temiz motorlar üretmeye zorlamaktadır. Bu konuda emisyon seviyelerini ve kirletici miktarını sınırların altına indirecek birçok çalışma yapılmaktadır. Payri vd. direk enjeksiyonlu dizel motorlarda emiş ve sıkıştırma durumlarında, akış bölgesi için 3B akış analizi yaparak durumu incelemişlerdir. Chang vd. ise tek boyutlu model üzerinde nümerik çözüm yaparak geleceğin temiz ve çevreci teknolojisi olan HYY motorları incelemişlerdir. Bu tez aşamasında ise 6 silindirli turbo beslemeli direk yakıt püskürtmeli Ecotorq motor Ford - Otosan A.Ş tarafından incelenmiş ve gücün arttırılması ve emisyonların düşürülmesi planlanmıştır. Emisyon ve performans üzerinde etkili parametreler seçilmiş ve nümerik olarak incelenmiştir. Bir diğer amaç ise etkili devir bölgesinde yakıt tüketimi, parçacık ve emisyonları düşürürken gücü arttırabilmektir. Ayrıca parametreleri değiştirilen motorun Euro V standardına uygun olmasıda önemli bir parametredir.Tez kapsamında literatürdeki nümerik çalışmaların önemli bir kısmı gerçekleştirilmiş ve literatüre uygun sonuçlar elde edilmiştir., New combustion processes focused on clean diesel combustion are investigated for their potential to achieve near zero particulate and NOx emissions. Their main drawbacks are increased level of unburned hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO) emissions, combustion control at high load and limited operating range and power output. According to global regulations for NOx emission and particulate matter levels must be reduced by manufacturer. Due to these regulations, companies which design engines for automotive industry, focused on to produce clean and environment friendly products. So that design is the most important step in production cycle. There are lots of studies on diesel engine to improving the performance and reduce the pollutant to under the allowed level which is formed by the governments and organizations. Chang at al. worked on the 1D simulation of a HCCI engine obtain better burn characteristic for future clean and economical passenger vehicle applications. In this thesis a nine liters six cylinder Direct Injection (DI) –Homogenous Charge Compression Ignition (HCCI) Turbo Charged Diesel engine which is produced and planned to increase the power and improve the performance by Ford - Otosan A.Ş , is examined .The parameters that determine the performance, efficiency and emissions of the engine is studied on computations. During this thesis preparation stage all results verificated with the literature and we can see the results compatible with the recent works., Yüksek Lisans, M.Sc.

ÖZETDİNAMİK MESHLEME METODUYLA TEK SİLİNDİRLİ İÇTEN YANMALI MOTORUN SOĞUK AKIŞ ÖZELLİĞİNİN SAYISAL MODELLENMESİ Son yıllarda 3 boyutlu hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) simulasyonları bilgisayar teklonolojilerinin gelişmesi ile birlikte içten yanmalı motorların geliştirilmesinde çok önemli rol oynamaktadır. Bilgisayarların donanım kabiliyetlerinin ve HAD paket programlarının gelişmesiyle birlikte motor tasarım ve uygulamalarında 3 boyutlu akış simulasyonunun önemi daha da artmıştır.HAD (hesaplamalı akışkanlar dinamiği) çok karmaşık mühendislik geometrilerindeki akış dinamiğinin yeterli doğruluk ve kabul edilebilir hesaplama maliyetleri içinde tahmin edilebilmesine olanak sağlamaktadır. Bu programlar karmaşık ve düzensiz çözüm ağları için yüksek seviye hassasiyet gerektiren ve en etkin sayısal metodolojilere sahip bir çözücü sunmaktadır. Bu çözücü, mühendislik tasarımı ve geliştirme süreçleri için aranan hızlı, etkin ve sağlam bir özellik içerir. Özellikle doğrulukları ve simulasyon zamanındaki iyileştirmeleri kullanabilmek çok etkili olmuştur. Doğruluğu etkileyen 2 önemli neden vardır. Bunlar sayısal model/methodun doğruluğu ile matematik modelin uygunluğudur.İçten yanmalı motor silindirlerindeki akışın zamana bağımlı, üç boyutlu ve hareketli sınır koşullarına sahip olması nedeniyle sayısal veya deneysel olarak incelenmesi oldukça zordur. Bunun yanında, motor çevrimlerinde akış çoğunlukla türbülanslıdır. Bu yüzden, analiz yapmak akışın düzenli olduğu durumlardan daha zordur.STAR-CD programındaki hareketli ağ örgüsü modellenen şeklin sınırlarının zamana göre değiştiği akışkan hareketini modeller. Her zaman adımında STAR-CD tarafından hacim mesh otomatik olarak yeniden hesaplanır. Dinamik ağ örgüsünü kullanmak için başlangıc bir hacim ağ örgüsü ile hareketli sınırların tanımlanması gerekmektedir.Bu çalışmada basit bir kompresor geometrisi ile silindiri temsil eden duvardan oluşan basitleştirilmiş 2 boyutlu geometri kullanıldı. Simulasyon aksi simetrik geometride üst ölü noktadan başlayarak alt ölü noktaya kadar gerçekleştirildi. Modeller düz yüzeyli piston için farklı iki sıkıştırma oranındaki geometrilerden oluşturuldu. Modellerde RNG ve k- türbülans modelleri kullanıldı. Ayrıca, her iki modelden elde edilen sonuçlar Lazer Doppler Anemometre ile elde edilmiş deneysel sonuçlarla karşılaştırıldı. Sonuçta, turbülans modelinin karşılaştırma yapılan çoğu noktada RNG turbulans k- turbülans modelinden daha iyi ortalama eksenel hız ve türbülans çalkantı profilleri verdiği gözlendi.ABSTRACTCOMPUTATIONAL MODELING OF COLD FLOW CHARACTERISTICS OF A SINGLE CYLINDER INTERNAL COMBUSTION ENGINE USING THE DYNAMIC MOVING MESH With the advancement of computer technologies and understanding basic phenomena, 3-D CFD simulation has played more and more important role in the internal combustion (IC) engine development. The importance of the numerical simulation of 3-dimensional flow phenomena in engine design and applications has increased due to the recent improvements of the computer hardware capacities as well as the simultaneous improvement of the CFD/CAE-tools.The available CFD codes enable to predict the fluid dynamic processes even in complex geometries to a sufficient degree of accuracy and at acceptable computational costs.Two important aspects of a 3-D simulation are the accuracy and turn-over time of simulation. The accuracy is affected by two parts. One is numerical model/method accuracy. Another one is the computational fidelity. Fluid flow within internal combustion engine cylinders is extremely complex to analyse numerically or experimentally due to having time-dependent and three dimensional charecteristics with moving boundaries. Moreover, the flow is mostly turbulent in engine cycles, so, making analysis is very difficult, than if it were laminar flow.The dynamic mesh model in Star-cd can be used to model flows where the shape of the domain is changing with time due to motion on the domain boundaries. The update of the volume mesh is handled automatically by Star-cd at each time step based on the new positions of the boundaries. To use the dynamic mesh model, you need to provide a starting volume mesh and the description of the motion of any moving zones in the model.For this work a simplified 2D geometry will be used, consisting of a simple compressor geometry, the bottom wall of which represents the piston. Simulation performed starting from TDC position (i.e. CA =0 0) to the end of the compression stroke (i.e. CA=3600) in an axsymmetry geometry. These models is created with two different compression ratios with flat-top piston cases. RNG and k-e turbulence models are used for these models. Results of both models were also compared with the Laser Doppler Anemometry measurements. . It was obtained that the RNG turbulence model produced better axial mean velocity and turbulence intensity profiles in most of the locations than did k-e model.

Homojen dolgulu sıkıştırma ateşlemeli (HCCI) kavramı, düşük NOx, is emisyonları ve yüksek verimlilik sebebiyle özellikle dizel motorlar için potansiyel bir yanma kavramına sahiptir. Sıkıştırma zamanı sırasındaki erken doğrudan püskürtme, HCCI konsepti içindeki NADITM kavramı ile bir seçenektir. Bu ise silindir içi yoğunluğun azalması sebebiyle cidara çarpma riskinin artması anlamına gelir. Cidara çarpmayı önlemek için yakıt spreyi çok iyi dağılmak zorundadır.Bu çalışmanın amacı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiğini (HAD) simülasyonu ve optimum doğrudan püskürtmeli HCCI'daki karışım oluşumuna göre yanma verimliliği ve düşük emisyonun optimizasyonunu elde etmek ve simülasyonunu yapmak için bir araç olarak kullanmaktır. NADITM kavramına göre 60o ve 80o sprey konik açılara sahip iki farklı nozul dikkate alınmıştır.Bu tez çalışması çok düşük motor-çıkış emisyonlarına ulaşmak için dizel yanmasının temellerinin bir araştırmasını göstermektedir. Öncelikle var olan bir tasarım incelenmiş ve gelecekteki emisyon sınırlamalarını karşılama potansiyelini sağlayacak bir konfigürasyon ve çalışma şartlarını tesis için PPCI modunun tek silindir simülasyon sonucuna dayanan bir değişiklik önerilmiş ve ikinci olarak yanma özelliklerinin ihtiyaçları anlaşılmasına yönelik bir anlayış geliştirme amaçlanmıştır.Çalışmanın ilk bölümü 1-B termodinamik simülasyonu kullanarak tek silindirli motor üzerinde yürütülen araştırmaların geçerliliğini göstermiş ve ileriki çalışmalar sağlam bir temel oluşturmuştur. İkinci bölümde silindir içi akış yeterliliklerinin etkileri, özellikle farklı türbülans modellerine göre soğuk akış incelenmiştir. Üçüncü bölümde, önemli ölçüde NOx düşüşüne neden olan püskürtme zamanlamasının etkisi araştırılmıştır. Kısmi önkarışım dolgulu yanma işlemi, yakıt tüketimi ve yanmamış hidrokarbon emisyonlarının artış-azalış ile NOx,CO ve is emisyonlarına yönelik faydasını göstermek için yeni çanak tasarımına uygulanmıştır. uygulanmıştır. Son olarak, CO, is ve NOx oluşum hesaplaması PPCI yanma için önerilmektedir. The homogeneous charge compression ignition (HCCI) concept has a potential combustion concept for especially diesel engines, due to low NOx and soot emissions and high efficiency. Early direct-injection (DI) during the compression stroke is an option with NADITM concept in HCCI. This implies that the risk for wall impingement increases, due to the decreasing in-cylinder density. The fuel sprays has to be well dispersed in order to avoid wall impingement.The purpose of this work is to use Computational Fluid Dynamics (CFD) as a tool to simulate and evaluate the optimum of combustion efficiency and minimum emissions with respect to mixture formation in direct-injected HCCI. Two different nozzles are considered: two different nozzles with 60o and 80o spray cone angles in according to NADITM concept.The program of work described in this thesis represents an exploration of the fundamentals of diesel combustion to achieve ultra-low engine-out emissions. The objectives were firstly an existing design were explored and then the modification were suggested according to the result of single cylinder simulation of PPCI mode to establish operating conditions and configuration that offer the potential to meet future emissions legislation, and secondly to develop an improved understanding of these requirements on combustion characteristics.The initial part of the study demonstrated that the validity of conducting investigations on a single-cylinder engine by using 1D thermodynamic simulation and formed a solid baseline for following studies. In the second part it was examined that the effects of in-cylinder flow capabilities especially cold flow with respect to the different turbulence models. In the third part it was investigated that the impact of injection timing that led to significant NOx reductions. Partially premixed-charge combustion operation was applied to new bowl design to demonstrate NOx, CO and soot emissions benefits but also the trade-off with fuel consumption and UHC emissions. Finally, a CO, soot and NOx formation prediction is suggested for PPCI combustion. 161

ÖZETÇOK BOYUTLU MODELLEME KULLANILARAK BİR AĞIR İŞ DİZEL MOTOR İÇİN ÇEŞİTLİ YANMA MODELLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASIDizel motorundaki yanmanın modellenmesi Termodinamik ve çok boyutlu olmak üzere iki grupta sınıflandırılabilir. Termodinamik modeller de tek ve çok bölgeli olarak iki alt gruba ayrılabilir. Termodinamik modeller uzun yıllar, var olan motorların geliştirilmesine ve yeni motorların tasarımına yardımcı olmuştur. Bu tür modeller henüz yaygınca kullanılmamasına rağmen yeterli sonuçlar sağlamaktadır. Bununla birlikte, birçok kirletici emisyonuna karşı hükümet yasalarının ve ham petrolün fiyatındaki yükselişin oluşturduğu şu anki baskı, daha temiz ve daha fazla enerji tasarruflu motor üretimi için zorlayıcı bir etki oluşturmaktadır. Bu sebeplerden dolayı modellemenin önemi artmaktadır. Bu çalışmada, tek boyutlu, üç boyutlu ve dinamik modeller olmak üzere farklı motor modelindeki akış karakteristikleri nümerik olarak STAR-CD programı kullanılarak incelenmiştir. STAR-CD programı motorlar içerisindeki akış karakteristiklerini modellemek için sonlu hacimler metodunu kullanmaktadır. Daha sonra yapılacak olan deneysel sonuçlar nümerik sonuçların doğruluğunda faydalanılacak ve kullanılacak diğer motor modelleri için bir temel oluşturması amacı ile tezde bulunmakta olan bir modelle karşılaştırılmıştır.Yanma modellerinden elde edilen sonuçlar literatürdeki sonuçlarla yakın benzerlik göstermiştir.ABSTRACTCOMPARISON OF VARIOUS COMBUSTION MODELS WITHIN A MULTIDIMENSIONAL FRAMEWORK APPLIED TO HEAVY DUTY CI ENGINEModels of diesel engine combustion can be classified into two groups: thermodynamic and multidimensional. Thermodynamic models can in turn be classified into two subgroup; single- and multizone. For many years, thermodynamic models aided to both improve existing engines and develop new designs. Although these models do not use widely, provide adequate result. However the current pressures of government legislation against the emission of numerous pollutants, from the rise on the cost of crude oil, have provided an impetus to produce the cleaner and more energy-efficient engines. Because of these reasons importance of modelling increase.In this study, flow characteristics and combustion results for some combustion models within a multi dimensional framework applying to heavy duty CI engine in three dimension and dynamic model were investigated numerically by means of STAR-CD, which is a computational fluid dynamics solver. STAR-CD program uses finite volume method in order to model the flow and combustion inside the engine. The combustion results that obtained for one engine geometry were used to compare each other. Results of combustion models show good agreement with results in literature.

ÖZETBİR AĞIR İŞ PPCI MOTORUNUN TASARIM PARAMETRELERİNE CDC KAVRAMININ ETKİSİNİN ÇOK BOYUTLU MODELLEME KULLANILARAK İNCELENMESİHomojen dolgulu sıkıştırma ateşlemeli (HCCI) kavramı, düşük NOx, is emisyonları ve yüksek verimlilik sebebiyle özellikle dizel motorlar için potansiyel bir yanma kavramına sahiptir. Sıkıştırma zamanı sırasındaki erken doğrudan püskürtme, HCCI konsepti içindeki NADITM kavramı ile bir seçenektir. Bu ise silindir içi yoğunluğun azalması sebebiyle cidara çarpma riskinin artması anlamına gelir. Cidara çarpmayı önlemek için yakıt spreyi çok iyi dağılmak zorundadır.Bu çalışmanın amacı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiğini (HAD) simülasyonu ve optimum doğrudan püskürtmeli HCCI’daki karışım oluşumuna göre yanma verimliliği ve düşük emisyonun optimizasyonunu elde etmek ve simülasyonunu yapmak için bir araç olarak kullanmaktır. NADITM kavramına göre 60o ve 80o sprey konik açılara sahip iki farklı nozul dikkate alınmıştır.Bu tez çalışması çok düşük motor-çıkış emisyonlarına ulaşmak için dizel yanmasının temellerinin bir araştırmasını göstermektedir. Öncelikle var olan bir tasarım incelenmiş ve gelecekteki emisyon sınırlamalarını karşılama potansiyelini sağlayacak bir konfigürasyon ve çalışma şartlarını tesis için PPCI modunun tek silindir simülasyon sonucuna dayanan bir değişiklik önerilmiş ve ikinci olarak yanma özelliklerinin ihtiyaçları anlaşılmasına yönelik bir anlayış geliştirme amaçlanmıştır.Çalışmanın ilk bölümü 1-B termodinamik simülasyonu kullanarak tek silindirli motor üzerinde yürütülen araştırmaların geçerliliğini göstermiş ve ileriki çalışmalar sağlam bir temel oluşturmuştur. İkinci bölümde silindir içi akış yeterliliklerinin etkileri, özellikle farklı türbülans modellerine göre soğuk akış incelenmiştir. Üçüncü bölümde, önemli ölçüde NOx düşüşüne neden olan püskürtme zamanlamasının etkisi araştırılmıştır. Kısmi önkarışım dolgulu yanma işlemi, yakıt tüketimi ve yanmamış hidrokarbon emisyonlarının artış-azalış ile NOx,CO ve is emisyonlarına yönelik faydasını göstermek için yeni çanak tasarımına uygulanmıştır. uygulanmıştır. Son olarak, CO, is ve NOx oluşum hesaplaması PPCI yanma için önerilmektedir.ABSTRACTEFFECT OF CDC CONCEPT ON THE DESIGN PARAMETERS OF A HEAVY DUTY PPCI ENGINE BY USE OF MULTIDIMENSIONAL MODELINGThe homogeneous charge compression ignition (HCCI) concept has a potential combustion concept for especially diesel engines, due to low NOx and soot emissions and high efficiency. Early direct-injection (DI) during the compression stroke is an option with NADITM concept in HCCI. This implies that the risk for wall impingement increases, due to the decreasing in-cylinder density. The fuel sprays has to be well dispersed in order to avoid wall impingement.The purpose of this work is to use Computational Fluid Dynamics (CFD) as a tool to simulate and evaluate the optimum of combustion efficiency and minimum emissions with respect to mixture formation in direct-injected HCCI. Two different nozzles are considered: two different nozzles with 60o and 80o spray cone angles in according to NADITM concept.The program of work described in this thesis represents an exploration of the fundamentals of diesel combustion to achieve ultra-low engine-out emissions. The objectives were firstly an existing design were explored and then the modification were suggested according to the result of single cylinder simulation of PPCI mode to establish operating conditions and configuration that offer the potential to meet future emissions legislation, and secondly to develop an improved understanding of these requirements on combustion characteristics.The initial part of the study demonstrated that the validity of conducting investigations on a single-cylinder engine by using 1D thermodynamic simulation and formed a solid baseline for following studies. In the second part it was examined that the effects of in-cylinder flow capabilities especially cold flow with respect to the different turbulence models. In the third part it was investigated that the impact of injection timing that led to significant NOx reductions. Partially premixed-charge combustion operation was applied to new bowl design to demonstrate NOx, CO and soot emissions benefits but also the trade-off with fuel consumption and UHC emissions. Finally, a CO, soot and NOx formation prediction is suggested for PPCI combustion.

ÖZETAYNI EKSENLİ KONİ İLAVELİ JET AKIŞIN SAYISAL AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ (SAD) İLE ÇÖZÜMÜ Anahtar Kelimeler: Sayısal Akışkanlar Dinamiği, Dairesel Jet akışı, Hava Tüneli, Türbülans Modelleri, Hız profili, Hız Dağılımları, Jet Yayılma Oranı. Bu çalışmada; farklı akış hızlarında ve farklı tiplerde sayısal akışkanlar dinamiği (SAD) ile çözümü yapılan aynı eksenli koni ilaveli jet akış sonuçları, deneysel verilerle ayrıntılı olarak karşılaştırılarak yorumlanmıştır. Bu amaçla deneysel çalışma sonuçlarının baz alındığı hava tünelinin deney odası modellenmiştir. Daha hassas sonuçların elde edilebilmesi için deney odasının sadece çeyrek kısmı modellenmiştir. Prototipi baz alınarak modellenen deney odasının giriş kesiti 320×320 mm2 , çıkış kesiti 336×336 mm2 ve uzunluğu 750 mm’dir. Ayrıca baz alınan deneysel çalışmada da bulunan, dairesel jet akışının sağlanması için 8mm çapında jet boru elemanı ile 60 eğime sahip konik 210mm uzunluğunda elemanlar modellenerek akış çeşitliliği sağlanmıştır. Bu iki elemanın ve deney odasının girişlerinin açık veya kapalı olması ile 4 farklı kategoride 0 (m/s), 10 (m/s) ve 20 (m/s) akış hızlarında olmak üzere toplamda 9 tip analiz yapılmıştır. Her bir analiz 4 farklı mesafedeki istasyonlardan ölçümler alınarak ayrıca değerlendirilmiştir. Sayısal analizler sonlu hacimler yöntemini kullanan bir çözücü program vasıtasıyla çözülmüş olup, bu program vasıtasıyla deneysel verilere denk noktaların ölçümleri alınmıştır. Bu noktalar grafik ortamına taşınarak hız profilleri, türbülans ve boyutsuz hız dağılımları, hız değişimleri ve jet yayılma oranları oluşturulmuştur. Ayrıca deneysel veriler; “Standart k-e”, “RNG k-e”,, “Realizable k-e”, ve “Reynolds Stress” türbülans modelleriyle aynı grafik ve tablo içinde karşılaştırılarak yorumlanmış ve sayısal hesaplanan değerlerle deneysel verilerin uyumlu olduğu görülmüştür.Haziran, 2006 Harun KAYIKCIABSTRACTTHE SAME AXIS CONE ADDITIONAL JET FLOWS COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) SOLUTION Keywords: CFD, Coaxial Jet Flow / Wind Tunnel, Turbulence models, Velocity Profile, Jet Spreading Rate. In this study, predictions of flow with in coaxial jets with a conical attachment have been performed for various jet velocities by using CFD technics and the results were compared in detail with the experimental data. For this purpose, a quarter of the wind tunnel test room were modelled due to geometrical symmetry. The length of the test section is 750 mm and it’s inlet sectional area is 320×320 mm2 and outlet sectional area is 336×336 mm2. The analysis were used a conical diffuser with an angle of 60 and 210mm in length. The circular jet flow was provided by using a steel pipe of 210 mm length and 8 mm diameter. Experiments were performed for four different categories and nine different types depending an weather there was an auxilary flow or not.There wre three auxilary flow velocities of the tunnel of zero, 10 m/s and 20 m/s.Results were processed at at four different stations at the downstream of the jet exit for comparision purposes with the experimental data. Simulation of the flow have been performed by FLUENT, CFD software. FLUENT employ finite volume method for the solution of momentum, energy, continuity and turbulence equations. In addition, performance of various turbulence models such as “k-e”, “RNG k-e”,, “Realizable k-e”, and “RSM” were compared with the above mentromed experimental cases.June,2006

ÖZET DİZEL MOTORLARINDA ÇEŞİTLİ PİSTON DİZAYNLARI İÇİN SİLİNDİR İÇİ AKIŞ SİMULASYONU VE GRİD TESTLERİ Bu çalışma merkezi valfli, eksenel simetrik bir motor modelinde üç durum için ana akış ve türbülans karakteristikleri tahminlerini içermektedir. Ayrıca bu tahminlerin ölçümlerle karşılaştırılmasını içermektedir. Birinci durum sıkıştırma oranı 3.5 olan pistona, ikinci durum sıkıştırma oram 6.7 olan pistona, üçüncü durum çanaklı piston konfigürasyonuna sahiptir. Bu çalışmada bu üç durum için yüksek grid sayısında (10000) ks ve ksx türbülans modellerinin karşılaştırmasını yapmak amaçlanmıştır. Çalışmanın deneysel verilerle karşılaştırılması yapılmıştır. Sonuç olarak her iki modelde de ana akış hızı ve normalize edilmiş türbülans şiddetinde deneysel datalarla makul bir uygunluk elde edilmiştir. Bu durum her üç model için de geçerlidir. Bununla beraber kst modeli birçok yerde deneysel sonuçlara ks modelinden daha iyi uygunluk göstermiştir. İkinci durumun birinci duruma göre daha kuvvetli bir akışa ve yüksek türbülans seviyesine sahip olduğu görülmüştür. Üçüncü durumda ise pistonda silindirik çanak bulunmasının etkisi incelenmiştir. Burada emme boyunca çanağın akış karakteristiği üzerindeki etkisinin ihmal edilebilir olduğu görülmüştür. Sıkışma süresince, sıkıştırmanın ortasına kadar çanaktaki akış neredeyse tek boyutlu gibi davranmıştır. Daha sonra piston tepesinin üzerindeki akış çanağın içinde bir resirkülasyon bölgesi oluşmuştur. Bu durum kex modelinde ke modelinden daha iyi tahmin edilmiştir. Temmuz, 2002 Banu Önen IV ff* ABSTRACT GRID INDEPENDENCY TESTS FOR DIESEL ENGINE COMBUSTION CHAMBER WITH BOWL IN PISTON This study is concerned with prediction and comparison with measurement of the mean flow and turbulence characteristics in a central valve, axisymmetric model engine for three cases. Case I has a flat top piston with compression ratio 3.5, Case II has a flat top piston with compression ratio 6.7 and Case III has bowl in piston configuration. The purpose of the study is to make comparison between two turbulence models ks and ksx for these three cases at high grid numbers (10000). The results show that moderate agreement is obtained with the experimental data for mean flow velocities and normalised turbulence intensities for both turbulence models for all cases. However ksx model gives better predictions in most of the locations where compression is made with the experimental data than ks model. It was found that introduction of a piston with a cylindrical bowl has negligible effect on the mean and turbulence characteristics of the flow through intake stroke. During compression stroke the flow within the bowl is almost one dimensional until the mid-compression. There after squish flow from above the piston-crown creates, inside the bowl, a recirculation zone whose strength is predicted by the ksx model better than ks model. July, 2002 Banu Önen 132

ÖZETSon on yıl içinde, yakıt ekonomisinin arttırılması, gürültü ve atık seviyelerinin azaltılması için içten yanmalı motorlar ile ilgili pekçok araştırma yapılmaktadır. Bu durum, içten yanmalı motor içi akışın gelişimi ve yanma ile etkileşimi hakkında daha fazla bilgi gerektirir.İçten yanmalı motor silindirlerindeki akışın zamana bağımlı, üç boyutlu ve hareketli sınır koşullarına sahip olması nedeniyle sayısal veya deneysel olarak incelenmesi oldukça zordur. Bunun yanında, motor çevrimlerinde akış çoğunlukla türbülanslıdır. Bu yüzden, analiz yapmak akışın düzenli olduğu durumlardan daha zordur.Akış gelişiminin detaylı analizi kütle, momentum ve enerji korunum kısmi diferansiyel denklemlerinin çözümünü gerektirir. Bu diferansiyel denklemler lineer değildir, birbiriyle ilişkilidir ve denklemleri analitik olarak çözmek oldukça zordur. Sayısal yöntemlerle çözüm yanma odasının birbirine komşu sonlu kontrol hacimlere bölünmesiyle başlar. Daha sonra, diferansiyel denklemler sonlu hacimler biçimine dönüştürülür. Son olarak, bu dönüştürülmüş denklemler çözüm algoritmaları kullanılarak çözülür. Ayrıca, silindir içindeki türbülans alanını modellemek için ek denklemler gerekir. Türbülans modelleri ile ilgili pekçok çalışma vardır; örneğin 'the mixing length' modeli , k- - türbülans modeli ve versiyonları gibi.İçten yanmalı motor içi akışlarının diğer akış türlerinden farklılığı hacimsel şıkıştırma ve genişleme özellikleridir. Standart k- - türbülans modeli bu durumlar için doğru sonuçlar vermemektedir. Bu nedenle, bu model motor içi akışlar için çeşitli çalışmalarda yeniden düzenlenmiştir. Morel ve Mansour sıkıştırma etkilerini modelleyen en iyi versiyonlardan birini geliştirmiştir.İki-denklem modellerinin eksikliklerini gidermek için üç-denklem model, k- - turbülans modeli, geliştirildi. Bu tez çalışmasında üç-denklem modelinin geliştirilmiş bir versiyonu kullanıldı.Bu çalışmada, üç-denklem modeli ile Morel ve Mansour iki-denklem modeli sonuçları çeşitli motor içi akış durumları için karşılaştırıldı. Bu karşılaştırmalar düz yüzeyli piston için farklı iki sıkıştırma oranındaki sonuçları içerir. Ayrıca, her iki modelden elde edilen sonuçlar Lazer Doppler Anemometre ile elde edilmiş deneysel sonuçlarla karşılaştırıldı. Sonuçta, k- - turbülans modelinin karşılaştırma yapılan çoğu noktada k- turbülans modelinden daha iyi ortalama eksenel hız ve türbülans çalkantı profilleri verdiği gözlendi.ABSTRACTThere are a plenty of researchs, especially in last decade, on internal combustion engines in order to increase the fuel economy and to decrease the level of noise and waste. That requires the more complete understanding of flow evolution and its interaction with the combustion in internal combustion engine cylinder.Fluid flow within internal combustion engine cylinders is extremely complex to analyse numerically or experimentally due to having time-dependent and three dimensional charecteristics with moving boundaries. Moreover, the flow is mostly turbulent in engine cycles, so, making analysis very difficult, than if it were laminar flow.The detailed analysis of flow evolution requires solution of the governing partial differential equations of conservation of mass, momentum and energy. These are non-linear, coupled and too complex to allow analytical solutions. The numerical solutions start with discretizing the combustion chamber volume into adjacent control volumes of finite dimensions. Then, the governing differential equations converted into finite volume form. Finally, this discretized equations are solved by using solution algorithms. Furthermore, additional equations are required for the modeling of the turbulence field in cylinder. There are a lot of works on turbulence models such as the mixing length model, the k-e- turbulence model and its variants.The distinctiveness of the internal combustion engine flows is the bulk expansion and compression characteristics. The standard k-e- turbulence model does not give accurate results for these cases.So, this model has been modified in several internal combution engine researches. The Morel and Mansour model is one of the best variant in simulating the compression effects.A three-equation model, k-e-t turbulence model, was developed to overcome the deficincies in two-equation model. A modified version of three-equation model was used in this thesis. In this study, results of the k-e-t turbulence model and Morel and Mansour k-e turbulence model were compared for various in-cylinder engine flows. These include two different compression ratios with flat-top piston cases. Results of both models were also compared with the Laser Doppler Anemometry measurements. It was seen that the modified version of k-e-t turbulence model produced better axial mean velocity and turbulence intensity profiles in most of the locations than did k-e model.

ÖZET Son on yıl içinde, yakıt ekonomisinin arttırılması, gürültü ve atık seviyelerinin azaltılması için içten yanmalı motorlar ile ilgili pekçok araştırma yapılmaktadır. Bu durum, içten yanmalı motor içi akışın gelişimi ve yanma ile etkileşimi hakkında daha fazla bilgi gerektirir. İçten yanmalı motor silindirlerindeki akışın zamana bağımlı, üç boyutlu ve hareketli sınır koşullarına sahip olması nedeniyle sayısal veya deneysel olarak incelenmesi oldukça zordur. Bunun yanında, motor çevrimlerinde akış çoğunlukla türbülanslıdır. Bu yüzden, analiz yapmak akışın düzenli olduğu durumlardan daha zordur. Akış gelişiminin detaylı analizi kütle, momentum ve enerji korunum kısmi diferansiyel denklemlerinin çözümünü gerektirir. Bu diferansiyel denklemler lineer değildir, birbiriyle ilişkilidir ve denklemleri analitik olarak çözmek oldukça zordur. Sayısal yöntemlerle çözüm yanma odasının birbirine komşu sonlu kontrol hacimlere bölünmesiyle başlar. Daha sonra, diferansiyel denklemler sonlu hacimler biçimine dönüştürülür. Son olarak, bu dönüştürülmüş denklemler çözüm algoritmaları kullanılarak çözülür. Ayrıca, silindir içindeki türbülans alanım modellemek için ek denklemler gerekir. Türbülans modelleri ile ilgili pekçok çalışma vardır; örneğin 'the mixing length' modeli, k-e- türbülans modeli ve versiyonları gibi. İçten yanmalı motor içi akışlarının diğer akış türlerinden farklılığı hacimsel sıkıştırma ve genişleme özellikleridir. Standart k-e- türbülans modeli bu durumlar için doğru sonuçlar vermemektedir. Bu nedenle, bu model motor içi akışlar için çeşitli çalışmalarda yeniden düzenlenmiştir. Morel ve Mansour sıkıştırma etkilerini modelleyen en iyi versiyonlardan birini geliştirmiştir. İki-denklem modellerinin eksikliklerini gidermek için üç-denklem model, k- e-T türbülans modeli, geliştirildi. Bu tez çalışmasında üç-denklem modelinin geliştirilmiş bir versiyonu kullanıldı.Bu çalışmada, üç-denklem modeli ile Morel ve Mansour iki-denklem modeli sonuçlan çeşitli motor içi akış durumları için karşılaştırıldı. Bu karşılaştırmalar düz yüzeyli piston için farklı iki sıkıştırma oranındaki sonuçları içerir. Ayrıca, her iki modelden elde edilen sonuçlar Lazer Doppler Anemometre ile elde edilmiş deneysel sonuçlarla karşılaştırıldı. Sonuçta, k-s-r turbülans modelinin karşılaştırma yapılan çoğu noktada k-s turbülans modelinden daha iyi ortalama eksenel hız ve turbülans çalkantı profilleri verdiği gözlendi. 07.08.2002 Barış YILMAZ VI,, ABSTRACT There are a plenty of researchs, especially in last decade, on internal combustion engines in order to increase the fuel economy and to decrease the level of noise and waste. That requires the more complete understanding of flow evolution and its interaction with the combustion in internal combustion engine cylinder. Fluid flow within internal combustion engine cylinders is extremely complex to analyse numerically or experimentally due to having time-dependent and three dimensional charecteristics with moving boundaries. Moreover, the flow is mostly turbulent in engine cycles, so, making analysis very difficult, than if it were laminar flow. The detailed analysis of flow evolution requires solution of the governing partial differential equations of conservation of mass, momentum and energy. These are non-linear, coupled and too complex to allow analytical solutions. The numerical solutions start with discretizing the combustion chamber volume into adjacent control volumes of finite dimensions. Then, the governing differential equations converted into finite volume form. Finally, this discretized equations are solved by using solution algorithms. Furthermore, additional equations are required for the modeling of the turbulence field in cylinder. There are a lot of works on turbulence models such as the mixing length model, the k-s- turbulence model and its variants. The distinctiveness of the internal combustion engine flows is the bulk expansion and compression characteristics. The standard k-s- turbulence model does not give accurate results for these cases.So, this model has been modified in several internal combution engine researches. The Morel and Mansour model is one of the best variant in simulating the compression effects. vnA three-equation model, k-s-x turbulence model, was developed to overcome the deficincies in two-equation model. A modified version of three-equation model was used in this thesis. In this study, results of the k-s-x turbulence model and Morel and Mansour k-e turbulence model were compared for various in-cylinder engine flows. These include two different compression ratios with flat-top piston cases. Results of both models were also compared with the Laser Doppler Anemometry measurements. It was seen that the modified version of k-s-x turbulence model produced better axial mean velocity and turbulence intensity profiles in most of the locations than did k-e model. 07.08.2002 Bans YİLMAZ vm 132

ÖZETBu çalışma bir pistonlu basınç standardıyla ilgili olup, genel olarak, cihazın tasarım ve imalatı, metrolojik özelliklerinin belirlenmesi ve en son olarak ta modellenmesi şeklinde özetlenebilir.Önce test amaçlı bir cihaz tasarlanıp üretildikten sonra karşılıklı dengeleme yöntemiyle test edilmiş, cihaza ait piston-silindir ünitesinin efektif alan değeri ile toplam basınç belirsizliği hesaplanmıştır. Üniteye ait elastik distorsiyon katsayısı basit bir ampirik formül yardımıyla hesaplanmıştır.Sonuçların beklenilen düzeyde çıkması üzerine prototip bir pistonlu basınç standardı tasarımı ve imalatı gerçekleştirilmiş, ve bu cihaza ait piston-silindir ünitesinin efektif alanı hem karşılıklı dengeleme metoduyla, hem de boyutsal ölçümlerden faydalanılarak tespit edilmiştir. Elastik distorsiyon katsayısı hem deneysel olarak, hem de ampirik formül yardımıyla hesaplanmıştır.Daha sonra Solidworks 99 CAD programı ile piston-silindir ünitesinin 3 boyutlu bir katı modeli oluşturulduktan sonra piston-silindir boyunca ardışık olarak hesaplanan basınç ve boşluk profilleri hesaplanarak elastik distorsiyon katsayısı hesaplanmıştır. Basınç profilinin hesaplanmasında Mathcad 5.3, boşluk profilinin hesaplanmasında ise Designspace 5 Sonlu Elemanlar programı kullanılmıştır. Sonuç olarak hesaplanan boşluk profili, basınç profili ile birlikte kullanılarak, elastik distorsiyon katsayısı Mathcad 7 programında hesaplanmıştır.Sonuçlar değerlendirilmiş, ve cihazın karakterizasyonu tamamlanbmıştır.Tüm çalışmalar TÜBİTAK-Ulusal Metroloji Enstitüsü, Basınç ve Vakum Laboratuvarı'nda yapılmıştır.SUMMARYThis study is all about a pressure balance, which can be summarized as the design and manufacture of the device, determination of the metrological properties and finally the modeling procedure.First of all, a test pressure balance was designed and manufactured, and tested by using the cross-float technique, standard pressure metrology. Effective area and the overall pressure uncertainy of the piston-cylinder unit was determined. Elastic distortion coefficient of the device was calculated, using a simple, empirical formula.Owing to the satisfactory results achieved in the test device, a prototype pressure balance was designed and manufactured, and tested by using both cross-float technique and the direct derivation from dimensional metrology. Elastic distortion coefficient was calculated both experimentally and by using the same empirical formula.Then, a 3-D model of the piston-cylinder unit of the pressure balance was created by using the Solidworks 99 CAD Software, and the elastic distortions of the unit were calculated by a series of iteration calculations, to be carried between sequential pressure profile calculations and Finite Element Analysis of the model. MatLab 5.3 Program was used for the determination of the pressure profiles, and Designspace 5 FEA Software was used for the Finite Element Analysis Calculations. The elastic distortion coefficient of the unit was calculated by using the Mathcad program, version 7. The results were evaluated, and the characterization of the device was accomplished.The whole work was done at the Pressure & Vacuum Laboratory of the Ulusal Metroloji Enstitüsü, the national institute of metrology in TURKEY.

YENİ BÎR PİSTONLU BASINÇ STANDARDINA ATT PİSTON-SİLİNDİR ÜNİTESİNİN ELASTİK DİSTORSİYON HESAPLAMASI ÖZET Bu çalışma bir pistonlu basınç standardıyla ilgili olup, genel olarak, cihazın tasarım ve imalatı, metrolojik özelliklerinin belirlenmesi ve en son olarak ta modellenmesi şeklinde özetlenebilir. Önce test amaçlı bir cihaz tasarlanıp üretildikten sonra karşılıklı dengeleme yöntemiyle test edilmiş, cihaza ait piston-silindir ünitesinin efektif alan değeri ile toplam basınç belirsizliği hesaplanmıştır. Üniteye ait elastik distorsiyon katsayısı basit bir ampirik formül yardımıyla hesaplanmıştır. Sonuçların beklenilen düzeyde çıkması üzerine prototip bir pistonlu basmç standardı tasarımı ve imalatı gerçekleştirilmiş, ve bu cihaza ait piston-silindir ünitesinin efektif alam hem karşılıklı dengeleme metoduyla, hem de boyutsal ölçümlerden faydalanılarak tespit edilmiştir. Elastik distorsiyon katsayısı hem deneysel olarak, hem de ampirik formül yardımıyla hesaplanmıştır. Daha sonra Solidworks 99 CAD programı ile piston-silindir ünitesinin 3 boyutlu bir katı modeli oluşturulduktan sonra piston-silindir boyunca ardışık olarak hesaplanan basınç ve boşluk profilleri hesaplanarak elastik distorsiyon katsayısı hesaplanmıştır. Basınç profilinin hesaplanmasında Mathcad 5.3, boşluk profilinin hesaplanmasında ise Designspace 5 Sonlu Elemanlar programı kullanılmıştır. Sonuç olarak hesaplanan boşluk profili, basınç profili ile birlikte kullanılarak, elastik distorsiyon katsayısı Mathcad 7 programında hesaplanmıştır. Sonuçlar değerlendirilmiş, ve cihazın karakterizasyonu tamamlanbmıştır. Tüm çalışmalar TÜBİTAK-Ulusal Metro loji Enstitüsü, Basınç ve Vakum Laboratuvan'nda yapılmıştır. xuı ELASTIC DISTORTION CALCULATION OF THE PISTON-CYLINDER UNIT OF A NEW PRESSURE BALANCE SUMMARY This study is all about a pressure balance, which can be summarized as the design and manufacture of the device, determination of the metrological properties and finally the modeling procedure. First of all, a test pressure balance was designed and manufactured, and tested by using the cross-float technique, standard pressure metrology. Effective area and the overall pressure uncertainy of the piston-cylinder unit was determined. Elastic distortion coefficient of the device was calculated, using a simple, empirical formula. Owing to the satisfactory results achieved in the test device, a prototype pressure balance was designed and manufactured, and tested by using both cross-float technique and the direct derivation from dimensional metrology. Elastic distortion coefficient was calculated both experimentally and by using the same empirical formula. Then, a 3-D model of the piston-cylinder unit of the pressure balance was created by using the Solidworks 99 CAD Software, and the elastic distortions of the unit were calculated by a series of iteration calculations, to be carried between sequential pressure profile calculations and Finite Element Analysis of the model. MatLab 5.3 Program was used for the determination of the pressure profiles, and Designspace 5 FEA Software was used for the Finite Element Analysis Calculations. The elastic distortion coefficient of the unit was calculated by using the Mathcad program, version 7. The results were evaluated, and the characterization of the device was accomplished. The whole work was done at the Pressure & Vacuum Laboratory of the Ulusal Metroloji Enstitüsü, the national institute of metrology in TURKEY. xn 219

ÖZET Bu çalışmadaki araştırmalar; açık yüzeyli, düz satıhlı ve iki boyutlu alıcı ortamda bulunan türbülans (çalkantılı) akışlı, sabit yoğunluklu ve sıkıştırılamaz akışkan (su) içine deşarj edilen korunumlu kirleticinin ( CV, chloride) bu ortamda oluşturduğu konsantrasyon dağılımlarının hesaplanması ve değerlendirilmesine olanak sağlamıştır. Bu dağılımların hesaplanması için geliştirilmiş bu prosedüre SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations, Basınç Duyarlı Eşitlikler için Yarı-Açık Metod) adı verilmiştir. Bu prosedür Spalding [10] tarafından tanımlanmıştır. SIMPLE, parabolik ve geometri uyumlu ızgara çözüm yöntemi ile birlikte uygulanmıştır. Sayısal yöntemdeki kısmi türev eşitliklerinin farklılaştırılması tamamen korunumlu sonlu hacim yaklaşımı üzerine kurulmuştur. Üst ve alt sınırlar sırasıyla giriş ve duvar olarak varsayımlanmıştır. (Figür 3.3) ABSTRACT The research in this work has led to the development and assessement of a computational procedure for the computation of an influent (such as CI`, taken as a tracer) concentration distribution in a two-dimensional water body has an plane entrainment turbulent boundary layer flow which is incompressible, steady, and free.. The procedure that was developed for the calculation of concentration distribution has been given the name SIMPLE, which stands for Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations. The procedure has been described in Spalding [10]. SIMPLE was employed in conjunction with parabolic and geometry adapted grid solving procedure. The discretization of the partial differential equations in the numerical procedure is based on the fully-conservative finite-volume approach. The upper and lower boundaries were considered as entrainment and wall respectively (Figure 3.3). 86