Hesaplamalı akışkanlar dinamiği: günümüzde gelişen ve hala gelişmekte olan teknoloji sayesinde insanlığın yaşamı oldukça kolaylaştı. Gelişen bu teknoloji haberleşme, bilgiye kolay ulaşma ve daha birçok alanda insanlara yardım sağladı ve sağlamaya da devam ediyor. Peki, gelişen bu teknoloji başka hangi alanda işimizi kolaylaştırdı? Bu sorunun cevabı çevremizde gördüğümüz ürünlerin tasarlanma, test ve üretim aşamalarında yatmaktadır. Yani imalat yapılan her sektörde de gelişen teknolojinin nimetleri oldukça yaygın kullanılmaktadır. Hemen bir örnek verecek olursak imalat fabrikalarında (özellikle otomotiv) kullanılan kaynak robotlarını ya da devasa CNC kaynak makinalarını söyleyebiliriz. Burada yapılan işlemle birlikte ortaya çıkan kaynağın kalitesi artmaktadır.
Aynı zamanda da zamandan büyük tasarruf yapılmaktadır. Bunun yansıra kaynak işleminin insan sağlığına olan zararını da bildiğimize göre geliştirilmiş bu kaynak teknolojisinin yararının ne denli büyük olduğunu hesap edebiliriz. Ya da diğer bir örnek olarak eskiden saatlerce elle çizilen teknik tasarımlar şuan bilgisayar yazılımları ile oldukça kısa sürede sonuçlandırılabiliyor. Bu bağlamda teknolojinin imalat sektörüne yaptığı yararlar tabiki de çoğaltılabilir fakat yazımda anlatacağım kısım ile bağdaşacak bir örnek vermem gerekirse gelişmiş simülasyon ve analiz programlarından bahsetmekle başlayabilirim. Geliştirilen teknoloji sayesinde kullanılan simülasyon ve analiz programlarına örnek verecek olursam AYE (Akışkan Yapı Etkileşimi), HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) ve SEM (Sonlu Elemanlar Metodu) programlarını söyleyebilirim. Peki bu analiz yazılımları bize ne gibi yararlar sağlıyor?
Şöyle ki yapılması uzun ve enerji gerektiren testlerin bilgisayar üzerinden kolaylıkla yapılmasına imkân veriyor. Ayrıca bu testler için gerekli malzeme ihtiyacını da ortadan kaldırıyor. İmalatını gerçekleştirdiğimiz bir ürünün simüle edilmesi aşamasında önceden problem saptaması ve hızlı tasarım değişiklikleri yapma imkânı yakalamak oldukça önemli ve zamandan tasarruf sağlayan eylemlerdir. İşte bu noktada bu simülasyon programları oldukça kurtarıcı olarak yer alıyor. Bildiğim 3 temel analiz programından bahsedecek olursam ilk olarak AYE(Akışkan Yapı Etkileşimi) son zamanlarda ortaya çıkmış bir simülasyon programı.
HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) ve SEM (Sonlu Elemanlar Metodu) programları da 2. ve 3. Sırada yer almakta. AYE programı, HAD ve SEM prensiplerinin karması olarak düzenlenmiş.( AYE ve SEM prensiplerinden daha sonraki yazılarımda bahsedeceğim) Bu yazımda daha önceden bir proje kapsamında kullandığım HAD sistemi hakkında(CFD olarak da bilinir) genel bir bilgi vereceğim. Ardından HAD sisteminin havacılık sektöründeki yerine ve kullanımına değineceğim. Sonrasında Turbo jet motoru komponentlerinden olan türbin kanatçık tasarımının bir kısmında kullandığım HAD analizinden ve aşamalarından bahsedeceğim. Umarın seversiniz. Keyifli okumalar:)
HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) Analizi
İmalatta tasarım aşamasında tasarım doğrulama, tasarım iyileştirme ve optimizasyon amaçlarıyla fiziksel prototip üretimi ve testlere ihtiyaç vardır. Bu prototip üretiminin yanısıra yapılması gereken zor ve pahalı testler de gereklidir. Testlerin yapılamadığı durumlarda bilgisayar destekli simülasyon programları oldukça kurtarıcıdır. Bu simülasyon ve analiz programlarının başında HAD gelmektedir. Sektörde yaygın olarak CFD (Computational Fluid Dynamics) adıyla da bilinen bu analiz programı isminden de anlaşılacağı üzere akışkanların hareket ve davranışlarını inceler. Tabiki bu incelemeyi matematik ve fizik temellendirmeli nümerik yaklaşımla yapan bir sistemdir.
Peki akışkanların hareket ve davranış incelenmesi kavramından kasıt nedir? Bunu şu şekilde daha anlaşılır hale getirebiliriz. İmalatı yapılacak olan parçanın momentum, ısı transferi, türbülans, madde ve faz transferlerinin genel bir analizinin yapılmasıdır. Bunun yanısıra birçok kimyasal reaksiyon analizini de içinde barındırır. Örneğin yanma reaksiyonu gibi. Buradan HAD analizi ile ilgili şu sonuca varabiliyoruz içerisinde birden çok alt bilim dalını temel alacak şekilde tanımlamalar yapıyor ve bu süreçlerin matematiksel detaylarını da içeren kapsamlı bir analiz ortaya çıkarıyor. Bu oldukça büyük bir kazanım. Şimdi biraz da teknik detaylandırmalara geçelim.
HAD analizi de diğer mühendislik uygulamaları gibi çeşitli aşamalardan meydana geliyor. Bu aşamaları genelleyecek olursak 3 ana çerçevede değerlendirebiliriz:
- Ön işlemler (Pre Processing)
- Çözüm (Solution/Run)
- Son İşlemler (Post Processing)
Ön İşlemler
Bu aşamada analize başlamadan önce yapacağımız ilk eylem sağlıklı bir problem tespitidir. Analizden tam olarak ne istediğimizi belirtmemiz; tüm süreç boyunca karşılaşılacak zorlukları tahmin ederek gerekli sınırlandırmaları yapmamız; sistemde gerçekleşecek tüm fiziksel süreçleri değerlendirmemiz; momentum, türbülans, ısı transferi gibi süreçlerin birbirlerine ve toplam performans değerlendirmesine etkilerini tahmin etmemiz son olarak ihmal edilebilecek noktalar varsa bu noktaları açıkça belirtmemiz gerekir.
Yazımın son kısmında da detaylı açıklayacağım fakat bu noktada konuya dair örnek vermem gerekirse jet motoru türbin kanatçık HAD analizinde çıkan verilere göre belirlediğimiz çap ve uzunluk değerlerinde bir silindirin üçte birlik kısmını akış hacmi olarak kabul ettik ve belirlediğimiz kanatçık profilini bu akış hacminin içine yerleştirdik. Ayrıca gelen türbülanslı hava akışını da sabit kabul ettik. Akışı sabit kabul etmemizin (tek değerde 8.56m/s)nedeni başlangıçtaki problem tespiti aşamasında havanın türbülanslı olması ve bunun da sorun yaratabileceği tespiti ile gerçekleşmiş oldu. Yani buradan da görüyoruz ki başlangıçtaki ön işlemler içerisinde yer alan problem tespiti sonraki adımlarda vereceğimiz kararların temelini oluşturuyor. Bu sebeple oldukça uzun ve detaylı kafa yorulması gereken çok önemli bir aşama diyebiliriz.
Problem tespitinden sonraki aşama geometrik modelleme aşamasıdır. Bilgisayar destekli tasarım programlarından yararlanılarak ihtiyaç durumuna göre 2 veya 3 boyutlu modellemeler oluşturulur. HAD analizi hem 2D hem de 3D sonuçlar verebildiğinden bu aşamada 2 boyuttaki analizleri de çıkarmak her zaman daha avantajlı oluyor. Geometri oluşturma işlemini bilgisayar destekli programlarda yapıp HAD önbelliğine iges uzantısı ile aktarabileceğimiz gibi HAD içerisinde de oluşturabiliriz.
Bu aşamadan sonra başlangıçta belirlediğimiz problemin etki alanını tespit etmek geliyor. Etki alanı belirlendikten sonra detaylı hesaplama örgüsü oluşturulmalıdır. Peki nedir bu aşama? Basitçe şöyle açılayabiliriz: Problemin etki alanını belirli küçük düzgün geometrik alt alanlara ya da hacimlere bölmeliyiz. Daha sonra bu şekillerin tüm düğüm noktaları (Node point) için ayrı ayrı matematiksel işlemler yapıp sonrasında elde edilen tüm sonuçları değerlendirip nihai sonuca ulaşılmalıyız.
3D HAD
2D HAD
Olayı basitçe kavrayabilmemiz için şöyle bir örnek vereyim. Yukarıda gösterilen iki ve üç boyutlu HAD sonuçları 200 milimetre tel güdümlü bir torpilden alıntıdır. Burada problem alanı küçük düzenli geometrik şekille ifade edilmiş olup yeşil noktalar düğüm (nope) noktalarıdır. Tüm bu yeşil kısımlar için hesaplama yapılıp genel problem hesap örgüsü (mesh) elde edilir. Daha sonrasında da elde edilen geniş sonuçlara dayanarak sınırlamalar, fiziksel süreçler ve ihmaller belirlenir. Böylelikle HAD analizinin ilk aşaması tamamlanmış olur.
Son olarak bu aşama ile ilgili önemli bir noktaya daha değinmek istiyorum. Üzerinde çalıştığım projede jet motoru türbin kanatçığında HAD analizini gerçekleştirirken karşılaştığım en büyük sorun, problem alanını çok geniş tutmak oldu. Başlangıçta problem alanını geniş tutmak cazip geliyor çünkü sonuçları garanti altına almak demek gibi duruyor fakat HAD analizinde geometri sadece başta tespiti yapılan bölgeye ait olmalı çünkü ilgilenilen bölgeler dışındaki modellemeler ciddi bir zaman kaybı demek.
Gereksiz kısımlar ve boşluklar analizde kesinlikle yer almamalı. Geometri sadeleştirme aşamasında en çok bu kısımlara dikkat etmemiz gerekiyor. Çünkü çözüm süresi, sayısal ağ miktarı (mesh) ve kalitesi buna göre öyle değişiklik gösteriyorki, kendinizi bir anda dipsiz hesap örgüsü içinde bulup ciddi zaman kayıpları yaşayabilirsiniz.
Çözüm (Solution/Run)
Aslında ilk aşama en zorlu ve en uzun aşama diyebiliriz. Bundan sonra gelecek olan tüm aşamalar daha kolay ilerliyor HAD analizinde. Çözüm aşamasında yukarıda mesh örgüsü yapılan problemin genel çözümüne gidilir. Yani problem genel hatları ile veri analizi şeklinde ortaya konulur. Bu aşamada kaçırmamamız gereken nokta hem fiziksel hem de numerik değerler sonuçlarını aşama aşama takip etmek, değerlendirme yapmak ve gerektiğinde müdahale etmektir. Takibi ve veri kaydetme işini ne kadar iyi yürütürsek hataya müdahale şansımız o kadar yüksek oluyor. HAD analizinin bu çözüm aşamasının sonunda ön işlemlerde belirlenen korunum değerlerinin (momentum, enerji vs) kontrolü yani korunup korunmadığı kontrol edilmelidir. Eğer eşitlik bozulduysa fiziksel ve nümerik sonuçların takibinde sıkıntı yaşamışız demek oluyor bu. Yani pek istenmeyen bir durum bu sebeple başta da söylediğim gibi takibi sıkı yapmalıyız.
Son İşlemler (Post Processing)
Çözüm aşaması da sona erdikten sonra artık hesaplamaların kontrol edilip çıktıların alındığı bölüm post processing aşamasıdır. Prensip olarak son işlemlere başlanmasıyla beraber ilk önce elde edilen sonuçların ne kadar doğru, şartlara ve beklenilen durumlara uygun olduğu sorgulanır. Son işlemlerde en çok çıktısını aldığımız ögeler şu şekilde sıralanabilir:
- Hız
- Basınç
- Sıcaklık değerleri
- Hız vektörleri
- Akış çizgileri
- Zamana bağlı animasyonlar
Turbo-Jet Motoru Türbin Kanatçık Had Analizi Hakkında (Proje Kapsamı)
HAD analizi sonucunda, imal edilen ürünün süreç ve tasarlamasında herhangi bir problem varsa bu problemi detaylarıyla simüle etme ve düzeltme ya da en aza indirgeme işlemlerinin yapıldığından bahsetmiştim. Diğer simülasyon-analiz programlarına göre doğruluk payının daha yüksek olduğu CFD olarak da bilinen bu program havacılıkta da sıklıkla kullanılıyor. Bu simülasyon ve analiz programları yakın zaman teknolojisine tekabül ediyor.
Havacılık sektörü de gelişen güncel teknolojiyi içerisinde barındıran bir alan olduğundan bu tip analiz programlarına bünyesinde yer veriyor. Havacılık motorlarına dair bir proje kapsamında Turbo jet motoru türbin kanatçık, kompresör, nozzle, fan gibi ana komponentlerin yanında ara komponentlerde de CFD analizi gerçekleştirdik. Şimdi yazımın son kısmında türbin kanatçık kısmında neden HAD analizine gerek duyduk, HAD analizinde dikkat edilen noktalar neler, sınırlamalar ve esaslar neler onlardan bahsedeceğim.
Biliyoruz ki klasik akışkanlar mekaniği denklemleri kullanılarak düz levhalar veya dairesel kesitli borular gibi basit formların sonucunda gerçeğe yakın değerler elde edebiliyoruz. Makina mühendisliği bölümü ders içeriği kapsamında ders olarak da verilen akışkanlar mekaniği klasik manada basit formları çözümleyebilir, buna oldukça aşinayız. Fakat projemizde türbin kanatçıklarının geometrik formunda klasik akışkanlar mekaniği denklemlerini kullanmayı denediğimizde oldukça büyük bir zaman kaybı yaşadığımız gibi çözümlemeye de ulaşamadık.
Yani klasik akışkanlar mekaniği denklemleri bu kısımda bizi çözüme ulaştırmadı. İşte tam bu noktada hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizine (HAD) ihtiyaç duyduk. Kanatçığın akış bölgesi ve bu akışa ait diferansiyel denklemi simüle eden, zamana bağlı akışkanın davranışını, basınç, sıcaklık ve hız dağılımlarını sonuç olarak gösteren HAD analizi oldukça kullanışlı oldu. Literatür araştırmasında karşımıza çıkan ve yeni tanıştığımız CF-TURBO programını kullanarak analizi gerçekleştirdik. Aslında Ansys kullanarak da yapılabiliyor fakat bizim projemiz havacılık motor tasarımı grubuna girdiğinden bu alanda spesifik olarak kullanım arayüzü olan CF-TURBO programını kullandık ve HAD analizi de yine bu program üzerinden gerçekleştirdik.
Şimdi örnek amacıyla projemizin türbin kanatçığının HAD analizinin bir kısmından bahsetmem gerekirse:
Analiz gerçekleştirilirken öncelikle türbin kanatçığının kontrol hacmi belirlendi. Değerleri daha doğru görebilmek adına 2 kat büyütülerek bir mesh ağı (hesap örgüsü) oluşturuldu. Detaylandıracak olursam bir kanatçık için ortalama 40000 katı elamanla çözüm ağı oluşturuldu sonrasında deformasyon ve basma-çekme değerlerinin farklılıklarını tam manasıyla görmek için ortalama 2 milyon katı elemandan oluşan çözüm ağı oluşmuş oldu.
Kontrol hacmi belirlendikten sonra hesaplamaların yapılması için yoğun bir mesh döngüsü gerçekleştirildi. (node point)
İçerideki akışı sıkıştırabilir modellendi çünkü yüksek irtifa ses altı uçuşlarda ortam şartını sağlamalıydı.
- Buradaki akış analizi farklı hücum açıları için tekrarlandı.
- Son işlemler sonucunda elde edilen çıktılara göre iyileştirmeler yapıldı.
Yani sonuç olarak yakın zaman teknolojisi olan bu simülasyon-analiz programları mühendislik uygulamalarında büyük kurtarıcı olarak rol oynuyor. Bunun yanısıra zaman kaybı yaşatmadan problem iyileştirmeyi hatta tamamen ortadan kaldırmayı sağlıyor. Bu yazımda CFD olarak da bilinen HAD analizine ve bu analizin motor tasarım projesinde kullandığım bazı aşamalarına yer verdim.