Santrifüj pompaların genetik algoritma kullanılarak tasarımı
Design of the centrifugal pumps by using genetic algorithm
Yazar: TUNCER AYNA
Danışman: PROF. DR. ERKAN AYDER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Akışkanlar dinamiği = Fluid dynamics ; Genetik algoritmalar = Genetic algorithms ; Optimizasyon = Optimization ; Optimizasyon problemi = Optimization problem ; Optimum boyutlandırma = Optimum design ; Paket programlar = Packaged softwares ; Pompa fanı = Pump fan ; Programlama = Programming ; Santrifüj pompalar = Centrifugal pumps

Özet:
Santrifüj pompalar mekanik enerjiyi hidrolik enerjiye çeviren türbomakinalardır. Santrifüj pompalar yüksek basma yüksekliklerine gerek duyulduğunda tercih edilirler. Pompaların satın alınma aşamasında, sadece pompanın bedeli değil, kullanım ömrü boyunca enerji ve bakım bedeli de (ömür boyu maliyet) rol oynamaktadır. Pompanın toplam bedelinde, enerji maliyetinin ve dolayısıyla pompanın genel veriminin çok büyük etkisi vardır. Yüksek verimli pompa tasarlamak için büyük çabalar sarfedilmektedir. Pompa performansını iyileştirmek veya yüksek verimli pompa tasarlamak için sayısal optimizasyon yöntemleri kullanılmaktadır. Sayısal optimizasyon yöntemlerinin, hesaplama kaynaklarının sınırlı, optimizasyon sürelerinin uzun ve yöntemin pratik olmaması nedeniyle, pompa tasarım ve optimizasyon süresini kısaltacak, verimli bir tasarım ve optimizasyon yönteminin geliştirilmesine gerek duyulmuştur. Bu çalışmada, iteratif tasarım döngüsünün iterasyon sayısın azaltmak amacı ile genetik algoritma tasarım sürecine dahil edilmiştir.Çalışmanın birinci bölümde, literatürde türbomakina alanında yapılan genetik algoritma ve optimizasyon çalışmaları özetlenmektedir.Çalışmanın ikinci bölümünde ise genetik algotitma metodu ve bu metodun çalışma prensibi tanıtılmaktadır.Çalışmanın üçüncü bölümünde ise, literatürde bulunan santrifüj pompa elemanlarına ait kayıp korelasyonları Matlab ortamında geliştirilmiştir. Geliştirlen yazılım, deneysel ve sayısal sonuçlara sahip beş farklı pompa için denenmiştir. Pompaların özgül hızları 10,32,45, 48 ve 72 dir.Çalışmanını dördüncü bölümünde, literatürde yer alan pompa elemanlarına ait kayıp korelasyonlarının kullanılmasıyla amaç fonksiyonu oluşturulmaktadır. Amaç fonksiyonunu minimum yapacak geometrik değişiklikler genetik algoritma yardımı ile belirlenmiştir. Genetik algoritmada optimize edilen boyut sayısı 13 adettir Bu boyutlar daha sonra tasarıma yansıtılır. Geliştirilen yöntem özgül hız değerleri (nq) 32,45,72 olan pompalara uygulanmıştır.Çalışmanın beşinci bölümünde, sayısal akışkanlar dinamiği yardımı ile pompaların içindeki akış analizi yapılmış ve pompaların performans eğrileri hesaplanmıştır. Pompalar imal edilmiş ve performans karakteristikleri ölçülmüştür. Genetik algoritmanın tasarım sürecine dahil edilmesi ile, iteratif tasarım döngüsünün, iterasyon sayısınının çok makul değerlere indiği ve tasarım süresinin kısaldığı görülmüştür.Çalışmanın altıncı bölümünde, bütün bölümlerde elde edilen sonuçlar özetlenmiştir.

Abstract:
Centrifugal pumps convert mechanical energy into hydraulic energy. Centrifugal pumps are used for application that high head and small flow rate. In the selection process of the pumps, not only the price of the pump, but the life time cost is also importanat. Overall cost of the pump depends on energy cost, whic is related with pump efficiency. Numerical analysis methods are used to improve pump efficiency and design high efficiency pumps. Long optimization periods, limited calculation resources and practicalness of numerical optimization resulted requirment of developing and optimizatiom method which will shorten optimization time. In the present study, in order to reduce the iteration loop number of the design, the design procedure is modified by using genetic algorithm.In the first chapter of study is genetic algorithm and optimization works done in the turbomachinery are summarized.In the second chapter of study, Genetic algorithm method and its operating principle is described.In the third chapter, the centrifugal pump loss correlations that exist in the literature has been devoleped in the Matlab. The developed code has been experimented on five different pump types for which experimental and numerical results are available. Specific speeds of the pumps are 10,32,45,48,72.In the fourth chapter of the study, the design procedure is modified by using genetic algorithm. Objective function is built by means of the centrifugal pump loss correlations that exist in the literature. Geometric changes which will minimize the objective function determined by genetic algorithms. The number of the geometrical dimension that is optimized in the genetic algorithm is thirteen. The initial pump geometry is modified by using the optimized dimensions. In the present study, Design work done for three different specific speed pumps (nq=32, 45, 72).In the fifth chapter of the study, the detailed flow fields of the designed pumps are calculated by using the FLUENT software. Then the pumps have been manufactured and their performance characteristics measured. The results show that the presented design approach is shortened design procedure.In the chapter six, The detailed results of the chapters have been summarized.