Düz dişlilerdeki hava sürtünme kaybının hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile analizi
Analysis of the windage losses of spur gears with computational fluid dynamics
Yazar: MEHMET ALİ YAVUZ
Danışman: DOÇ. DR. MURAT KADRİ AKTAŞ
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tezde, düz dişlilerdeki hava sürtünme (windage) güç kaybı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) tekniği kullanılarak incelenmiştir. Hava sürtünme kayıpları, hava ortamında ve hava – yağ ortamında incelenmiştir. Dişli, öncelikle hava ortamında tek bir diş boşluğu için modellenmiştir. Sayısal analizler iki boyutlu ve üç boyutlu olarak gerçekleştirilmiştir. Hava sürtünme güç kayıplarının sayısal analizi için Metacomp CFD++ yazılımından yararlanılmıştır. Diş boşluğu modellenmesi için çeşitli hücre sayılarında sayısal ağ yapısı hazırlanmıştır. Dişli üzerindeki akış, periyodik sınır koşulları ve Hareketli Referans Düzlemi (MRF) metodu kullanılarak modellenmiştir.  Modelin doğrulanması için literatürde deney ve sayısal analiz dataları bulunan bir düz dişli geometrisi kullanılmıştır. Bu dişli öncelikle muhafazasız durumda 400 ile 700 rad/s arasındaki rotasyon hızları için analiz edilmiştir. Daha sonra dişlinin çevresi, güç kayıplarının azaltılması amacıyla muhafaza ile alınarak yine aynı rotasyon hızlarında analizler tekrarlanmıştır. Analizlerde literatürde verilen radyal ve eksenel muhafaza boyutları temel alınarak iki boyutlu analizlerde için 2 farklı radyal muhafaza, 3 boyutlu analizler içinse 2 farklı radyal ve 2 farklı eksenel muhafaza konfigürasyonu kullanılmıştır. Analizler sonucunda hesaplanan hava sürtünmesi güç kayıpları ile literatürdeki deney sonuçlarının büyük oranda örtüştüğü gözlemlenmiştir. Ayrıca, dişlinin çevresinin muhafaza ile kapatılmasının hava sürtünme kayıplarında büyük oranlarda azalttığı gözlemlenmiştir. Hava – yağ ortamında yapılan HAD analizlerinde iki fazlı akış için EDP (Eulerian Dağınık Faz) Modeli kullanılmıştır. Aynı dişli geometrisi için literatürde yer alan farklı bir muhafaza büyüklüğü için yapılmış olan sayısal analizlerden yararlanılarak model iki boyutlu ve üç boyutlu analizler ile doğrulamıştır. 2 ve 16 μm arasında değişen parçacık çapları için analizler gerçekleştirilmiştir. Ayrıca mm3 başına düşen tanecik sayısına göre ve 600 rad/s ve 1000 rad/s arasında değişen rotasyon hızlarında analizlerin karşılaştırılması yapılmıştır. Hava – yağ ortamında yapılan analizler sonucu bulunan hava sürtünme güç kayıpları ile literatürde verilen kayıpları birbirine uyumlu bulunmuştur. Son olarak, iki fazlı ortamda üç boyutlu analizler yapılarak yağ yoğunluğunun hava sürtünme güç kaybına olan etkileri araştırılmıştır. 5 farklı yağ tanecik çapı için EDP denklemleri ayrı ayrı çözülmüş ve bu taneciklerin dağılımı ise Rosin-Rammler dağılım fonksiyonu kullanılarak modellenmiştir. Tez çalışması sonucunda muhafaza kullanımının hava sürtünme kayıplarını azaltırken, ortamda yağ bulunmasının ise hava sürtünme kayıplarını önemli ölçüde artırdığı görülmüştür.

Abstract:
In this thesis, windage power losses of spur gears are investigated with Computational Fluid Dynamic tools. Single phase (air) and two-phase (air – oil) media analysis are  conducted. 
Firstly, gear is modeled for the single tooth space in single-phase medium. 2D and 3D grids of the tooth space are generated by using Pointwise software. Grids with different number of cell numbers are examined for mesh analysis and mesh independency of the results are assured. Metacomp CFD++ software is used for the modeling and computing purposes. Motion of the gear is modeled by using the Moving Reference Frame (MRF) method. In order to validate the numerical model, a gear geometry with readily available experimental and numerical data is used. Initially, this gear is analyzed without shrouding around it. Numerical analysis are conducted with varying angular velocities between 300 rad/s and 700 rad/s. Then, gear is surrounded by axial and radial shroudings to reduce windage power losses. Two different radial shrouding configurations are used in 2D analysis and two different axial and radial shrouding configurations is used in 3D anaylsis. Simulation results agree well with the data taken from the literature. Moreover, using shrouds significantly reduces the windage power losses.
Secondly, two phase (air – oil) media is modeled by utilizing Eulerian Dispersed Phase (EDP) Model. The same geometry, which was used in the single-phase analysis, is again adopted with a different shrouding configuration from literature. 2D and 3D computational domains with several cell counts are generated for that shrouding configuration. Simulations with oil particle diameters varying between 2 and 16 μm are carried out. In addition, effects of change in number of particles and different angular velocities are also studied and discussed. The results agree well with the simulation data taken from literature. Finally, effects of the oil density inside of the tooth space are investigated. EDP model equations are solved for five different particles diameters simultaneously while particle distribution of the oil is calculated by using Rosin-Rammler distribution function. In conclusion, using shrouds reduced the windage power losses while oil addition to the domain increased it.