Bir uzay aracı radyatörünün performans analizi ve optimizasyonu
Performance analysis and optimization of a space radiator
Yazar: EMRE KARAKOÇ
Danışman: PROF. DR. CİHAT ARSLANTÜRK
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Doğrusal olmayan optimizasyon = Non-linear optimization ; Isı geçişi katsayısı = Heat transfer coefficient ; Isı ışınımı = Heat radiation ; Optimizasyon = Optimization ; Radyatör = Radiator

Özet:
Amaç: Uzay araçlarında ortaya çıkan atık ısının uzaklaştırılması için uzay aracı radyatörleri (space radiators) kullanılmaktadır. Radyatöre gelen atık ısı, iletim yoluyla kanadın yüzeyine iletilir ve buradan da ışınım yoluyla uzaya transfer edilerek uzaklaştırılır. Bir uzay aracının mümkün olan en az ağırlığa sahip olması istenir. Radyatörlerin, uzay araçlarının soğutma sisteminde en fazla ağırlığa sahip elemanlardan biri olması, minimum ağırlığa sahip olacak şekilde tasarlanmasını gerektirir. Isı geçişinin doğru bir şekilde hesaplanabilmesi, optimizasyona temel oluşturan matematiksel modelin gerçeğe çok yakın olması ile sağlanabilir. Uzay araçlarında kullanılan radyatörlerde, boru yüzey sıcaklığı ile çevre (derin uzay) sıcaklığı arasındaki farkın büyük olması, kanat malzemesinin ısıl iletkenliğinin sıcaklıkla değişiminin dikkate alınması gerektiğini göstermektedir. Bu çalışmada, bir uzay aracı radyatörünün ısıl iletkenliğin sıcaklıkla değişimi de dikkate alınarak, radyatör hacminin minimum olmasını sağlayan optimal problem parametrelerinin elde edilmesi amaçlanmaktadır.
Yöntem: Uzay araçlarında kullanılan kanat dizileri farklı geometrik tasarımlara sahip olabilirler. Bu çalışmada, içinden atık ısıyı taşıyan akışkan geçen bir boru üzerine, boru ile eş merkezli olarak belirli aralıklarla yerleştirilmiş dikdörtgen profilli dairesel kanatlardan oluşan radyatör göz önüne alınmıştır. Kanadın, ısıl iletkenliğinin sıcaklığın doğrusal bir fonksiyonu olduğu kabul edilmiş, radyatörü oluşturan kanatların ısıl ve geometrik olarak simetrik olmalarından dolayı, tek bir kanat için enerji dengesi yazılmış ve doğrusal olmayan bir integro-diferansiyel denklem elde edilmiştir. Boyutsuzlaştırılmış integro-diferansiyel denklem, parametrelerin değişimi yöntemi (PDY) ile sayısal olarak çözülerek, kanat içindeki sıcaklık dağılımı ve ısı geçişi, boyutsuz problem parametrelerine bağlı olarak hesaplanmıştır.
Bulgular: Kanat için verilen bir ısı geçiş hızını sağlayan minimum kütleli radyatöre ait geometrik ve ısıl problem parametrelerinin optimal değerleri, çok değişkenli-kısıtlamalı optimizasyon probleminin çözülmesiyle elde edilmiştir.
Sonuç: Değişken ısıl iletkenliğin ve diğer parametrelerin optimal boyutlara etkisi araştırılmış ve sonuçlar grafiklerle ifade edilmiştir.

Abstract:
Purpose: Space radiators are used to remove waste heat from a spacecraft. Waste heat from the radiator is transmitted to the surface of the fin by conduction, from which it is transferred to space by radiation and is removed. It is desirable for a spacecraft to have the least possible weight. The fact that radiators are one of the weightiest elements in the cooling system of spacecraft requires that they be designed to have a minimum weight. Accurate calculation of the heat transfer can be achieved if the mathematical model that forms the basis of the optimization is very close to reality. The large difference between the pipe surface temperature and the ambient (deep space) temperature in the radiators used in spacecraft shows that the variation of the thermal conductivity of the fin material with temperature should be taken into account. In this study, it is aimed to obtain the optimal problem parameters that ensure the minimum radiator volume, taking into account the variation of the thermal conductivity of a spacecraft radiator with temperature.
Method: The fin arrays used in spacecraft can have different geometric designs. In this study, a radiator consisting of circular fins with rectangular profile placed at regular intervals concentrically with the pipe, on a pipe through which the fluid carrying the waste heat passes, is considered. It is assumed that the thermal conductivity of the fin is a linear function of temperature, and since the fins forming the radiator are thermally and geometrically symmetrical, the energy balance for a single fin is written and a nonlinear integro-differential equation is obtained. The nondimensionalized integro-differential equation was solved numerically by the variation of parameters (VPM) method, and the temperature distribution and heat transfer in the fin were calculated depending on the dimensionless problem parameters.
Findings: The optimal values of the geometric and thermal problem parameters of the minimum mass radiator providing a given heat transfer rate for the fin were obtained by solving the multivariate-constrained optimization problem.
Results: The effects of variable thermal conductivity and other parameters on optimal dimensions were investigated and the results were expressed in graphics.