Havalandırma kanalı ve yolcu kabini içindeki hava ve termal dağılımın HAD kullanılarak araştırılması
Investigation of air and thermal distrubition in ventilation duct and passanger cabin using CFD
Yazar: ZEKİ TUĞBERK KARASU
Danışman: DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Havalandırma sistemleri = Ventilating systems ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Soğutma = Cooling

Özet:
Tarihin eski çağlarından beri insanoğlu bulunduğu ortamın hava kalitesini arttırmaya yönelik araştırmalarda bulunmuştur. İlk buluşlardan biri olarak gösterilen Romalı yenilikçi Sergio Orata alçak bir alanda yakıtı yakarak bacaların yardımı ile sıcak akışkanı yaşadığı ortamın duvarlarından dolaştırmıştır. Bu gelişmelerin ardından Sümerliler, İranlılar, Koreliler gibi birçok ulus termal konforunu sağlamak adına girişimlerde bulunmuştur. Modern hayattaki hava şartlandırmasına en büyük etki 1800'lü yılların başında gerçekleşmiştir. İlk defa iç ortamı soğutmak için buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminden bahsedilmiş ve buz yapma makineleri oluşturulmuştur. Ardından sürdürülebilirliğin yeterli olmaması durumundan kaynaklı olarak buz yapmak yerine havayı soğutmak fikri ortaya çıkmıştır.
Sistemin özelliği kompresörün buharı sıkıştırıp hem basıncı hem de sıcaklığı arttırmasıdır. Enerjisi yüksek olan bu sıcak akışkan yoğuşturucudan geçerek çevresindeki soğuk hava ile ısı transferi yaparak doymuş sıvı fazına ulaşır. Genleşme vanasından geçen doymuş sıvı hızlı bir şekilde basıncını ve sıcaklığını kaybeder. Buharlaştırıcının borularından geçen akışkan borunun etrafındaki sıcak ortamı soğutarak döngü devam eder. Böylelikle hava soğutulmuş olur. 1900'lü yılların başlarında Carrier isimli genç mühendis iç ortamdaki nemi düzenleyebilecek bir aparat tasarlamıştır ve modern iklimlendirme sistemlerinin temeli atılmaya başlamıştır. Yine Carrier ve arkadaşları tarafından da ilk hava şartlandırmalı otobüs yapılmıştır.
Bu tez çalışmasında otobüs içindeki hava dağılımı ve termal dağılımı incelenmiştir. İlk adım olarak yapılan analizleri doğrulamak adına bir tane validasyon makalesi seçilmiştir. Seçilen makale, analiz sonucunun ve deneysel sonucun birbirleri arasında karşılaştırma yapabilmesi için deneysel sonuçlara sahiptir. Başlangıç noktası olarak kesit geometrisi verilmiş olan otobüsün 3 boyutlu tasarım programı ile akış hacmi oluşturulmuştur. Geometri oluşturma sürecinde makaledeki gibi hava akışının düzgün dağılımını etkileyecek girintiler, çıkınıtlar ve yakınsamada problem çıkartacak kısımlar göz ardı edilmiştir. İç ortamdaki sıcaklık dağılımını ve havanın dağılımını doğru bir şekilde yakalayabilmek adına kritik bölgelerde kaliteli bir ağ yapısı oluşturulmuştur. Deneysel sonuçlardan gelen hava sıcaklığı türbülans yoğunluğu ve türbülans ölçeği HAD paket programına sınır şartı olarak verilmiştir.
Analiz sonuçları karşılaştırıldığında hem termal hem hava hareketi açısından yüksek oranda uyum yakalanmıştır. Analiz sonuçları ile deney sonuçları karşılaştırdığında ayak bölgesinde düşük mertebede bir farklılık görülmektedir. Diğer bölgelerde ise deney sonuçlarına yüksek oranda benzerlik yakalanmaktadır. Arada oluşan bu farklıkların sebebi deney ortamında meydana gelebilen hava kaçakları, motor sıcaklıkları gibi dış etkenlerden kaynaklanmaktadır. Genel olarak bakıldığında hem sıcaklık hem de hız profillerinin makaledeki sonuçlar ile benzerlik göstermesi ile analiz metodu doğrulanmış olmaktadır.
İncelemiş olduğum havalandırma kanalı ve otobüs iç ortamdaki hava ve sıcaklık dağılımı insan konforuna uygun kurallar ile hazırlanıp numerik analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda taranmış olan makalelerden edinilen bilgilere göre jenerik bir otobüs modeli,havalandırma kanalları ve üfleçler çizilmiştir. Besleme havası iç ortama sabit sınır şartı ile değil fandan gelen hava ile verilmiştir. Öncelikle ilk amaç hava akışını düzeni hale getirmektir buradan yola çıkarak ortamı besleyen üfleçlerin isimleri ayrı ayrı isimlendirilip hangi bölgeden ne kadarlık hava akışının geçtiğini belirlemektir. Elde edilen sonuçlara göre kabin içinde düzgün hava dağılımı elde edebilmek için otobüsün havalandırma kanalında tasarım değişiklikleri yapılmıştır.
Üst havalandırma kanalı ile alt havalandırma kanalını biribirine bağlayan boruların hava giriş menfezine olan uzaklığı ve sayılarına göre yapılan analiz sonuçlarında iç ortamda en  düzgün hava dağılımının elde edildiği tasarıma karar verilmiştir. Bu tasarım üzerinde ilerleyen diğer analizlerde farklılık olarak fan sınır şartı hesaplamalı akışkanlar dinamiği paket programına tanımlanmıştır. Böylelikle analiz başından beri sabit bir hava beslemek yerine oluşan basınç farklılığına bağlı olarak iç ortama debi gönderilmektir. Fan benzeşim kanunları kullanılarak fanın farklı çalışma hızlarında basınca bağlı olarak iç ortama basılan debi de gösterilmiştir.
Literatür araştırması kapsamında incelen otobüs havalandırma tezlerinde olduğu gibi iki  denklemli türbülans modeli olan k-ε kullanılmıştır. Duvar diplerinde standart duvar fonksiyonu uygulanmıştır. Üç boyutlu analizin çözücü ağı tamamlandıktan sonra çözücü kısmına geçilmiştir. Analizler için daimi halde ve sıkıştırılamaz akış kabulü yapılmıştır.
Geliştirilen 3 tasarımda görülmüştür ki hava giriş menfezinden üst havalandırma kanalının alt bölgesine çarpan hava, çarpma etkisiyle beraber düzensiz hale geçip merkeze yakın konumda bulunan borunun üstünden teğet geçmektedir. Yani Hava giriş menfezinin yakınına konulan borulardan yeterli miktarda hava geçmemektedir. Bunun temel sebebi havanın üst havalandırma kanalındaki alt bölgeye çarptıktan sonra akışın gelişmesi için yeterli mesafenin olmamasıdır. Yeni tasarım ile borunun konumu merkezden uzağa konumlandırılmıştır. Böylelikle akışın gelişmesine bir miktar izin verilip merkeze yakın konumdaki borunun üstünden teğetsel olarak geçen hava akışının hızının azalması sağlanmıştır. Geniş alt havalandırma kanalına havayı taşıyan boru sayısı 3'e çıkarılmıştır. Sonuç olarak cam bölgesine üst üfleçlerden gönderilen hava ile alt havalandırma kanalındaki üfleçlerden çıkan debiler de birbirine yakın sonuçlar vermiştir. Üst havalandırma kanalındaki aynı yaklaşım ile üfleçlere bakıldığında üfleçlerden iç ortama giden hava da merkeze yakın konumlarda üflece göre dik yörüngede çıkamamaktadır. Böylelikle akışın gelişmesine izin verilip üfleç kalınlığı arttırılmıştır.
Tasarlanmış olan havalandırma kanalı ile beraber sıcaklık dağılımı açısından tutarlı termal sonuçlar elde edilmiştir. İç ortam içindeki havanın sıcaklık dağılımı incelendiğinde iyi bir havalandırma kanalı ve düzgün konumlanmış aktarım boruları kullanarak düzgün termal dağılımlar elde edilmiştir. Termal dağılım için havalandırma sisteminin önemi görülmüştür. Duran bir otobüs incelendiği için dış ortam sınır şartı doğal taşınım değerlerine uygun olarak verilmiştir. Yaz ayında yapılan analizde duvar diplerindeki ve başlangıç durumdaki iç ortamın yüksek sıcaklığı havalandırmanın soğutma etkisi ile beraber azalmıştır.

Abstract:
Since the ancient times, human beings have made some improvement to enhace their environment quality with using cooling and heating technics. Roman Innovator Sergio Orata who is represent as one of the first invention, implemented todays buliding Heating Ventilation Air Condition system in a basic concept. He burned the fuel in a low-lying area and circulated the hot fluid to the walls of the environment with the help of chimneys. After these developments, many nations such as the Sumerians, Iranians and Koreans have made developments in order to provide thermal comfort.  The greatest impact on air conditioning   in modern life occurred in the early 1800s. For the first time, the vapor compression refrigeration cycle was mentioned to cool the indoor space that's why various ice making machines were created to conduct cooling process but insufficient of the ice making source so that new idea come out suddenly that was cool the air.
The main property of the system is that the steam is compressed and both pressure and temperature are increased. This hot fluid passes through the condenser and reaches the saturated liquid phase by transferring heat with its surroundings. The saturated liquid passing through the expansion valve quickly loses its pressure and temperature. This cycle continues by cooling the fluid environment passing through the pipes of the evaporator. In the early 1900s, a young engineer named Carrier designed an apparatus that could regulate the humidity in the interior and formed the basic of modern air condition systems after this improvement, the first air-conditioned bus was built by Carrier and his colleagues.
In this thesis study, the air distribution and thermal distribution within the bus were examined. One validation article has been selected to confirm the analysis as a first step. The selected article has experimental results so that analysis result and experimental result can compare between each other. Starting from here, the flow volume of the bus, which is given cross-sectional geometry, was created with the 3D design program. In the geometry creation process, as in the article, the smooth distribution of the flow and the parts that such as small indentations and protrusions would cause problems in convergence were ignored. In order to accurately capture the temperature distribution in the indoor environment and the distribution of the air, a quality mesh structure has been created in critical areas. The air, temperature, turbulence density and turbulence scale from the experimental results were given as boundary conditions to the CFD package program. 
When the analysis results are compared, a high degree of agreement has been achieved in terms of both thermal and air movement. When the analysis results and the test results are compared, there is a 5 percent difference in the foot area. In other regions, there is a high similarity to the experimental results. The reason for these differences is the air leaks that may occur in the experimental environment and the limited ability of the turbulent wall model used in the analysis solvent to capture temperature changes. In general, the analysis method is confirmed with both temperature and velocity pictures.
The main goal within the scope of the thesis is to prepare the air and temperature distribution in the interior of the examined bus with rules suitable for human comfort and to perform numerical analysis. In this context, drew generic bus model according to the information got from the articles I scanned. First of all, the first aim is to make the air flow regular. Based on this, the names of the blowers feeding the environment were named separately and it was determined how much flow was passed from which blower. 
Based on the results of the analysis made according to the distance and number of the pipes connecting the upper ventilation duct and the lower ventilation duct to each other, the design with the most uniform air distribution in the indoor environment was decided. As a difference in other analyzes progressing on this design, the fan boundary condition is defined in the computational fluid dynamics package program. Thus, instead of a constant air supply from the beginning of the analysis, a flow rate is sent to the indoor environment depending on the pressure difference. By using the fan analogy laws, the flow rate of the fan to the indoor environment depending on the pressure at different operating speeds is also shown.
As in most ventilation theses, the 2-equation turbulence model k-ε was used. Standard wall function is applied at the bottom of the Wall. After the solvent network of the 3D analysis was completed, it was passed to the solvent part. A steady and incompressible flow was assumed for the analysis and also thermal effects of humidity and indoor people are ignored. 
It has been seen in the 3 designs developed that the air hitting the lower part of the upper ventilation duct from the air inlet grille becomes irregular with the impact of strike and passes tangentially over the pipe located close to the center. In other words, it is not enough air passes through the pipes placed near the air inlet grille. The main reason for this is that there is not enough distance for the flow to develop after the air hits the lower area in the upper ventilation duct. With the new design, the position of the pipe is positioned away from the center. Thus, the flow is allowed to develop somewhat and the velocity of the air flow passing tangentially over the pipe near the center is reduced. The number of pipe pipes carrying the air to the wide lower ventilation channel has been increased to three pipes. As a result, the flow rates coming out of the blowers in the lower ventilation channel in the air sent to the glass area also give results close to each other as a consequence in the glass area on the passenger side uniform air distribution is observed. When looking at the blowers with the same approach in the upper ventilation channel, the air going from the blowers to the indoor environment cannot escape in a perpendicular trajectory relative to the blower in positions close to the center. Thus, the flow is allowed to develop and the blower thickness is increased.
Consistent thermal results in terms of temperature distribution have been obtained with the designed ventilation duct. When the temperature distribution of the indoor air is examined, uniform thermal distributions are obtained by using a good ventilation channel and properly positioned transfer pipes. The importance of the ventilation system for thermal dissipation has been observed. Since a stationary bus is examined, the outdoor boundary condition is given in accordance with the natural convection values. In the analysis made in summer, it was observed that the interior environment at the bottom of the walls and in the initial position cooled down with the cooling effect of high temperatures ventilation.