Çoklu çarpan jet sisteminin sayısal olarak incelenmesi ve genetik algoritma ile çok hedefli tasarım optimizasyonu
Numerical investigation of multiple impinging jet system and multi objective design optimization using genetic algorithm
Yazar: ALPEREN YILDIZELİ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SERTAÇ ÇADIRCI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Akışkanlar dinamiği = Fluid dynamics ; Makine mühendisliği = Mechanical engineering ; Optimizasyon = Optimization ; Pnömatik taşıma = Pneumatic carrying

Özet:
Son elli yıl içerisinde, üretimin yüksek kapasitelerde ve seri bir şekilde gerçekleştirildiği endüstriyel uygulamalarda üretim veriminin arttırılması akademi ve sanayinin ortak amacı haline geşmiştir. Endüstriyel üretim tesislerinde malzeme kayıplarının, üretim maliyetlerinin ve proses sürelerinin azaltılmasının yanısıra lojistik ve depolama gibi organizasyonel maliyetlerin de azaltılması adına birçok farklı alanda çalışmalar yapılmaktadır. İş hücreleri arasında ham malzemelerin ve ürünlerin taşınması ve iletilmesi üretimin her aşamasında gerçekleşen işlemlerden biridir ve üretim maliyetini önemli ölçüde etkilemektedir. Bu tez çalışması kapsamında hassas cisimlerin temassız taşıması için kullanılan çoklu çarpan jet sisteminin kaldırma kapasitesini ve enerji sarfiyatını azaltmak amacıyla sayısal incelemeler yardımıyla tasarım iyileştirmesi yapılmıştır. 

Tez çalışmasının ilk bölümünde taşıma sistemlerinin endüstrideki kullanım alanlarından, endüstride temassız taşıma sistemlerine duyulan ihtiyaçtan, çarpan jet akışından ve çoklu çarpan jet sistemlerinden bahsedilmiştir. Çoklu çarpan jet sistemi ile ilgili yapılan akademik çalışmalar ve uygulamalar incelenerek literatür taraması yapılmış ve mevcut literatürde geliştirilebilecek yönler belirtilmiştir. 

İkinci kısmda çoklu çarpan jet sisteminin sayısal olarak incelenebilmesi için gereken sayısal model doğrulama çalışmaları vasıtası ile oluşturulmuştur. Sayısal inceleme sırasında akış hacminin oluşturulmasında Design Modeller programı kullanılırken çözüm ağının oluşturulması için ANSYS Meshing ve HAD analizlerinin gerçekleştirilmesi için ANSYS Fluent 17.2 programı kullanılmıştır. Bu bölümde çarpan jet akışı ile ilgili dört farklı doğrulama çalışması ile beraber sayısal modele ait detaylı inceleme yapılarak geniş çalışma şartlarında deneysel verilerle tutarlı sonuçlar verebilecek sayısal bir model elde edilmiştir. Doğrulama çalışmalarında ısı ve momentum transferi çarpan plaka üzerindeki Nusselt sayısı dağılımları ve akışa ait hız profillerinin karşılaştırılması ile doğrulanmıştır. Elde edilen sayısal ve deneysel sonuçlar arasındaki gözlemlenen en yüksek farklılıklar %10 civarındadır.

Çalışmanın üçüncü kısmında çoklu çarpan jet sisteminde taşıma kapasitesi ve enerji sarfiyatını azaltmak adına pasif akış kontrolü amacıyla jetler arasına silindirik kirişlerin yerleştirilmesi önerilmiştir. Önerilen tasarımın işletmesel ve geometrik parametreleri incelenerek boyut analizi yapılmasının ardından incelenecek parametreler seçilmiş ve tasarım uzayı oluşturulmuştur. İncelenen tasarım uzayına dahil olan farklı tasarımlar HAD analizi ile incelenerek uygulanan pasif akış kontrolünün etkileri irdelenmiştir. 

Çalışmanın dördüncü kısmında önceki bölümde belirtilen tasarım uzayı içinde en yüksek taşıma kapasitesi veya en düşük enerji sarfiyatına sahip tasarımların belirlenmesi için çok hedef fonksiyonlu optimizasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. HAD analizi için belirlenen sayısal model ve MATLAB programında kodlanan NSGA-II optimizasyon algoritması entegre olarak çalıştırılarak tasarım uzayı içerisindeki optimum tasarım kümesi belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar detaylıca incelenerek silindirik kiriş tasarım önerisinin tasarım çıktıları üzerindeki etkileri incelenmiştir. 

Tez çalışmasının son bölümünde çalışmadan elde edilen sonuçlar yorumlanmış ve ileriye dönük yapılabilecek çalışmalar derlenmiştir. Silindirik kirişlerin etkilerinin incelenmesi için deneysel çalışmaların yapılması ve elastik kirişlerin incelenmesi gibi ileriye dönük çalışma önerileri sunulmuştur.

Abstract:
In the last fifty years, increasing production efficiency in industrial applications where production is carried out at high capacities has become a common aim of academia and industry. In industrial production facilities, studies are carried out in many different areas in order to reduce material losses, production costs and process times, as well as to reduce organizational costs such as logistics and storage.

The transport of raw materials and resultant products between work cells is one of the processes that take place at every stage of industrial production and has a significant impact on production costs. Today, contactless handling methods are especially preferred for the transportation of sensitive objects such as microprocessors, microchips and artificial tissues where human contact is not permitted. Contactless transport of sensitive objects is carried out by pneumatic, acoustic or magnetic methods. Bernoulli Gripper, Vortex Gripper and multiple impinging jet systems are among the main applications of pneumatic contactless transport. Within the scope of this thesis, design improvements have been made with the help of numerical studies and an optimization algorithm in order to increase the lifting capacity and reduce the energy consumption of the multiple impinging jet system which is used for the contactless transportation of sensitive objects.

In the first part of the thesis, the usage areas of transport systems in the industry, the need for contactless transport systems in industry, multiple impinging jet flow multiple impinging jet systems are mentioned. Academic studies and industrial applications related to multiple impinging jet system have been examined, a literature review has been made and aspects that can be developed in the existing literature have been indicated.

In the second part, the numerical model required for the investigation of the multiple impinging jet system by CFD analysis was established by means of validation tests. In order to numerically investigate the multiple impinging jet system; the Design Modeller and ANSYS Meshing program were used to generate the computational domain and the mesh and ANSYS Fluent 17.2 was used to solve governing equations. 

Various validation tests have been carried out in a wide range of design parameters in order to assess the requirements for the CFD calculations in the study. To do this, four different experimental studies from the literature have been utilized. Findings of the validation tests are as follows:
 

k-w SST turbulence model gives more accurate results compared to the other RANS models.

The ideal gas and Sutherland laws should be considered to model the temperature dependency of the thermophysical properties of air.

Second-order spatial discretization schemes of the governing equations give more precise results. Secondary Nusselt number peaks and wall jet development could be predicted more precisely when second-order discretization schemes are used.

Turbulence properties of the inlet boundary conditions significantly affects the results and should be calculated in order to obtain accurate results.


In the validation studies, heat and momentum transfer results of the numerical model were verified by comparing the Nusselt number distributions on the impinging plate and the axial velocity profiles of the jet flow. The highest observed relative error between the numerical and experimental results is about 10%.

After intensive mesh convergence tests and validation by experiments, the appropriate mesh with correct CFD setup and boundary conditions have been determined for further studies.

In the third part of the study, placing cylindrical pillars between the jets is proposed in order to enhance the lift force and to reduce the energy consumption of the multiple impinging jet system. The operating and geometric parameters of the proposed design were examined and the design space was defined after a detailed dimensional analysis. 

Through CFD calculations, effect of the selected design parameters on the objective functions are revealed at chosen design points. It's found that, in the most efficient case, cylindrical pillars can increase the lift capacity of the multiple impinging jet system by %9 with the same constant energy consumption of the reference case . In order to quantify the effect of the design parameters on the results, a new parameter (eta) was defined which compares the results of a selected reference design with the design that the parameter of interest is manipulated. 

Consideration of the eta values with the results of the CFD analyses revealed that the effects of the jet Reynolds number on the lift pressure and power consumption are 272.44% and 462.25%, respectively. This finding means that the jet Reynolds number affects the required pumping power and the lift capacity positively, depending on the forced convection. It is found out that increasing the jet Reynolds number reduces the energy efficiency of the multiple impinging jet system since it affects the power consumption more than the lift capacity.  Spacing between the jets (which also related to the plate area) influences the lift capacity and the power consumption by 254.21% and 5.34% respectively. It is found out that lowering the spacing between jets increases the lift capacity and energy efficiency of the system since the ratio of the stagnation region to the area of the impinging plate. Numerical investigations revealed that the effect of the aspect ratio of cylindrical beams on the lift capacity and the power consumption are 9.24% and 0.26%, respectively. Cylindrical beams increase the lift capacity of the multiple impinging jet system with a negligible amount of additional power requirement.

In order to determine the optimum design set with the highest lift capacity or the lowest energy consumption within the specified design space, a multi-objective optimization study was carried out. Multi-objective optimization techniques are preferred rather than single objective techniques in order to obtain design proposals that responses to different requirements of lift capacity. The numerical model for CFD analysis was integrated with the NSGA-II optimization algorithm which is coded in MATLAB program. The integration of the CFD analyses and the NSGA-II algorithm ensures to avoid regression errors for the outputs of designs. The optimization algorithm resulted in a Pareto Front indicating of trade-off solutions. 

Resultant designs were examined in order to reveal the effect of parameters on the multiple jet flow dynamics in detail. It was shown that the pressure distribution on the impinging plate became more uniform and intense with the usage of cylindrical beams with an aspect ratio of 4.2. The optimization process also revealed that lowering the spacing between jets results in higher lift pressure which is consistent with the findings of the previous chapter. It should be mentioned that the lift force per power consumption up to 0.21875 N/W could be obtained which means better efficiency compared to the Bernoulli gripper or the Vortex gripper.

In the last chapter of the thesis, the results of the optimization process and the performance comparison of different designs are concluded. The most important findings of the study were discussed and the future work which can achieve a significant contribution to the literature of contactless transportation and the multiple impinging jet systems.