www.teknolojikarastirmalar.com ISSN:1304-4141 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2005 (1) 49-54 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Teknik Not Akışkanlar Mekaniği Ve İklimlendirme Sistemlerinde Sonlu Elemanlar Metodunun Uygulanması Abdullah ALAN *, H.Cenk BAYRAKÇI *, A.Emre ÖZGÜR** *Süleyman Demirel Üniv. Senirkent Meslek Yüksekokulu İklimlendirme-Soğutma Bölümü, Senirkent / ISPARTA **Süleyman Demirel Üniv. Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü, Çünür / ISPARTA ÖZET Bu çalışmada, mühendislik uygulamalarında önemli bir yer tutan akışkanlar mekaniği sistemlerinde; yoğunluk, hız, ısı akısı, basınç ve sıcaklık analizi yapılmıştır. Akışkanlar mekaniği; ısıtma sistemleri, soğutma sistemleri, baraj, gölet, kanal, petrol ve doğal gaz boru hatları, türbin kanatları gibi çok geniş bir kullanım yelpazesine sahip olduğu görülmektedir. İki ve üç boyutlu sistemler için önce malzeme seçimi ve geometrik boyutları belirlemesi ve daha sonra da dış yük olarak sıcaklık, basınç ve hız değerleri gerilerek sistemdeki gerilme deformasyonlar belirlenmiştir. Bu analiz yapılırken sonlu eleman paket programlarından olan ANSYS kullanılmıştır. İncelenen sistemin ANSYS programına tanıtılması ve çözüme geçilmesi için üç temel aşama takip edilmiştir. Bunlardan birincisi ön işlemler denilen ilk aşama olmaktadır; Bu aşamada problemin yapısına uygun analiz türü seçilmekte malzeme özellikleri ve geometrik boyutları girilmekte ve eleman belirlenmektedir. İkinci aşama olan çözüm aşamasında, sistemin dış yükleri (Basınç, sıcaklık, hız v.b.) belirlenmektedir. Son aşamada ise, sonuçlar elde edilmekte düğüm noktaları ile elde edilen değerler yorumlanmaktadır. Mühendislik problemleri için güçlü bir sayısal çözümleme metodu olan sonlu elemanlar yöntemi ve bu alandaki en iyi paket programlarından olan ANSYS in kullanımı sayesinde çok karmaşık ve yorucu olan klasik hesaplamalarla belki de günlerce sürecek olan mühendislik hesaplamalarının çok kısa sürede ve yeterli kesinlikte elde edildiği görülmüştür. 1. GİRİŞ Karesel bir boşlukta havanın doğal konveksiyonu, laminer akış, türbülanslı akış vb. sistemlerin çok geniş bir uygulama alanına sahip olması ve akışkanlar mekaniğinin temel ilkelerini uygulamalı olarak kullanmaları açısından bu tip örnekler seçilmiştir. Bu örneklerden havanın boşlukta bir alan içerisinden geçirilmesi sisteminin geometrik boyutları kullanılan akışkanın özellikleri, aşağıda verilecek olan akışkanlar sisteminin ANSYS programı ile çözümü yapılmış ve bu çözümden elde edilen sonuçlara göre sıcaklık ve hız dağılımı yorumlanmıştır. 2. PROBLEMİN TANITILMASI Problem için, geometrik özellikleri aşağıda verilen; güneş kolektörleri, ortamların havalandırılmasında kullanılan bir sistem ele alınmıştır. Problemin ilk aşamasında problemin konusu, problemin türü (akışkanlar), elemanın tipi (FLUID 141) tanımlanır. Daha sonra sistemin geometrisi olan karesel alanın ölçüleri (X koordinatları 0,0 0,03, Y koordinatları 0,0 0,03) girilir. Oluşturulan alan 25 elemana bölünerek mesh yapılır.(ağ şeklinde küçük karelere bölünür). Mesh yapılan bu alana dış yüklerden olan V x ve V y bileşenleri; sol tarafına 320 K, sağ tarafına 280 K sıcaklık yükleri uygulanır. Daha sonra akışkanın cinsi olarak AIR birim sistemi olarak SI ve yer çekimi ivmesi 9,81 m/s 2 girilir.
Teknolojik Araştırmalar 2005 (1) 49-54 Akışkanlar Mekaniği Ve İklimlendirme Sistemlerinde Sonlu Elemanlar 3. BULUNMASI HEDEFLENEN SONUÇLAR Belirlenen geometri, fiziksel özellikler, dış yükler altında; 1- Sistemin her düğüm noktasındaki sıcak dağılımları, 2- Sistemin her düğüm noktasındaki hız dağılımları, 3- Sistemde her elemandaki yoğunluk ve basınç dağılımı belirlenmiştir. 4. KULLANILAN PAKET PROGRAM HAKKINDA BAZI AÇIKLAYICI BİLGİLER Bilindiği gibi, ANSYS sonlu elemanlarla analiz ve tasarım yapan bir bilgisayar programıdır. Bu program verilen şartlar altında ele alınan makine elemanının veya sistemin nasıl çalıştığını ya da başka bir deyişle sistemin davranışını görmek için kullanılır. Aynı şartlarda dizayn optimizasyon özelliklerini kullanarak, verilen çalışma şartları için optimum dizaynı hesaplamak için bu program kullanılabilir. ANSYS programı havalandırma ve ısıtma uygulamalarında, endüstride, uzay araçlarında, otomobillerin dizaynında, makinecilikte, elektronikte, güç üretim sistemlerinde vb. kullanılabilen çok maksatlı bir bilgisayar programıdır. Kısaca mühendisliğin birçok dalında ve üniversitelerde eğitim maksadıyla kullanılmaktadır. 4.1. Modelin Oluşturulması Bir sonlu eleman modelinin inşa edilmesi analizin diğer kısımlarına göre çok daha fazla zaman ister. Bu bölümde eleman tipleri (Programın eleman kütüphanesinde incelenen problemlerin yapısına uygun 100 den fazla iki üç boyutlu eleman mevcuttur. Örneğin; BEAM, PIPE, PLANE, SOLID gibi), elemana ait reel sabitleri, malzemenin özellikleri (elastisite modülü, Poisson oranı, ısıl iletkenlik katsayısı, viskozite) ve modelin geometrisini tanımlamak için PREP7 komutu kullanılır. Kullanılan birim sistemi de bu bölümde tayin edilir ve gerek SI, gerekse diğer birim sistemlerini kullanmak ANSYS için sorun oluşturmaz. Seçilen birim sistemi /UNITS komutuyla programa tanıtılır. Malzeme özellikleri derken ise; malzemenin lineer veya nonlineer olması, izotropik, ortotropik veya anizotropik olması, sabit sıcaklıkla veya sıcaklığa bağımlı olup olmadığı anlaşılmaktadır. AUTOCAD komutları aynen bu programda geçerlidir. Sistem RECTANGLE komutu ile karesel alan oluşturulmuştur. Daha sonra sistem MESH yapılarak termal ve hız yükleri uygulanıp uygun hale getirilmiştir. Sistemin MESH yapılmış ve yükü hali şekil 1 de gösterilmiştir. Şekil 1 sistemin geometrik yapısı ve mesh yapılmış hali 50
Alan, A., Bayrakçı, H. C., Özgür, A. E. Teknolojik Araştırmalar 2005 (1) 49-54 4.2.Yüklerin Uygulanması ve Çözümün Elde Edilmesi Bu adımda, sonlu eleman çözümün başlatmak için analiz tipini ve opsiyonlarını seçmek, yükleri uygulamak, yük adımlarını belirlemek için Prepreceso/Load/Apply/Temperature/On nodes işlemcisi kullanılır. Bu komutta sistemin sağ ve sol tarafına termal yükler uygulanır. Yüklerin uygulanmış hali Şekil 2 de gösterilmiştir. Bu işlem aynı zamanda PREP7 ön işlemcisinden de yararlanılabilinir. Analiz tipi ve analiz opsiyonları incelenen problemin yapısına uygun olmalıdır. Burada incelenen akışkanlar problemi için uygun olan tip FLOTRAN komutu girilmektedir. Çözüme başlatmak için ise ana menüdeki çözüm(solution) butonunun altında yer alan Run FLOTRAN komutu ile gerçekleştirilmektedir. Şekil 2.Yüklerin uygulanmış hali Çözüm gerçekleştikten sonra programın son işlemci kullanılarak sonuçlar elde edilip yeniden gözden geçirilebilir. Bu aşamada kullanılan komut General Post Proccesor Plotresult Contour Plot Nodal Solution butonudur. Bu aşamada çözümden sonra yapının şekli, sonuçların listesi, hata hesaplamaları, yani problemin sonuçlarıyla ilgili bütün bilgiler elde edilmektedir. Termal yükler altında sistemdeki ısı dağılımı şekil 3-a ve 3-b de verilmiştir. 51
Teknolojik Araştırmalar 2005 (1) 49-54 Akışkanlar Mekaniği Ve İklimlendirme Sistemlerinde Sonlu Elemanlar Şekil 3-a. Sistemin sıcaklık dağılımı Şekil 3-b. Sistemin sıcaklık dağılımı 52
Alan, A., Bayrakçı, H. C., Özgür, A. E. Teknolojik Araştırmalar 2005 (1) 49-54 Termal yükler altında, sistemdeki yoğunluk ve basınç dağılımı Şekil 4 ve Şekil 5 de verilmiştir. Şekil 4. Sistemin yoğunluk dağılımı Şekil 5. Sistemin yoğunluk dağılımı 53
Teknolojik Araştırmalar 2005 (1) 49-54 Akışkanlar Mekaniği Ve İklimlendirme Sistemlerinde Sonlu Elemanlar 5. SONUÇLAR ANSYS programı günümüzde mühendislik problemlerinin çözümünde sonlu elemanlar metodunun uygulanmasında iyi neticeler vermektedir. Ancak kabul edilen şartların ve problemin programın çözüm kriter ve metotlarına iyi uydurulması büyük önem taşımaktadır. Aksi takdirde çözümlerin geçerliliği ve bilimsel tutarlılığı tartışmaya açıktır. KAYNAKLAR 1. Palu, E., Alla, I., Basics of the Finite Element Method,Wm.C.Brown Publishers,1985. 2. West,H.H., Geschwinder, L.F., Fundementals of Structural Analysis,John Wiley& Sons,Inc.1993. 3. ANSYS 5.2, 5.4 Paket Programı Kullanma Kılavuzu,Swanson Inc, 1997,1999. 4. Köksal, T., Sonlu Elemanlar Metodu,Yıldız Teknik Üniversitesi Matbaası,1995. 5. Günay, D., Sonlu Elemanlar Metodunun Temelleri (Çeviri),Sakarya Ünv.Matbaası,1993. 6. Cook R.,D., Malkus D., S., Pleasta M.,E., Concept and Applications of Finite Element Analysis, John Wiley& Sons,Inc.,1989. 7. Keskinel F., Özbek T., Mühendisler için Mekanik-Statik,Birsen yayınevi, 1998. 8. Alan, A.,Kılınç İ.,Özcan S., Sonlu Elemanlar Metodunun Akışkanlar Mekaniğine Uygulanması. SDÜ T.E.F. 4. Ulusal Öğrenci Sempozyumu, Yayın no:1/4, 2001,Isparta. 54