Experimental and numerical design of a high-pressure reciprocating compressor
Yüksek basınçlı pistonlu bir kompresörün deneysel ve hesaplamalı tasarımı
- Tez No: 1018056
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ NECİP BERKER ÜNER, DR. BARIŞ ERDOĞAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Kimya Mühendisliği, Mechanical Engineering, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Akışkanlar mekaniği, Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD), Isı geçişi, Modelleme, Yüksek basınç, Fluid mechanics, Computational fluid dynamics (HAD), Heat transfer, Modelling, High pressure
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yüksek basınçlı gazların temini enerji depolama, ulaşım, itki sistemleri ve petrokimya gibi geniş bir uygulama yelpazesinde kritik bir gereksinim oluşturmaktadır. Yağsız pistonlu kompresörler, tasarım esneklikleri sayesinde geniş debi ve basınç aralığında basınç yükseltici (booster) olarak yaygın biçimde kullanılmaktadır. Bununla birlikte, yüksek çıkış basınçlarında bu kompresörlerin yeni tasarımlarının deneysel olarak test edilmesi maliyetli olduğundan, matematiksel modelleme vazgeçilmez bir araç hâline gelmektedir. Verim ve çalışma basıncını etkileyen parametre sayısının büyüklüğü göz önüne alındığında, kompresörlerin tasarım uzayı son derece geniştir. Bu nedenle yüksek basınçlı veya yükseltici sistemlerin sistematik geliştirilmesi, güvenilir ve sağlam modelleme araçlarını zorunlu kılmaktadır. Bu tez kapsamında, sayısal ve deneysel yöntemler kullanılarak yüksek basınçlı bir pistonlu kompresör için hem 0 boyutlu matematiksel modeller hem de hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) modellerinden oluşan kapsamlı bir modelleme yaklaşımı geliştirilmiştir. Kompresör performansının belirli alt fiziklere bağlılığı göz önünde bulundurularak, en kritik iki süreç olan (i) ısı dağılımı ve (ii) çek valf dinamikleri ayrı ayrı incelenmiştir. Dış ortam ile ısı alışverişine ilişkin doğru ısı transferi katsayılarının belirlenmesi amacıyla deneysel yöntemler geliştirilmiş ve bu yöntemler hesaplamalı termal analiz ile doğrulanmıştır. Benzer şekilde, yarı- empirik bir çek valf modeli oluşturmak ve gerekli akış katsayılarını belirlemek için deneysel ve HAD çalışmaları yürütülmüştür. Söz konusu alt model girdileri daha sonra bütünleşik kompresör modellerine eklenerek sayısal öngörüler 700 bar'a kadar çalışma basıncına sahip ticari bir pistonlu kompresörden elde edilen deneysel verilerle doğrulanmıştır. Geliştirilmiş 0 boyutlu modelin, hesaplama verimliliği ve doğruluğu nedeniyle HAD modellerine göre daha kullanışlı olduğu görülmüştür. Bu doğrultuda, söz konusu modelleme yaklaşımı, hızlı prototipleme ve tasarım amacıyla çok kademeli pistonlu kompresörlerin karşılaştırmalı performans analizlerini yapabilecek şekilde geliştirilmiştir.
Özet (Çeviri)
High-pressure compressed gas supply is an important requirement in applications spanning energy storage, transportation, propulsion, and petrochemistry. Due to their adaptable design, oil-free reciprocating piston compressors are widely used as boosters across a broad range of flow rates and pressures. For high delivery pressures, however, predictive modeling becomes essential as experimental testing of new designs is expensive. Given the large number of parameters that influence throughput and operating pressure, the design space is vast, and systematic development of high-pressure boosters demands robust and reliable modeling tools. In this thesis, a multidimensional modeling framework, consisting of both 0- D mathematical models and transient models based on computational fluid dynamics (CFD), was developed for a high-pressure reciprocating compressor using numerical and experimental methods. Recognizing that compressor accuracy relies on specific sub-physics, the most important two, (i) heat dissipation and (ii) check valve dynamics, were investigated separately. To determine accurate heat transfer coefficients for ambient heat exchange, experimental methods were developed, and they were cross validated with computational thermal analysis. Similarly, to develop a semi-empirical check valve model and to determine the necessary flow coefficients, experimental and CFD investigations were conducted. These sub-model inputs were then integrated into the compressor models, and the predictions were validated against experimental data obtained from a commercial booster pump rated for operating pressures up to 700 bar. The lumped 0-D model outperformed CFD modeling due to its computational efficiency, flexibility and accuracy. Consequently, the macroscopic modeling framework was extended the analysis, design and rapid prototyping of multi-stage reciprocating compressors.
Benzer Tezler
- Değişken kapasiteli kompresörde egzoz portu ve valf yaprağının termodinamik verim ve ses gücü düzeyine etkilerinin sayısal ve deneysel incelenmesi
Numerical and experimental investigation of the effects of exhaust port and valve leaf on thermodynamic efficiency and sound power in a variable capacity compressor
AHMET YASİN KARABAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SERTAÇ ÇADIRCI
- Kompakt değişken kapasiteli kompresör için soğutma kapasitesi artışının sayısal ve deneysel incelenmesi
Numerical and experimental investigation of increasing cooling capacity for compact variable capacity compressor
SEMİH GÜREL
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SERTAÇ ÇADIRCI
- Emme susturucu geometrisinin valf hareketleri ve basınç salınımları üzerindeki etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of suction muffler geometry on valve dynamics and pressure oscillations
ÇAĞLAR ŞAHİN
Doktora
Türkçe
2025
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEYHAN ONBAŞIOĞLU
- Soğutucularda kullanılan tek silindirli pistonlu kompresörlerin dinamik ve akustik analizi
Başlık çevirisi yok
HALUK EROL
- Wankel motoru ve çevrim atlatma sisteminin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of the Wankel engine and skip cycle system
ÖMER CİHAN
Doktora
Türkçe
2017
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. OSMAN AKIN KUTLAR