Viv of a single cylinder and two cylinders in tandem arrangement: A comparative study of results and energy calculations for maritime renewable energy utilization
Tek silindir ve tandem düzenlemeli iki silindirin gırdap kaynaklı titreşimi: Sonuçlar ve denizde yenilenebilir enerji kullanımı için enerji hesaplarının karşılaştırmalı bir çalışması
- Tez No: 876201
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖMER KEMAL KINACI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Gemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Eskilerden beri kullanılan ve günümüz dünyasına kadar taşınan geleneksel enerji kaynaklarının birçoğu birçok açıdan zararlı etkilere sahiptir. Bu zararlar kısa zaman içerisinde kendilerini belli etmeyebilir, ama uzun vadede tehlikeli bir düzeyde etkilerini gösterirler. Bu etkilerden bazıları insan sağlığını tehlikeye atıp birçok solunum hastalığına sebep olur, kanser oranının insanlar arasında artmasına neden olur, doğada bulunan bitkilerin ve ağaçların sayısının azalmasına, ozon tabakasının incelmesine ve hava kirliliğine sebep olur. Bu sebeple geleneksel enerji kaynakları arasında bulunan kömür, gaz ve sanayi yağları gibi enerji kaynaklarının artık yeni ve daha az zararlı olan veya hiç zararlı etkisi olmayan enerji kaynaklarıyla değiştirilmeleri gerekmektedir. Yenilenebilir enerji kaynakları konusu tam da bu yüzden son zamanlarda dünya çapında önemli bir yerde olmuştur. Yenilenebilir enerji kaynakları hem doğa dostu kaynaklardır hem de insan sağlığını oldukça koruyucu bir karaktere sahiptir. Bu sebeple, bu tür enerji kaynaklarının detaylı bir şekilde incelenmesi ve birçok açıdan insan hayatına girişi önemlidir. Okyanuslar ve denizler, yenilenebilir enerji kaynaklarını elde etmek için önemli bir rol oynarlar. Ayrıca boğazlar, su kanalları ve nehirler de yenilenebilir enerji üretimi için kullanılabilir. Hidrokinetik enerji üretimi için kullanılan önemli yöntemlerden biri, akıstan kaynaklanan hareketleri kullanmaktır ve buna akıstan kaynaklanan hareketler (İng. Flow Induced Motions, kısaca FIM) denir. VIVACE dönüştürücü (İng. VIVACE converter), akıstan kaynaklanan hareketlerden enerji elde etmek için önemli bir cihazdır. Girdap kaynaklı titreşimler, akıştan kaynaklanan titreşimlerin bir alt başlığıdır ve akışın bir küt cisimden ayrılmasıyla oluşan bir fenomendir. Yapının arkasında (iz bölgesinde) girdaplar oluştuğunda, kuvvet uygulayarak yapının hareket etmesine neden olurlar. Bu hareket, yeni girdaplar oluşturur ve sürekli olan bu hareket titreşimlere neden olur. Başka bir deyişle, girdap kaynaklı titreşimler, akışkanın içinde şekillenen girdapların oluşmasından kaynaklanan bir fenomendir. Akışkan yapıdan geçerken, yapı etrafında yüksek ve düşük basınçlı alanlar oluşturur. Bu basınç farkları, akışkan hareketin dönen bölgeleri olan girdapların oluşmasına yol açar. Söz konusu yyapının doğal frekansı, kopan bu girdapların frekanslarına yakın veya eşitse kenetlenme (lock-in) gerçekleşir ve yapı azami düzeyde hareket etmeye başlar. Tacoma Asma Köprüsü'nün önce kontrolsüz hareketler yaparak deforme olması ve ardından sulara gömülmesiyle bu durum ortaya çıkmıştır. Girdap kaynaklı titreşimler, hidrokinetik enerjiyi salınımlı silindirde mekanik enerjiye dönüştürür. Uç akış, üç boyutlu etkileri devreye sokarak silindirin etkin uzunluğunu azaltır ve bu azalma, salınımları ve osilatördeki enerjiyi sağlayan enine kaldırma kuvvetini oluşturur. Silindirin uç bölgeleri, uç akış nedeniyle kaldırma oluşturmazlar, bu nedenle daha düşük en-boy oranlı silindirlerde daha baskındırlar. Günümüzün araştırma konularından biri, girdap kaynaklı titreşimleri kullanarak yararlı enerji elde etmek üzerine nasıl çalışılacağıdır. Bu bağlamda kullanılan bir cihaz VIVACE (Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy) dönüştürücüdür. VIVACE, okyanus/nehir akıntı enerjisini elektriğe dönüştüren bir dönüştürücüdür. VIVACE'nin amacı, girdap kaynaklı titreşimleri maksimize etmek ve hareketli akıştan çıkarılan mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmektir. Yapısal açıdan bakıldığında, girdap kaynaklı titreşimler genellikle istenmeyen bir fenomen olarak kabul edilir çünkü yapıların yorulmasına sebep olarak ve daha birçok olumsuz etkiye maruz bırakarak bozulmasına sebep olup zarar verebilir. Ancak, bir osilatör sistemi kullanılarak enerji üretilmesi ve hareketinin kontrol edilmesiyle mekanik enerjinin elektriğe dönüştürülmesi sağlanarak bu fenomen akış kaynaklı salınımları (İng. Flow Induced Oscillations, kısaca FIO) baskılamadan faydalı amaçlar için de kullanılabilir. Girdap kaynaklı titreşimler, geniş bir Reynolds sayısı aralığında ortaya çıkabilir, bu da Re>50 olan Reynolds sayılarıyla bu enerji toplama sisteminin çeşitli akış rejimlerinde kullanılabileceği anlamına gelir. VIVACE sistemlerinin laboratuvar ölçekli prototipleri genellikle maksimum 1.35×〖10〗^5 civarında Reynolds sayılarına ulaşırken, tam ölçekli VIVACE sistemleri 〖10〗^7 düzeyinde Reynolds sayılarına ulaşabilir. Girdap kaynaklı titreşimler ayrıca, girdap dökülmesi ile silindir salınımları arasında bir senkronizasyon olarak tanımlanabilir. VIVACE dönüştürücüsünün ana amacı, girdap dökülmesini arttırmak ve girdap kaynaklı titreşimleri bastırmak yerine önemli ölçüde sönümleme altında maksimize etmektir. Bu dönüştürücü, 0.5<U<5 deniz mili ve üzerindeki hızlardaki akıntılardan enerji çıkarabilir. Bu çalışma deneysel bir çalışmadır. Bu çalışmada, farklı özelliklere sahip iki farklı dairesel silindir kullanılarak deneyler yapılmıştır. Silindirlerin sistemdeki hareketi yalnızca dikey yönündedir, yani gelen akışa dik yönde olacak şekilde hareket edebilirler. Deneyler İstanbul Teknik Üniversitesi Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi'nde Ata Nutku Gemi Model ve Deney Havuzu'nda bulunan Akış Kaynaklı Hareketler Laboratuvarı'nda gerçekleştirilmiştir. Bu laboratuvar İstanbul'daki Ayazağa Kampüsü'nde bulunmaktadır. Bu çalışmada, hem tek silindir hem de tandem düzenlemesindeki iki silindir deneylerde kullanılmıştır. Bu çalışmanın birkaç amacı bulunmaktadır. Detaylı olarak açıklamak gerekirse, ilk amaç, serbest sönümleme testlerinin hem tek silindirde hem de iki tandem silindir deneylerinde yapılmasıyla sistemin ortalama sönümleme oranını ve doğal frekansını elde etmektir. Bu deneysel çalışmanın ikinci amacı, hem tek silindiri hem de iki tandem silindiri yavaş yavaş artan bir akış hızına maruz bırakarak sistemlerin genlik değerlerini ve salınım frekansını elde etmektir. Bu çalışmanın üçüncü amacı, hem tek silindirin hem de iki tandem silindirin enerji hesaplamasını yapmaktır. Enerji hesaplaması için gereken iki ana faktör, her bir sistemin elde edilen gücünü hesaplamak ve ayrıca verimlilik değerini (verimlilik yüzdesi) hesaplamaktır. Bahsedilen tüm faktörler belirli bir akış hızı aralığında değerlendirilmiştir. Sonuçlar tablolar ve şekiller kullanılarak detaylı bir şekilde sunulmuş ve çeşitli bakış açılarından yorumlanmıştır. Yapılan tüm deneylerin genlik sonuçları karşılaştırıldığında, her bir silindirin başlangıç bölgesine (initial branch), üst bölgesine (upper branch), alt bölgesine (lower branch), ve ayrıca senkronizasyon bölgesine girdiği boyutsuz hız değeri birbirinden farklı olduğu gözlenmiştir. Ayrıca, bu bölgelerdeki boyutsuz hız aralığının da birbirinden farklı olduğu görülmüştür. Örneğin, iki tandem silindirin olduğu bir deneyde, önde olan silindirin (front cylinder) her iki koşulda da, yani iki farklı kütle oranına ve uzunluğa sahip iken, diğer tüm deneylerdeki silindirlere göre daha uzun boyutsuz hız aralığında üst bölgesinde olduğu görülmüştür. Ayrıca, tek silindir (single cylinder) deneylerinde, kütle oranı (mass ratio) daha düşük olan silindirin üst bölgede olduğu boyutsuz hız aralığının minimum olduğu gözlenmiştir. yapılan tüm deneylerin belirli bir boyutsuz hız aralığındaki salınım frekanslarına bakıldığında, gözlenen frekans değişimlerinin her bir silindir için farklı olduğu tespit edilmiştir. Bu değişimler, silindirlerin boyutları, konumları ve akış rejimleri gibi faktörlere bağlı olarak ortaya çıkmıştır. Örneğin, aynı boyutsuz hız aralığında farklı bir silindir konfigürasyonu veya akış hızı için, salınım frekanslarında belirgin farklılıklar gözlemlenmiştir. Bu durum, silindirlerin etrafındaki akışın karmaşıklığı ve etkileşimlerinin sonucu olarak açıklanabilir. Her bir deneyde, silindirlerin etrafındaki akış alanı ve akış hızıyla birlikte, yakındaki diğer cisimlerin etkisiyle değişiklik gösterebilir. Bu nedenle, aynı boyutsuz hız aralığında bile, farklı deneylerde farklı frekans değişimleri gözlenebilir. Bu farklılıklar, akışın karmaşıklığını ve etkileşimlerin önemini vurgulamaktadır. Örneğin, iki farklı tek silindir deneyindeki boyutsuz salınım frekans sonuçlarına bakıldığında, ağırlıkları farklı olan bu iki silindirin sonuçlarının birbiriyle farklı olduğu görülmektedir. Yani kütle oranı daha yüksek olan tek silindirin boyutsuz salınım frekansının daha yüksek değerlere sahip olduğu görülmektedir. Enerji analizi için hesaplanan verimlilik (efficiency) ve elde edilen güç (captured power) sonuçlarına bakıldığında, belirli bir boyutsuz hız değerine kadar olan aralıkta, en yüksek verimlilik değerlerinin kütle oranı daha yüksek olan tek silindir deneyindeki silindire ait olduğu ve devamında belirli bir boyutsuz hız değerinden sonra en yüksek verimlilik değerinin ise tandem silindirler deneyindeki önde yer alan ve kütle oranı daha yüksek olan silindire ait olduğu gözlenmiştir. Ayrıca, elde edilen güç sonuçlarına bakıldığında, belirli bir boyutsuz hız değerine kadar olan aralıkta en yüksek elde edilen güç değerinin kütle oranı daha düşük olan tek silindir deneyindeki silindire ait olduğu, diğer bir boyutsuz hız aralığında kütle oranı daha yüksek olan tek silindir deneyindeki silindire ait olduğu ve ondan sonraki boyutsuz hız aralığında ise tandem silindirler deneyindeki önde yer alan ve kütle oranı daha yüksek olan silindire ait olduğu belirlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Renewable energy sources have become increasingly important today, especially when considering the various negative effects and harms caused by other types of energy. When we take the environmental and health impacts of energy sources like coal, gas, and oil into account, it becomes clear that renewable energy should be utilized more extensively in our lives. Some of the negative effects of energy sources other than renewable ones include air pollution, depletion of the ozone layer, reduction of natural greenery, and the proliferation of diseases like cancer among humans. These undesired impacts carry significant risks to both human and environmental health. Therefore, it is essential to understand the necessity of incorporating renewable energy into our lives as a substitute for other energy types. There are many sources available for renewable energy production. Among these, it is essential to highlight solar and water. Renewable energy sources that can be obtained from water include ocean thermal energy, osmotic power, underwater kite systems, tidal energy, and ocean current energy. Vortex-Induced Vibration (VIV) is a phenomenon that can be utilized to harness renewable energy using water as a source. VIV is caused by the formation of the vortices in the fluid flow. When the fluid flow passes the structure, it creates alternating areas of high and low pressure fields around the structure. These pressure differences lead to the generation of vortices, which are swirling regions of fluid motion. In other words, VIV is caused by flow separation from bluff bodies and leads to oscillations. VIV is a subset of Flow-induced motion (FIM). In VIV, the flow exerts a force on the object. The body will move with a frequency in relation to its natural frequency and eddy break frequency. This will lead to a high order nonlinear problem and make it harder to solve. Flow separations occur when a structure is not aligned with the hydrodynamics of the flow. Eddies are formed when the flow leaves the object and eventually creates force on it. When VIV occurs on a body in water, it is possible to implement a system that can convert the hydrokinetic energy in the water into mechanical energy. Useful energy extraction from flowing water is one of the hot topics of the academic literature today. Among the many devices that are developed towards this goal, VIVACE (Vortex Induced Vibration for Aquatic Clean Energy) stands out. It is a converter that converts the ocean/river current energy to electricity. A VIVACE has the aim of maximizing VIV and converting its mechanical energy extracted from the moving fluid flow into electrical power. From the structural perspective, VIV is an unwanted phenomenon as it disturbs and causes damage to a structure. However, it can also prove beneficial by harnessing energy through the utilization of an oscillator system, converting the mechanical energy obtained from these oscillations into electricity, all without impeding its Flow Induced Oscillations (FIO). VIV can be excited in a wide range of Reynolds numbers. This means that by having a Reynolds number of Re>50, this system can be utilized for energy and power generation across a broad range of flow regimes. Although lab-scale prototypes of VIVACE systems can generally reach the maximum Reynolds number of 1.35×〖10〗^5, full-scale VIVACE systems have the potential to reach 〖10〗^7, proving the scalability of the device. VIV can also be identified as a synchronization between vortex shedding and cylinder oscillations. The main aim of VIVACE converter is to enhance the vortex shedding rather than spoiling and maximize under significant damping rather than suppressing VIV's. This converter can extract energy from currents of velocities 0.5<U<5 (knots) and above. This study is an experimental study. In this study, experiments were conducted using two different circular cylinders with distinct characteristics. The movement of the cylinders in the system is solely vertical, meaning they are capable of motion only in the direction perpendicular to the incoming flow. The experiments took place in the circulation channel of the ITU (Istanbul Technical University) Ata Nutku Ship Model Testing Laboratory, situated at the Ayazaga Campus of ITU in Istanbul, within the Faculty of Naval Architecture and Ocean Engineering. In this study, both single cylinder and two cylinders in tandem arrangement have been used for experiments. There are several purposes of this study. To elaborate in detail, the first aim is to obtain an average damping ratio and the natural frequency of the system by conducting free decay tests in both single cylinder and two tandem cylinders experiments. The second aim of this experimental study is to expose both single cylinder and two tandem cylinders to a gradually increasing flow velocity, in order to obtain the amplitude responses and frequency of oscillations of the systems. The third aim of this study is to perform an energy calculation for both single cylinder and two cylinders in tandem arrangement setups. The two main factors required for energy calculation are to compute the captured power of each system and also to calculate the efficiency value (efficiency percentage). All mentioned factors have been evaluated within a certain reduced velocity range. The results are provided in detail using tables and figures, and they have been interpreted from various perspectives. The primary objective among the main goals of this study is to evaluate the results in the category of renewable energy and achieve the highest efficiency and captured power. When comparing the results of the single cylinder and two cylinders in tandem arrangement (rear and front cylinders), it is observed that the front cylinder in the tandem cylinders setup obtained a higher efficiency ratio and captured power than all other conditions after a certain reduced velocity.
Benzer Tezler
- Tek serbestlik dereceli dairesel silindirin girdap kaynaklı titreşimleri üzerinde serbest su yüzeyinin etkileri
Free surface effects on vortex-induced vibrations of a single-degree-of-freedom circular cylinder
ALKIN ERDAL DEMİRHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖMER KEMAL KINACI
- Gemi diesel motorlarında silindir modellemesi
The Modelling of the cylinder in marine diesel engines
SUAT İÇELLİLER
- Yüksek devirli gemi disel motorlarında ısı yayılım modelinin etkisi
Effect of head release model on the performance of high speed marine diesel engines
TAYFUN AKMETE
- Improving raceway reactor productivity via vortex induced vibrations for cost effective microalgae production
Maliyet etkin mikroyosun üretimi için girdap kaynaklı titreşimlerle alg havuzu performansının artırılması
MEHMET SADIK AKCA
Doktora
İngilizce
2023
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BULENT İNANC
- Tek Silindirli akış kontrollü motor silindiri tasarımı ve imalatı
Design and manufacturing of a flow controlled cylinder of an engine with single cylinder
ZAFER KAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2004
Makine MühendisliğiDumlupınar ÜniversitesiMakine Eğitimi Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. DİNÇER BURAN