Bir Güç Türbini Kanatçığında Akışkan Yapı Etkileşimi Analizi Kullanımı Metodolojisi

Öz

Akışkan Yapı Etkileşimini (AYE) içeren problemlerle pek çok mühendislik alanında karşılaşılmasına rağmen bu alanda yapılan çalışmalar uzun bir geçmişe sahip değildir ve sınırlıdır. AYE analizleri yüksek basınç ve sıcaklık ile mekanik ve termal yüklerin fazla olduğu jet motorlarına ait parçalar için etkin bir şekilde avantajlar sağlamaktadır. Bu çalışmada literatürde yer alan AYE çalışmalarına yer verilmiş ve günümüz jet motor parçalarının tasarımı esnasında uygulanabilecek AYE analizleri metodolojisi hakkında bilgi verilmiştir. AYE analizlerinde kullanılan temel denklemler anlatılmış, tek yönlü, çift yönlü, sıkı ve gevşek bağlı AYE analiz yapıları, kullanım yerleri ve algoritmaları detaylı olarak ele alınmıştır. Jet motorlarında veya farklı mühendislik alanlarında AYE analizlerini kullanacak bilimsel çalışmalara yönelik hangi yöntemlerin daha avantajlı olduğu hakkında bilgi verilmiştir. Sonuç olarak, yüksek maliyetli deneysel çalışmalar ve testlerden önce; zaman, iş gücü ve ekonomik tasarruf sağlayan AYE analizlerinin kullanımının önemi vurgulanmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Akışkan yapı etkileşimi
• Jet Motorları
• Hesaplamalı akışkanlar dinamiği.

Methodology of Usage of Fluid Structure Interaction Analysis for a Power Turbine Blade

Abstract

Although problems involving Fluid Structure Interaction (FSI) are encountered in many engineering fields, studies in this field do not have a long history and are limited. FSI analysis also effectively provide advantages for jet engine parts where pressure and temperature, mechanical and thermal loads are high. In this study, the FSI studies in the literature are included and information about the FSI analysis methodology that can be applied during the design of today's jet engine parts is given. The basic equations used in FSI studies are explained; one-way, two-way, strongly and loosely coupled FSI analysis structures, usage areas and algorithms are explained in detail. Information is given about which methods are more advantageous for scientific studies that will use FSI analyzes in jet engines or in different engineering fields. As a result, before expensive experimental studies and tests; the importance of using FSI analysis, which provides time, labor and economic savings, has been emphasized.

Keywords

• Fluid Structure Interaction
• Jet Engines
• Computational Fluid Dynamics

Kaynakça

1. [1] S. K. Chakrabarti, “Numerical Models in Fluid- Structure Interaction: (Advances in Fluid Mechanics),” 1st ed. WIT Press, 2005, 42.
2. [2] E. H. Dowell and K. C Hall, “Modeling of fluid-structure interaction,” Annual Review of Fluid Mechanics, vol. 33, pp. 445-490, 2001.
3. [3] H. J.-P. Morand and R. Ohayon, “Fluid-Structure Interaction: Applied Numerical Methods,” 1st ed., Wiley, 1995.
4. [4] G. Hou, J. Wang and A. Layton, “Numerical Methods for Fluid-Structure Interaction - A Review,” Commun. Comput. Phys., vol. 12, no. 2, pp. 337-377, 2012.
5. [5] K. Doğan, “Yatay eksenli rüzgar türbin kanatlarının akışkan-yapı etkileşimi yönünden incelenmesi,” Yüksek Lisans Tezi, Uludağ Üniversitesi, 2014.
6. [6] D. W. MacPhee and A. Beyene, “Experimental and fluid structure interaction analysis of a morphing wind turbine rotor,” Energy, vol. 90, pp. 1055-1065, 2015.
7. [7] C. H. Jo, D. Y. Kim, Y. H. Rho, K. H. Lee and C. Johnstone, “FSI analysis of deformation along offshore pile structure for tidal current power,” Renewable Energy, vol. 54, pp. 248-252, 2013.
8. [8] R. L. Campbell and E. G. Paterson, “Fluid-structure interaction analysis of flexible turbomachinery,” Journal of Fluids and Structures, vol. 27, pp. 1376-1391, 2011.

9. [9] M. Akgül, “Static aeroelastic analysis of a generic slender missile using a loosely coupled fluid structure interaction method,” Yüksek Lisans Tezi, ODTÜ, 2012.
10. [10] R. Kamakoti and W. Shyy, “Fluid-structure interaction for aeroelastic applications,” Progress in Aerospace Sciences, vol. 40, pp. 535-558, 2004.
11. [11] P. Dhopade, A. J. Neely and J. Young, “Fluid-structure interaction of gas turbine blades”, 17th Australsian Fluid Mechanics Conference, Auckland, New Zeland, 4s, 2010.
12. [12] E.V. Mekhonoshina, V. Y. Modorskii and V. Y. Petrov, “Numeric simulation of the interaction between subsonic flow and a deformable profile blade on the compressor experiment phase,” International Conference Information Technology and Nanotechnology, Samara, Russia, 8s, 2015.
13. [13] I. Ubulom “Influence of fluid-structure interaction modelling on the stress and fatigue life evaluation of a gas turbine blade,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, vol. 235, no. 5, pp. 1019-1038, 2021.
14. [14] G. Hou, J. Wang, A. Layton, “Numerical Methods for Fluid-Structure Interaction-A Review,” Communications in Computational Physics, Vol.12, No.2, 337-377, 2012.
15. [15] G. Madenoğlu, “Jet Motoru Güç Türbini Kanatçıklarının Akışkan Yapı Etkileşimi Analizleri ile İncelenmesi,” Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Fen Bilimleri, Nisan 2017.
16. [16] F.-K. Benra, H. J. Dohmen, J. Pei, S. Schuster and B. Wan, “A Comparison of One-Way and Two-Way Coupling Methods for Numerical Analysis of Fluid-Structure Interactions,” Journal of Applied Mathematics, 1-16, 2011.
17. [17] ANSYS V. 17, 2017 System Coupling User’s Guide.