HAFİF ZIRHLI PERSONEL TAŞIYICI ARAÇLARIN KLİMA AKIŞ HIZI DAĞILIMI ÜZERİNE TEST VE ANALİZ ÇALIŞMALARI

1. GİRİŞ

Askeri uygulamalarda kullanılan zırhlı araçların tasarımındaki en önemli unsurlardan biri kabin konforudur. Bu araçlar, yolcu güvenliğini sağlamak, mekanik ve biyolojik silahlara karşı korunmak için kapalı model olarak tasarlanmıştır. Bu yüzden ısıl havalandırma ve iklimlendirme sistemleri, araç kabinindeki ısıl konforun en önemli etkenleridir.

Ayrıca, araç ısıl konforu için tüketici isteklerini karşılamak, araç rekabet gücünü artırmak için kritik öneme sahiptir. Bu nedenle, araç içerisindeki hava akış ve sıcaklık dağılımlarını araştırmak ve iyileştirmeler sağlamak amacıyla testler ve ısıl analizler yürütülmektedir.

Bilgisayar tabanlı ısıl analizler CFD (Computational Fluid Dynamics –  Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) yazılımlarıyla oluşturulabilmektedir. Bu analiz, akışkanlar dinamiği (sıvılar ve gazlar gibi akışkanların davranışları) konusunda ayrıntılı bilgiler sağlamak için kullanılır. CFD analizi, araç klimasının tasarımını ve başarımını en üst düzeye çıkarmak için oldukça önemlidir. Araç içerisindeki hava niteliğini artırmak, enerji verimliliğini en yükseğe çıkarmak ve yolcu konforunu artırmak amacıyla yapılan analiz ve testler sonucunda elde edilen çıktılar, tasarımcılara verilmektedir.

CFD analizinde doğruluk, kullanılan ağ (mesh) yapısına bağlıdır. Ağ, analiz için benzetim (simülasyon) alanını küçük geometrik parçalara ayıran bir ağ yapısıdır. Doğru ve hassas sonuçlar elde etmek için uygun ağ yöntemlerinin seçilmesi ve analizin ayrıntılı bir şekilde gerçekleştirilmesi önemlidir.

2. ÇALIŞMANIN AMACI

Bu çalışmada, askeri personel taşıyan hafif zırhlı bir aracın klima sisteminin, personel bölgesindeki menfez çıkışlarından fiziksel testlerle hız değerleri alınmış, ardından bu sistem geometrik olarak sadeleştirilerek bilgisayar ortamında simüle edilmiştir. CFD yazılımında farklı modelleme yöntemleri uygulanarak test ve analiz arasında bir bağıntı elde edilmeye çalışılmış ve uygun yöntem seçilmiştir.

3. BİLİMSEL YAZIN TARAMASI

Yolcu bölmesi içindeki sıcaklığın ve hava akışı alanının analizi, konforun artırılması ve enerji tüketiminin azaltılması açısından çok önemlidir. Bu nedenle Zhang vd. FLUENT yazılımını kullanarak, ticari bir araç içerisindeki ısı dağılımı incelenmiştir. Çalışmada, araç içerisinin basite indirgenmiş modeli oluşturulmuş, zamana bağlı ve kararlı durum (steady-state) olmak üzere iki farklı şekilde çözüm alınmıştır. Analiz sonuçlarının test verileriyle uyumlu olduğu gözlemlenmiştir [1].

Puasopis vd. zırhlı bir araç için IHİ (Isıtma, Havalandırma, İklimlendirme) sisteminin CFD analizini gerçekleştirerek akış dağılımı incelenmiştir. Toplamda beş sensör, personel koltuklarının kafalık kısmının üzerine yerleştirilerek hava akış hızları ve sıcaklıkları ölçülmüştür. Analiz ve test sonuçları karşılaştırıldığında oluşan farklılık, sıcaklık faktörünün CFD sonuçlarına olan etkisiyle açıklanmıştır [2]. 

Bilgisayar Destekli Benzetim programları yoluyla araç içerisindeki hava akış dağılımları ve sıcaklık değerleri öngörülebilmekte ve test yöntemlerine oranla daha ucuz tasarım çıktısı sağlanabilmektedir [3].

4. YÖNTEM

Bu bölümde öncelikle yürütülen test adımları açıklanacak, ardından benzetim modelinin hazırlanması ile dikkat edilecek noktalar açıklanacak ve elde edilen sonuçlar paylaşılacaktır.

4.1 Test ve Ölçülendirme Koşulları

ASHRAE 55 Standardı [4], insanlar için kabul edilebilir ısıl konforu tanımlayan ve olumsuz sağlık etkilerini en aza indirgemek için gerekli olan değişkenleri belirler. Bu standart ışığında, zırhlı araçtaki evaparatörün personel bölgesindeki menfezlere olabildiğince eşit şekilde hava akışı sağlaması amacıyla ölçümler alınmıştır.

Araç içerisinde altı farklı menfez çıkışından, çevresel koşul ölçer (PCE-EM 883 klima ölçer) cihaz yardımıyla altı farklı hız verisi alınmıştır.

4.2 Sayısal Yöntem

Klima ünitesinin yalnızca içerisindeki hava hacmi modellenmiş, korunum denklemleri ANSYS Fluent 2021 R1 yazılımı kullanılarak çözülmüştür.

Kararlı Durum (Steady-State) koşulunda bir çözüm alınmış ve enerji denklemleri kullanılarak hava giriş sıcaklığı tanımlanmıştır. Öz kütle ve viskozite değerleri giriş sıcaklığına uygun derecedeki hava için verilen değerlerdir. Yapı üzerinde gerçekleştirilen sadeleştirmeler, akış karakteristiğine etkisi olmayacak şekilde modele uygulanmıştır. Analizler üç boyutlu olarak gerçekleştirilmiştir. Sayısal analizde kullanılan geometrik model, Resim 1’de gösterilmiştir.  “1, 2, 3, 4” ile gösterilen kesitlerden, IHİ sisteminin gerçek sıcaklık ve debi değerlerine eşdeğerde hava sisteme giriş yapar ve daha sonra personel kabinine açılan menfezlerden çıkış yapar.

Resim 1. Hava Akışı Giriş Yüzeyleri

Modellerde debi girişi ’KÜTLE AKIŞ GİRİŞİ’(MASS FLOW INLET)’, basınç çıkışı ise ’BASINÇ ÇIKIŞI’(PRESSURE OUTLET)’ sınır şartı ile tanımlanmıştır. Sistemin atmosfere açılan çıkışlarında kararlılığı artırmak amacıyla Resim 2’de gösterilen yarım küre hacimler eklenmiştir.

Resim 2. Sistemin Atmosfere Açılan Yüzeyleri

Çıkış bölgelerinde hava atmosferik basınçtadır ve çevre sıcaklığı sabit 30 ^oC olarak kabul edilmiştir.

4.2.1 Sonlu Elemanlar Modeli

Sayısal analizlerde, uygulanan ağ yapısı, analiz sonuçlarının doğrulukla hesaplanması ve hesaplama süresinin azaltılması açısından çok önemlidir. Bu çalışmada farklı modelleme yöntemlerinin analiz sonuçlarına olan etkisi incelenecektir.

Çalışmada, hava hacmi dışında kalan katı parçaların sonlu elemanlar modeli oluşturulmamış, yazılıma, modelin yalnızca akışkanlardan oluştuğu tanımlanmıştır.

Analiz modellerinde yüzey eleman boyutları en az 1 mm en fazla 5 mm iç hacimdeki elemanların boyutu ise maksimum 8 mm. olacak şekilde oluşturulmuştur. Çalışmada farklı eleman tipleri ve yöntemler uygulansa da bu eleman boyutları doğru bir karşılaştırma yapılması açısından sabit tutulmuştur.

Resim 3. Tetrahedral Elemanlarla Oluşturulan Modelin Kesit Görüntüsü

Sonlu eleman modelinde ilk olarak üç boyutlu ‘tetrahedral’ ağ yapısı kullanılmış ve Resim 3’te gösterilmiştir. Bu eleman modeli yüzeylerde ‘üçgen’, iç hacimde ise ‘tetrahedral’ elemanlar barındırmaktadır. Analiz, Fluent yazılımı üzerinden verilen sınır şartlarına uygun olarak çalıştırılmış, sonuçlar paylaşılmıştır.

Ardından, ikinci sonlu elemanlar modelinde, eleman ağı aynı şekilde ‘tetrahedral’ elemanları barındırmaktadır. Ancak bu modelde farklı olarak belirli bölgelere ‘ETKİ YAPISI’ (BODY OF INFLUENCE – BOI) eklenmiştir (Resim 4).

Resim 4. Ağ İyileştirmesi Amacıyla Sisteme Eklenen Body of Influence

BOI, belirli bir geometrik şeklin (örneğin, bir silindir veya küre) içindeki akış alanının ağ boyutunu değiştirmek ve ağ iyileştirmesi sağlamak için kullanılır. BOI geometrik modele katılmaz ve üzerine ağ atılmaz, yalnızca ağ boyutunun özelleştirileceği alanı temsil eder. BOI sayesinde sonlu elemanlar modelinde, daha hassas bir hesaplama yapılması gereken kısımlar belirlenmiş, bu kısımlar daha küçük boyutlu elemanlarla temsil edilmiştir. Bu şekilde hesaplama süresi uzatılmadan, daha hassas bir çözüm alınmıştır.

Resim 5. Poly-Hexcore Elemanlarla Oluşturulan Modelin Kesit Görüntüsü

Son olarak üçüncü sonlu elemanlar modelinde eleman tipi, poly-hexcore olarak seçilmiştir. Resim 5’te verildiği üzere bu model, geniş alanlarda ‘octree hexahedral’ elemanları, sınır yüzeylerinde izotropik ‘poly-prism’ elemanları ve geçiş bölgelerinde mozaik ‘Polyhedral’ elemanları barındırır.

Bu ağ tipi, karmaşık geometrilere sahip sistemlerin sayısal analizi için tasarlanmıştır. Bu modele, sonuçlara olumlu katkısı olduğunun gözlemlenmesi nedeniyle BOI eklenmiştir.

5. ANALİZ SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ

Son olarak, analiz modelleri çalıştırılmış ve sonuçlar kayıt edilmiştir. Resim’6 da klima ünitesinin içerisindeki hava akış dağılımı, çizgisel olarak görselleştirilmiştir.

Resim 6. Klima İçerisindeki Hava Akış Çizgileri

Test ve analiz sonuçlarının karşılaştırılması amacıyla tüm menfez çıkışlarından hız değerleri alınmış ve Tablo 1’de değerler normalize edilerek verilmiştir.

Tablo 1. Normalize Edilmiş Test ve Analiz Sonuçları

6. SONUÇ

Hava kanalı modelinde gerçekleştirilen akış analizi sonuçları karşılaştırıldığında BODY OF INFLUENCE’ un tetrahedral elemanlarla oluşturulan modele eklenmesi, sonuçları test verilerine yaklaştırmıştır. Eleman tipi olarak Poly-Hexcore seçildiğinde ve Body of Influence katıldığında sonuçların test verilerine yüzde 90 değerinde yaklaştığı gözlenmiştir. Gelecek çalışmalarda, karmaşık geometrilerle yapılan CFD çalışmalarında, sonlu eleman modeli oluşturulurken Poly-Hexcore eleman tipi kullanılması önerilmektedir.

Gelecekte ünite içerisine yerleştirilebilecek bir yönlendirici ile menfez çıkışlarına daha homojen bir akış dağılımı sağlanabilir. Bu çalışmanın sağladığı doğrulama ile yürütülecek akış analizi sonuçları, dağıtıcı tasarımının geliştirilmesine değerli katkılar sunabilir.

KAYNAKÇA

1. Zhang, H, Dai, L., Xu, G., Li, Y., Chen, W., & Tao, W. Q. (2009). Studies of air-flow and temperature fields inside a passenger compartment for improving thermal comfort and saving energy. Part I: Test/numerical model and validation. Applied Thermal Engineering, 29(10), 2022-2027.

2. Puasopis,P., Ridluan, A.(2018). Validation of HVAC System Simulation for Armored Vehicle. International Journal of Industrial Electronics and Electrical Engineering,  Volume-6, Issue-11, Nov.2018.

3. Güler, B. A., & Imamoglu, E. (2020). BİLGİSAYAR DESTEKLİ SİMÜLASYON VE HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ. Türk Bilimsel Derlemeler Dergisi, 13(1), 42-52.

4. ASHRAE American Society of Heating Refrigerating and Air   Conditioning    Engineers, Standard   55,“Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy”, Atlanta, 1992.w