Abstract

This paper presents a study of the combined influence of battery models and sizing strategy for hybrid and battery-based electric vehicles. In particular, the aim is to find the number of battery (and supercapacitor) cells to propel a light vehicle to run two different standard driving cycles. Three equivalent circuit models are considered to simulate the battery electrical performance: linear static, non-linear static and non-linear with first-order dynamics. When dimensioning a battery-based vehicle, less complex models may lead to a solution with more battery cells and higher costs. Despite the same tendency, when a hybrid vehicle is taken into account, the influence of the battery models is dependent on the sizing strategy. In this work, two sizing strategies are evaluated: dynamic programming and filter-based. For the latter, the complexity of the battery model has a clear influence on the result of the sizing problem. On the other hand, a modest influence is observed when a dynamic programming strategy is followed.

Abstract

We study a PDE-constrained optimization problem, where the shape and liner material of the nacelle of an aircraft engine are optimized in order to minimize the noise radiated by the engine. More precisely, the acoustic problem is modeled by the Helmholtz equation with varying wavenumber kon an exterior domain. A model reduction strategy is employed to alleviate the cost of the design optimization: the minimal rational interpolation technique is used to construct a surrogate (w.r.t. k) for the quantity of interest at fixed shape/material parameter values, and a parametric model order reduction approach is employed to combine surrogates at different shape/material designs, resulting in a nonintrusivemethodology. Numerical experiments for shape and shape/material optimization are provided, to showcase the effectiveness of the presented methodology.

Abstract

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015 Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2015 Metro depo sahasında; araçların park edilmesi, işletilmesi, temizliği, bakım ve onarımı, tamir ve yenilenmesi, günlük bakımı, malzemelerin sağlanması gibi gereksinimleri karşılayacak tesisler bulunmaktadır. Bu tesislerin tasarımı yapılarken dikkat edilmesi gereken birçok etken ve tasarım ölçütü vardır. Bu tez çalışmasında öncelikli olarak İstanbul’daki metro hatlarından ve bu metro hatlarının depo sahalarından söz edilmiştir. Ardından metro depo sahasının tanımı ve bileşenleri açıklanmış, metro depo sahası tasarımını etkileyen etkenler ve tasarım ölçütleri sıralanmıştır. Daha sonra İstanbul Üsküdar-Ümraniye-Çekmeköy metro hattı depo sahası anlatılarak, ihale dokümanındaki uygulamaya esas kesin proje tasarımı incelenmiş ve yeni bir metro depo sahası ön proje tasarımı geliştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar belirlenerek, metro depo sahası tasarımı yapılırken göz önünde bulundurulması gereken yeni öneri ve yaklaşımlar getirilmiştir. Metro depo sahası tasarımını etkileyen etkenler; konum ve yer seçimi, işletme, atölye binası ve bakım hizmetleri, araç park hatları, metro araç özellikleri, karayolu bağlantısı, şehir ve çevre etkileşimi, metro depo sahası bağlantı yolu, güvenlik, elektromekanik sistemler, altyapı, üstyapı ve hat geometrisi olarak sıralanabilir. Tasarım ölçütleri olarak, metro hattı tasarım ölçütleri, atölye yapıları tasarım ölçütleri, çevresel gürültü ve çevresel titreşim ölçütleri dikkate alınmalıdır. Depo sahasının konumu ve yeri seçilirken, hizmet edeceği metro hatlarına yakın olmasına dikkat edilmelidir. Seçilen arazinin, istenilen tesislerin yerleşimine uygun koşullarda, büyüklükte olması ve topoğrafyasının engebesiz olması gerekir. İşletme için kumanda ve kontrol merkezinin bulunduğu, bütün metro hattı ve depo sahasının denetiminin yapıldığı bir işletme binası tesis edilmelidir. İşletme binası ve tesisleri tasarlanırken, tüm işletme senaryolarına uygun ve elverişli yerleşimler yapılmalıdır. Atölye binası ve bakım hizmetleri, bütün araçlara servis sağlayabilecek kapasiteye göre belirlenir. Çift taraftan girişli atölye binası tasarımı daha çok tercih edilse de, arazinin durumuna göre tek taraftan girişli atölye binası da tasarlanabilir. Metro depo sahasının ana amacı metro araçlarına hizmet vermek olduğu için, araç özelliklerine göre bütün tesisler şekillenir. Araçların statik ve dinamik gabarisi, uzunlukları ve kullanılabildikleri hat geometrisi özelliklerine göre, dolanım hatlarının, atölye hatlarının, park hatlarının ve tesislerin yerleşimi yapılır. Karayolu bağlantıları sayesinde depo sahası çalışanlarının ulaşımı, malzeme temini ve metro araçlarının depo sahasına ulaşımı sağlanabilir. Acil durumlarda karayolunu kullanacak acil durum ekiplerinin araçlarına uygun olarak karayolu tasarımlarının yapılmasına dikkat edilmelidir. Şehir ile uyum içerisinde, gürültü ve titreşimlerin denetim altında tutulduğu, atıkların toplanması ve bertarafı için çevreci tesislerin kurulduğu, kirlenmiş suların arıtıldığı ve çevreci bir drenaj sisteminin bulunduğu bir depo sahası tasarımı yapılarak çevre etkileri azaltılmalıdır. Bağlantı yolu; metro hattı ile depo sahası arasındaki ulaşım güvenilirliğini sağlamalı, bir aksaklık durumunda farklı güzergahlarla ulaşım devam etmelidir. Depo sahasının güvenliği için giriş ve çıkışlar denetim altında tutulmalı, izinsiz girişleri engellemek için duvar ve çitlerle arazinin çevresi korunmalıdır. Can güvenliği için insanların araç hatlarına geçişi sınırlandırılmalıdır. Araçların cer gücünü karşılayacak cer trafo merkezi ve uygun katener sistemleri tasarlanıp, araçları denetlemek ve trafik akışını sağlamak için sinyalizasyon donanımları tesis edilmelidir. Altyapı için uygun malzeme seçilerek, gerekli olan şev ve duvar yerleşimleri yapılmalıdır. Yeraltı suyu ve yağmur suyunun denetimi drenaj sistemi ile sağlanarak zeminin kararlılığı korunmalıdır. Depo sahasının yapısına göre balastlı ya da balastsız üstyapı tipi seçilerek tasarım şekillenir. Yapılar içerisinde bulunan hatlar daha çok balastsız üstyapı tipinde yapılırken, doğal zemin üzerinde bulunan hatlar çoğunlukla balastlı üstyapı tipinde yapılmaktadır. Hat geometrisi, depo sahası yerleşimini en çok etkileyen etken olduğu için, yatay ve düşey geometri tasarımları dikkatle yapılmalıdır. Metro araçlarının özelliklerine uygun ve hizmet kapasitesini düşürmeyen özellikte, yatay ve düşey geometri elemanları ile makaslar belirlenip tasarımlar yapılmalıdır. Tasarımı etkileyen etkenlerin yanı sıra, tasarıma ilişkin belirlenmiş olan ölçütler de göz önünde bulundurulmalıdır. Metro depo sahası hatları; hat tasarım ölçütlerine bakılarak, hat geometrisinde istenen şartları sağlamalıdır. Atölye yapıları tasarım ölçütleri de dikkate alınarak, atölye gereksinimleri ve alanları belirlenir ve atölye tasarımı tamamlanabilir. Metro hatları ve depo sahaları yerleşim yerlerinde bulunduğu için, çevreye verdiği rahatsızlıkları belirli seviyelerin altında tutmak amacıyla, çevresel gürültü ve çevresel titreşim ölçütleri dikkate alınmalıdır. Metro depo sahası tasarımını etkileyen bu etkenler ve ölçütler ışığında, Üsküdar-Ümraniye-Çekmeköy metro hattı depo sahası için ihale dokümanında hazırlanmış olan uygulamaya esas kesin proje tasarımı incelenmiş, eksiklikleri belirlenmiş ve yerine yeni bir ön proje tasarımı hazırlanmıştır. Üsküdar-Ümraniye-Çekmeköy metro hattı depo sahası için topoğrafyası engebeli bir arazi ayrılmıştır. Hat, İstanbul’un yoğun yerleşim bölgesinde planlandığı için, depo sahasının yapılabileceği uygun bir arazi bulmak zordur. Kamulaştırma bedellerinin yüksek olması ve kamulaştırmalara karşı açılan davaların uzun yıllar boyunca sürmesi de göz önünde bulundurulduğunda, elde olan arazinin kullanılmasına karar verilmiştir. Daha etkili ve verimli bir şekilde arazi kullanımı sağlamak amacıyla, 110 m ve 120 m olmak üzere iki ayrı kotta, kademeli bir şekilde depo sahası tasarımları yapılmıştır. Tam otomatik sürücüsüz sistem ile işletim için, gerekli kumanda ve kontrol merkezi, sinyal sistemi ve hat tasarımı ile depo sahası tasarımları düzenlenmiştir. Atölye bakım hatları ve atölye binası içindeki teknik alanlar, ilgili ölçütler dikkate alınarak yeniden tasarlanmış, ortaya daha büyük ve yüksek kapasiteli bir atölye tesisi çıkmıştır. Araç park hatlarının sayısı 33’ten 68’e çıkarılmıştır. Alınacak araçlar belirlenerek, araç özellikleri tasarımlarda göz önüne alınmıştır. Depo sahasını kullanan metro hatlarının girişleri birbirinden ayrılarak, işletme açısından ortaya çıkabilecek karışıklıkların ve oluşabilecek araç trafiğinin önüne geçilmiştir. İtfaiye araçlarının ve büyük tırların kullanımına uygun, depo sahası içerisindeki bütün tesislerin ulaşımını sağlayan karayolu bağlantıları yapılmıştır. Tam otomatik sürücüsüz sistemde güvenlik sorunları çıkaracak hemzemin  geçişler kaldırılmış, yalnızca araçların elle kumanda edildiği atölye girişlerinde hemzemin geçişler konulmuştur. Gürültü ve titreşim azaltıcı çözümler getirilmiş, çevreci bir drenaj ve atık kaldırma sistemleri tasarlanmıştır. Metro hatları ile depo sahası arasındaki ulaşım güvenilirliğini sağlayacak, farklı güzergahlarla ulaşım sağlayabilen bağlantı yolları tasarlanmıştır. 800 m uzunluktaki test hattı bağlantı yolu üzerine yerleştirilmiştir. Tesisin güvenliği için yüksek duvar ve tel çitler konulup, kameralarla denetim sağlayabilecek tasarımlar sunulmuş, can güvenliği için hatlara insan erişimini engelleyecek tel çitler yerleştirilmiştir. Araçlara cer gücünü sağlayacak trafo merkezi ve rijit katener sistemi hazırlanmış, elektrik kesintisinde hizmete girecek bir kojeneratör sistemi tasarımlara eklenmiştir. UIC 54 (54 E 1) tipi ray ve ön germeli beton travers ile balastlı üstyapı sistemi kurularak depo sahası yerleşimleri yapılmıştır. Atölye binası içindeki bakım hatları için, betona gömülü oluklu ray ile balastsız üstyapı sistemi seçilmiş ve iki katlı park hatları binasının alt katındaki park hatlar için, betona sabit balastsız üstyapı sistemi seçilmiştir. Hat geometrileri tasarlanırken, arazi koşulları nedeniyle düşey geometri ölçütleri aşılmak zorunda kalınmıştır. Çekici araçların bu düşey geometri koşullarına uyumlu olması ve yeterli güce sahip olması durumunda, ortaya çıkabilecek olumsuzlukların önüne geçilebilir. En küçük yatay kurp yarıçapı 80 m, en küçük düşey kurp yarıçapı 2000 m, en büyük eğim %4 ve makas tipi 1/7 R 140 seçilerek tasarımlar yapılmıştır. Metro depo sahası tasarımları yapılırken, işletmenin gereksinimleri, araç özellikleri önceden bilinmeli ve tasarım ona göre şekillenmelidir. Daha verimli olan tam otomatik sürücüsüz sistem tercih edilmelidir. Depo sahasında hız ve konforun düşük olması ve yerleşim bölgesinde uygun arazi yapısı olan bir alanın bulunmasının zor olması göz önünde bulundurularak, hat geometrisi ölçütleri ve standartları konusunda daha esnek olunmalıdır. Metro depot area is needed to include operating, cleaning, maintenance and repair, overhaul, material requisition and parking areas for vehicles. Designing these facilities, many factors and criteria have to be taken into account. First of all, Istanbul metro lines  and their depot areas are mentioned in this thesis study. Then designing factors and criteria for a metro depot area are highlighted. Afterwards, final design project in the contract of Istanbul Uskudar-Umraniye-Cekmekoy metro line is being analyzed and a new conceptual design project for metro depot area is being developed. Finally, by taking into consideration of the results indicated, new suggestions and aspects about metro depot design are being made. Factors for designing metro depot area are; location and site selection, operation, workshop and maintenance services, parking tracks, vehicle features, rood connection, city and environment interaction, access tracks, security, electromechanical systems, infrastructure, superstructure and track geometry parameters. Criterion of track design, criterion of workshop design and criterion of environmental noise and vibration are needed to be taken in consideration as design criterions. Metro depot area is needed to be close to the metro lines which are being connected. The area is needed to be appropriate and big enough for the selected facilities, and smooth terrain are better to establish the facilities. Operation building and facilities are being designed and areas are being selected which are appropriate and sufficient for entire operational scenarios and have control center. Requests of operator firm are being considered in the name of not having trouble during operation. The capacity of workshop and maintenance services is determined regarding to the serving to metro vehicles. Double entry workshop is generally being preferred. However, single entry workshop may be designed according to the field situation. As the main purpose of a metro depot area is serving to metro vehicles, the facilities are designed according to properties of metro vehicles. Settlement of the tracks, workshop and the other facilities are being done accordingly static and dynamic gauge, length of the vehicles and properties of appropriate track geometry. Proper highway connections are needed for the transportation of workers, materials and metro vehicles. Rood design is necessary in the state of emergency for the emergency response vehicles using the roods. In concordance with city, controlling over the noise and vibration are required by designing of depot area. Environmental impacts are being reduced by compatibility with city and environmental, keeping under control environmental noise and vibration, storage and disposal of wastes, treatment of waste water and ecological drainage systems. Access tracks provides security between metro line and depot area and in case of trouble it should be maintained the transportation with different routes. For the security of depot area, entry and exit points are needed to be controlled and protected with hedges and walls against intrusions. Access of people to track corridors should be limited for security of life. Traction transformer and appropriate catenary systems are being designed to meet the traction force of vehicles. Necessary facilities for signage systems are being established on behalf of controlling the vehicles and traffic stream. Required side slopes and retaining walls settlements are being done by selecting the proper material for infrastructure. Infrastructure design is needed to be developed by providing drainage system to control groundwater and storm water. The stability of soil could be provided by means of drainage system. Design is being shaped by selecting ballasted track or ballastless track according to the configuration of depot area. Generally, tracks in building are ballastless and tracks on soil are ballasted. Track geometry is the main factor on settlement of a depot area. Tracks are being settled by horizontal and vertical geometry design and selection of turnout geometry which are appropriate for depot area. These geometries are needed to be appropriate for vehicles and nonrestrictive for the capacity of metro depot area. Beside of these factors, regarding design criterions is required to be considered. Preferred conditions on track geometry are being provided thereby the design criterions of track geometry. Design of workshop can be completed by determining the necessity and area of workshop considering workshop design criterions. To keep under control environmental disturbance, environmental noise and environmental vibration criterions are needed to be considered. The final design project in the contract of Istanbul Uskudar-Umraniye-Cekmekoy metro line is being analyzed and its deficiencies are being disclosed in the light of design criterions and factors of metro depot. In place of this design, new conceptual design project is being developed. Metro depot area in the project has rugged terrain. Since the metro line is projected on intensive residential area of Istanbul, it is hard to find an appropriate land for depot area. Because of high level of expropriated price and long cases against expropriation, it is decided to continue to work on same land. Therefore, with the purpose of efficiently usage of the land, depot area is being designed by arranging land on two different elevations which are 110m and 120m. Design of the depot area is arranged by control center, signal system and track design for unmanned full-automatic operation system. Capacity of workshop building and depot area is expanded by integrating two workshop building in different areas. Daily cleaning services are taken to parking tracks. Number of vehicle parking lines is increased from 33 to 68. New design project is shaped regarding to properties of metro vehicles. Depot area entrance of subway lines is being separated for the purpose of preventing disorder and potential vehicle traffic. A new road design is being developed for the usage of fire trucks and trailer trucks. All facilities are connected with road. Level crossings are settled only at the entrances of workshop which vehicles controlled manually to avoid safety problems on unmanned full-automatic operation system. Ecological drainage systems, storage and disposal of wastes and equipment for restriction of environmental noise and vibration are designed. Access roads are planned to provide reliability of transportation between metro lines and depot area and also different routes. 800-meter-long test track is settled on access road. Razor wire and wire fences on high walls and monitor system are designed for the security of properties. For the security of life, wire fences are put to prevent access to tracks. A transformer and rigid catenary system are prepared to provide traction force for vehicles. A cogenerator system is added to design to put into service in case of power cut. Ballasted track system with UIC 54 (54 E 1) type rail and pre-stressed concrete sleeper are selected and settled. In the workshop building, superstructure should be as flange rail embedded in concrete. On ground floor of parking building, superstructure should be as ballastless track. Because of condition of terrain, it is contravened vertical geometry criterions. To prevent problems of this situation, shunting vehicle is needed to be proper to the vertical geometry. The minimum radius of horizontal curve as 80 m, the minimum radius of vertical curve as 2000 m, the maximum slope as 4% and turnout type as 1/7 R 140 are selected then design is prepared. By designing a metro depot area, requirements of the operating firm, properties of vehicles should be known before designing period and design is needed to be shaped accordingly. Unmanned full-automatic operation system should be selected for further efficiency. The speed and comfort in the depot area is restricted, and it is hard to find an appropriate land in urban area. Therefore, flexibility is needed on criterions and standards of track geometry. Yüksek Lisans M.Sc.

Abstract

This article presents the approach used for the design optimization of heavy vehicles such as urban buses and"br" delivery trucks as a part or the ORCA European Project. A methodology to find the optimal combination of"br" hardware components and energy management strategy is presented and the use cases where it will be applied are"br" described."br" To achieve the optimal results, the vehicles need to be modeled with an appropriated methodology that allows for"br" both performance evaluation and energy consumption assessment in short times. To achieve both objectives, the"br" “forward” vehicle modeling, together with static or “low fidelity” models is proposed. Several simulation examples"br" in both electric and conventional mode are given. These models will be used to assess several potential vehicles"br" design, assess their performance, consumption and eventually estimate the total cost of ownership.

Abstract

This work is aimed at investigating the capability of a fully predictive computational fluid dynamics (CFD) approach to catch the main features of the liquid flow in pipelines equipped with corrugated static mixer inserts. The simulations are based on the numerical solution of the Reynolds averaged Navier−Stokes equations on the three-dimensional domain closely representing the static mixer geometry. As a benchmark, literature experiments on a laboratory scale SMV mixer were considered and the simulation results obtained at different locations were compared with relevant velocity and tracer concentration data. The effect of the turbulence modeling, the near-wall treatment, and the numerical approximations on the accuracy of the results is discussed. The results analysis demonstrated that the selected CFD model can be reliably adopted to evaluate the velocity field and the mixing performances of turbulent flows in static mixers for design and optimization purposes. On the other hand, the application of the same model to an industrial scale corrugated plate mixer highlighted the effects of the distributor geometry and of the distance between consecutive elements on the mixing of two miscible liquids.