Theoretical data driven vortex tube separator performance predictor model

Abstract

Bu çalışma, vorteks tüp ayırıcıların neden olduğu basınç kaybını tahmin etmek amacıyla teorik veri ile beslenmiş bir modelin geliştirilmesini tanıtmaktadır. Vorteks tüp ayırıcılar, helikopter motorlarının toz ve yabancı madde kaynaklı hasarlardan korunmasında önemli bir rol oynamaktadır. Bu sistemlerin etkin bir şekilde tasarlanabilmesi, aerodinamik performansın doğru şekilde öngörülebilmesini gerektirir. Tam ölçekli hesaplamalı akış dinamiği simülasyonlarının yüksek hesaplama maliyetine karşılık olarak ölçeklenebilir ve regresyona dayalı bir tahmin modeli önerilmiştir. Bu kapsamda farklı akış hızları ve hücum açıları altında belirli aerodinamik parametreleri elde etmek için küçük sayıda tüp içeren vorteks tüp ayırıcı panelleri üzerinde hesaplamalı akış dinamiği analizleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen veriler, yüzey basıncı, kütlesel debi ve akış yönelimi gibi girdilerden oluşmaktadır. Tüp sayısı, logaritmik Reynolds sayısı ve açısal dinamik basınç gibi çıktılar analiz edilerek çok değişkenli bir doğrusal regresyon modeli oluşturulmuştur. Geliştirilen model R²=0.9835 gibi yüksek bir determinasyon katsayısına ulaşarak simülasyon sonuçlarında gözlemlenen ve doğrusal olmayan eğilimleri başarılı bir şekilde yakalayabilmiştir. Bir sonraki adımda teorik basınç kaybı hesaplamalarının sonuçları ile karşılaştırıldığında da fiziksel anlamlılık açısından tutarlılık sergileyerek kabul edilebilir düzeyde bir tahmin doğruluğu sunmuştur. Model, aynı zamanda tasarım değişkenlerine karşı duyarlılık analizi yapılmasına da olanak tanımaktadır. Ayrıca, model çıktılarının mühendislik karar destek süreçlerinde kullanılabilirliği test edilmiştir. Eğitilmiş veri aralığı dışındaki büyük panellerin sonuçlarını tahmin etme yeteneği sınırlı olsa da eğitim aralığı içerisindeki ara noktaların tahminlerinde etkili bir performans göstermiştir. Sonuç olarak bu çalışma, vorteks tüp ayırıcı panellerinin ön tasarım aşamalarında kullanılabilecek hızlı ve düşük maliyetli bir performans değerlendirme aracı ortaya koymuştur. Ayrıca oluşturulan veri seti, gelecekteki çalışmalarda yapay zekâ tabanlı modellerin eğitilmesinde de kullanılabilir niteliktedir.This research introduces the development of a theoretical data-driven model to estimate pressure loss caused by vortex tube separators (VTS) in helicopter engine intake systems. These separators are critical components for foreign object damage prevention, particularly in challenging operational environments. By proposing a scalable, regression-based predictive model, the computational inefficiency of performing full-scale CFD simulations was addressed. High-fidelity CFD simulations were performed on small-scale vortex tube separator configurations (1x1, 3x3, 5x5) to extract key aerodynamic parameters for multiple freestream velocities and angles of attack. These outputs were analysed to construct a multivariable linear regression model, where variables are tube count, logarithmic Reynolds number, and dynamic pressure due to the orientation of the incoming flow. The model achieved an R² value of 0.9835. This value confirms that the model captured nonlinear trends obtained in simulation results. In comparison to theoretical pressure loss calculations, the model demonstrated physical consistency and acceptable predictive accuracy. Additionally, its simplicity allows for rapid evaluations of different design alternatives during the conceptual design phase. While the extrapolation capability of the model to bigger panels was constrained, it proved effective for interpolation within the trained domain. The modeling approach also enables sensitivity analysis to explore the influence of each input variable on pressure loss. Moreover, the generated dataset can be further used to train advanced machine learning models for future studies. Overall, the approach reduces reliance on resource-intensive simulations, enabling faster turnaround in engineering workflows. This study offers a quick, low-cost method for preliminary design and assessment of VTS panels, making it a useful tool for early-stage integration in rotorcraft engine air particle separation systems.