Jet Akışında Lüle Çıkış Geometrisinin Etkisi

Abstract

Jet akışı bir yapı tarafından yönlendirilerek bir başka akışkan ortamının içine hızla akan akış olarak tanımlanabilir. Bu hedef akış da belirli bir hıza sahip olabileceği gibi durağan bir ortam, örneğin atmosfer, de olabilir. Jet akışı endüstriyel ve günlük uygulamalarda yaygın olarak kullanılması sebebiyle mühendislik açısından ayrıca önem arz etmektedir. Kullanım alanları olarak yanma odaları, havalandırma sistemleri, karıştırıcılar, jet motorlarının egzoz akışları vs. verilebilir. Burada jet akışlarından kaynaklı sorunlardan da söz edilebilir. Bunlara örnek olarak uçak motorlarının egzoz gürültüsü, havalandırma sistemlerinde oluşan gürültüler, yakıt-hava karışımında yaşanan sıkıntılardan bahsedilebilir. Bunların çözümü jet akışının yapısını anlamaktan geçmektedir. Hangi parametrelerin hangi akış özellikleri ve yapılarını etkilediğini anladığımız takdirde sorunları çözmek için yöntemler geliştirebiliriz. Bu açıdan jet akışı üzerine etkisi olan etmenler mühendislik açısından çekici bir konu haline gelmektedir. Bu çalışmada bir lüleden çıkan jet akışı ele alınacaktır. Lüle çıkış geometrisinin önemi yüksektir. Bu konu üzerinde bazı çalışmalar yapılmış ve lüle çıkış geometrisinin jet akışı üzerinde etkili bir parametre olduğu ortaya çıkmıştır. Bazı çalışmalarda yonca şeklinde, yaprak sayısına göre isim almaktadır, lüleler ile çalışılmış ve olumlu sonuçlar alınmıştır. Ancak bu etkilerin kısa süreli olduğu görülmüştür. Bir diğer şekil ise dörtgen şeklinde olanlardır. Burada köşeli çıkış geometrilerinin köşe etkisi sebebiyle yuvarlak lülelere göre daha etkin olduğu görülmüştür. Burada etkinden kasıt hem gürültü hem de karışımı açısından önemli olan karıştırma hızının yüksek olmasıdır. Karıştırma hızı jet akışı ile dış akış arasındaki hız farkının ne kadar hızlı azaldığının da bir ölçüsüdür ve yüksek olması tercih edilmektedir. Çalışmada 3 tane çıkış geometrisi ele alınacaklardır, bunlar yuvarlak, 3 yapraklı yonca ve eşkenar dörtgen geometrileridir. Bu çıkış geometrilerine sahip lüleler çıkış alanları aynı olacak şekilde yapılandırılacaklardır. Aynı zamanda giriş alanları da eşit olacaktır. Böylece tek etkenin çıkış geometrisi olduğu varsayımı yapılacaktır. Lülelerin hepsi simetrik olduğu için bu özellik de çalışmada zaman kazandırıcı yönde kullanılmıştır Öncelikli olarak belirlenen lüle konseptleri incelendikten sonra ölçülendirmeler yapılmıştır. Bu ölçülendirmeler test sisteminin yapısı, gerekli hata payı limitlerinin sağlanması, detaylı ölçüm alınabilecek kadar büyük ama sistem hava akışı kapasitesini aşmayacak kadar küçük ölçüler kullanılması hedef alınarak gerçekleştirilmiştir. Ölçüler belirlendikten sonra Bilgisayarlı Mühendislik programlarıyla katı model halinde hazırlanmıştır. Daha sonra gerekli akış alanı ölçümlendirmeleri yapılıp akış alanlarının CAD modelleri hazırlanmıştır. Bu akış alanları için ticari bir Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği, HAD, programına entegre mesh programı vasıtasıyla ağ yapısı hazırlanmıştır. Çalışmanın sayısal kısmında bazı geometriler için simetri ve bazı geometriler için periyodiklik kabulü yapılmıştır. Böylece bilgisayar kaynağı gereksinimi azaltılmıştır. Bu ağ yapısı ile gerekli sınır ve başlangıç şartları da kullanılarak HAD analizleri gerçekleştirilmiştir. 3 geometri için HAD çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Bu geometrilerden 2si aynı zamanda deneysel çalışmada kullanılmıştır. Yuvarlak lüle alüminyum malzemeden CNC tezgâhında üretilmiştir. Eşkenar dörtgen lüle ise 3 boyutlu yazıcı ile üretilmiştir. Bu lülelerin dinlenme odasına bağlanması için gerekli parçada çalışma esnasında tasarlanıp pleksiglas malzemeden CNC tezgahda üretilmiştir. Deneysel çalışmalarda Laser Doppler Anemometry, LDA, yöntemi kullanılarak hız alanı ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Buradan ortalama ve türbülanslı akış parametreleri hesaplanmıştır. LDA sisteminin ayarları yapılarak, gerekli parametrelerin en uygun seviyelere gelmesi sağlanmıştır. Sayısal ve deneysel çalışma sonuçları karşılaştırılarak sayısal çözüm gerçeklenmiştir. Aynı zamanda çıkış geometrisi ve akış üzerine etkisi ile ilgili değerlendirmeler yapılmıştır. Bu aşamadan sonra CFD sonuçları karşılaştırılarak lüle çıkış geometrisinin akış üzerine etkisi sayısal olarak belirlenmeye çalışılmıştır. Gerekli iyileştirme ve gelecek dönemde konu üzerine yapılmasının yararlı olacağı düşünülen çalışmalar değerlendirilmiştir.

Nozzles have a widespread usage in the industrial and daily life. For example, combustion chambers, air conditioning systems, jet engine exhausts are nozzles from which high speed jet flow issues. There are problems with the jet flow as well, such as noise which is a source of noise pollution and mixing problems which results in performance reduction. Solution to these problems is disguised in the flow phenomena. That is why understanding the jet flow and parameters affecting it is an important subject. Through this study, effect of the exit geometry of a nozzle on the flow issuing from it was investigated. Firstly nozzles were designed in the light of past work. Different geometrical aspects were tried to be included in the work. CAD drawings were generated. CFD analyses were conducted on the predetermined nozzle geometries after generating a mesh structure on the measurement volume. Secondly, flow parameters were experimentally measured with the help of an LDA system. LDA system settings were adjusted to have an optimum data rate. Necessary post-processing was conducted and results were compared with the CFD data to validate the CFD methodology. A valid CFD methodology was constructed to be used in further research.