LEE- Isı Akışkan Lisansüstü Programı- Yüksek Lisans
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Yazar "Aksoy, Emrah" ile LEE- Isı Akışkan Lisansüstü Programı- Yüksek Lisans'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeSınır tabaka bariyerinin S-kanal içerisindeki hava akışına etkisinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) ile incelenmesi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-01-31) Aksoy, Emrah ; Kavurmacıoğlu, Levent Ali ; 503181132 ; Isı Akışkan ; Heat FluidEğrisel forma sahip kanallar ve borular endüstride birçok alanda sıklıkla kullanılmaktadırlar. Havacılık sektörü, güç üretim sistemleri, iklimlendirme ve havalandırma sistemleri, otomotiv uygulamalarında akışkan transferini gerçekleştirmek için eğrisel kanallar ön plana çıkmaktadır. Özellikle havacılık sektöründe, hava araçlarındaki kısıtlı bölgelerde eğrisel kanallar tercih edilirler. 90 derece dönüşe sahip kanallar ve S şeklinde eğrisel dönüşe sahip kanallar sıklıkla kullanılan eğrisel kanallardır. S şeklindeki kanal akışlarında, akış karakteristiğini etkileyen en önemli parametreler geometrik boyutlar ve akışa ait karakteristik büyüklüklerdir. Tasarlanan kanalın giriş kesiti ve çıkış kesiti arasındaki büyüme oranı, merkez çizgisinin eğrilik yarıçapı ve uzunluğu dikkate alınması gereken parametrelerdir. Özellikle kanal girişinden çıkışına olan alan oranı artışı, kanal içerisindeki akış ayrılmalarını tetikleyen en önemli parametrelerin başında gelmektedir. Ayrıca kanalın dönüş açısı da yüzey üzerindeki basınç dağılımını ve buna bağlı olarak yüzeydeki akışkan hareketini önemli derecede etkilemektedir. Kanal dönüş açısının artması, eğrilik yarıçapı doğrultusundaki basınç farkını arttırır. Bu basınç farkı ile eğrilik yarıçapı yönünde akışkan hareketi meydana gelir ve akışkan parçacıkları yüzeyden ayrılmaya zorlanır. Akışın yüzeyden ayrılması kanal içerisinde istenmeyen basınç kayıplarının oluşmasına yol açmaktadır. Ayrıca yüzeyden kopan akışkan parçaları yüzeye yakın bölgede girdap hareketlerine yol açar ve akışkan hareketinin önünde bir engel oluşturur. Sınır tabaka ayrılmaları ve ikincil akışların ortaya çıkması kanal çıkış yüzeyinde istenmeyen özelliklerde bir hava akışına neden olur. Özellikle beklenenden daha fazla basınç düşmesi ve düzgün olmayan bir hava dağılımı elde edilebilir. Bu durum da kanalın devamına yerleştirilecek olan sistemin daha düşük verimde çalışmasına neden olmaktadır. Kanal içerisindeki hava akışı sonucu ortaya çıkan basınç kayıplarını ve ikincil akışları yok etmek/azaltmak için sıklıkla kullanılan yöntemler vardır. Girdap üreticiler dönüşlü kanallar içerisinde ortaya çıkan akış ayrılmalarını yok etmek için kullanılırlar. Akışın ayrılma eğiliminde olduğu yüzeye gömülen girdap üreticiler, hava akışı içerisinde girdap akımları oluşturarak yüksek momentum akış bölgesinden düşük momentum bölgesine momentum transfer ederek akışın enerjisini arttırır ve yüzeyden ayrılmasını engellerler. Üretimleri ve montajları kolay olmakla birlikte, girdap üreticilerinin geometrik şekilleri, diziliş konfigürasyonları ve adetleri akış üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Üfleme ve emme metodu da akış ayrılmasını engelleme de kullanılan bir diğer yöntemdir. Akışın ayrıldığı yüzey üzerine, ayrılma noktasından daha geriye açılan bir açıklık üzerinden akışkan transfer edilir. Bu sayede ayrılma gerçekleşen yüzey etrafında akışkana enerji kazandırılmış olur. Sınır tabaka bariyerleri de dönüşe sahip geometrilerde, akış boyunca oluşan girdap akımların şiddetini azaltmak için tercih edilirler. Hem iç akış hem de dış akış uygulamalarında kullanılırlar. Girdap akımının oluşmaya başladığı bölgeye yerleştirilen sınır tabaka bariyerleri, teğetsel hız bileşenlerini eksenel hız bileşenine dönüştürerek ikincil akış şiddetini azaltırlar. Bu sayede de ikincil akışlardan kaynaklanan basınç kayıpları azaltılmış olur. Kullanılan sınır tabaka bariyerlerinin geometrik özellikleri, akış özellikleri üzerinde çok büyük etkiye sahiptir. Kullanılan sınır tabaka bariyerinin kesit büyüklüğü akışa karşı bir engel yaratırken ortaya çıkan girdap akımların şiddetini azaltmada etkilidir. Ayrıca sınır tabaka bariyerinin uzunluğu da basınç kayıplarının azaltılmasında önemli bir rol oynamaktadır. Girdap üreticilerle benzer görevi yapan bir diğer uygulama da yüzey oluklarıdır. Yüzeye malzeme eklemek yerine malzeme çıkarılarak yapılan bu işlem, ortaya çıkarılan girdap akımları ile yüksek enerjiye sahip akış bölgesinden düşük enerjiye sahip akış bölgesine momentum transfer ederler. Dönüşlü yapıya sahip bir kanal içerisindeki hava akışının HAD ile analizleri gerçekleştirilmiştir. Kullanılacak olan analiz metodunun doğrulanması için bir test çalışması incelenmiştir. Çalışmada kullanılan hava kanalı HAD ortamında modellenmiştir. Türbülans modeli olarak k-ω SST tercih edilmiştir. Literatürde incelenen iç akış problemlerinin birçoğunda, test ortamında değerlendirilen iç akış problemlerinin HAD analizleri farklı türbülans modelleri ile irdelenmiştir. k-ω SST türbülans modelinin test sonuçları ile oldukça uyum içerisinde olduğu gözlemlenmiştir. 90 derece dirseğe sahip kare kesitli kanal için Re sayısının 342190 olduğu test sonuçlarına göre farklı düzlemlerdeki hız profilleri elde edilmiş ve test verileri ile kıyaslanmıştır. Dirsek bölgesinde kanalın sahip olduğu eğrilikten dolayı radyal yöndeki basınç farkı, hız profilinin bu yönde kaymasına sebep olmuştur. Bu nedenle hız profillerinin HAD ortamında daha doğru yakalanabilmesi için "eğrilik düzeltme" faktörü kullanılmıştır. Eğrilik düzeltmenin kullanıldığı ve kullanılmadığı HAD analiz sonuçları test verileri ile kıyaslandığında, yüksek gradyene sahip hız profillerinin eğrilik düzeltme katsayısı ile daha doğru şekilde tahmin edildiği görülmüştür. Sınır tabaka bölgesi haricinde HAD ve test sonuçlarının uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Sınır tabaka bölgesindeki tutarsızlıklar ise bu bölgedeki ölçümlerin zorluğundan kaynaklanmaktadır. Aynı kanal içerisinde Re sayısının 360000 olduğu durum için de bir test çalışması incelenmiştir. Bu çalışmada da basınç kayıplarını azaltmak için üst duvara tam uzunluklu ve yarım uzunluklu olacak şekilde toplam 5 farklı bariyer yerleştirilerek testler yapılmıştır. Tüm bariyer geometrileri HAD analizleri için de modellenmiştir. Kullanılan 5 bariyer geometrisinde 2 tanesi basınç kayıplarını arttırırken 3 tanesi de basınç kayıplarının azalmasını sağlamıştır. Bu durum HAD analizlerinde de elde edilmiştir. Toplam basınç kayıp katsayısı tanımlanmıştır ve bu değer bariyersiz kanal geometrisi için 0.167 olarak hesaplanmıştır. Aynı parametre HAD analizlerinde 0.16 olarak elde edilmiştir. Aradaki farklılığın temel sebebi test ve analiz ortamındaki hava yoğunluğunun farklı olmasıdır. Bu kanal geometrisindeki akış koşullarında dirsek bitiminden sonra etkileşim halinde olan iki girdap akım çifti oluşmuştur ve duvara oldukça yakın bölgededir. Bu nedenle kullanılacak bariyerin alanının küçük olması girdap akım çiftinin etkisinin azaltılması için daha fazla avantaj sağlamıştır. Kullanılacak olan metot doğrulandıktan sonra, S şeklinde bir hava kanalı tasarlanmıştır. Kanal hem saat yönünde hem de saat yönünün tersine 45 derece dönüş açılarına sahiptir. Giriş kesiti dikdörtgendir. Çalışmanın ilk aşamasında kanal alanı girişten çıkışa farklı oranlarda büyütülmüştür. Alan oranı 2.56'ya gelene kadar kanal boyunca toplam basınç kayıpları azalmış ancak 2.56'dan sonra tekrar artmaya başlamıştır. Bunu da akış profili üzerinde göstermek için kanal orta kesiti boyunca hız profili hem eş çizgiler hem de vektör çizgileri olarak elde edilmiştir. Alan oranının 2.56'yı geçmesi ile birlikte ilk dönüşün bittiği ve ikinci dönüşün başladığı yerde akışın yüzeyden ayrıldığı ve girdap akışların oluştuğu gözlemlenmiştir. Bu nedenle en az basınç kaybını sağlayan 2.56'lık alan oranına sahip olan S-kanal ile HAD analizlerine devam edilmiştir. Ayrıca kanal girişinden çıkışına kadar belirli bölgelerdeki ikincil akış dağılımları incelenmiştir. Birinci dirseğin bittiği bölgede en yüksek ikincil akış değerleri gözlemlenmiştir. Hem basınç kayıplarını hem de ikincil akışları azaltmak amacı ile kullanılacak olan sınır tabaka bariyer geometrileri birinci dönüşün bittiği ve ikinci dönüşün başladığı noktadan itibaren kanala yerleştirilmiştir. Dikdörtgen kesitli bariyerler tercih edilmiştir. 3 farklı yükseklik ve 5 farklı genişlik olacak şekilde 15 farklı bariyer geometrisi yerleştirilerek HAD analizleri tamamlanmıştır. Kanal kesitinin büyüyerek ilerlemesinden dolayı girdap akımlar tüm kesite yayılmıştır. Bu nedenle küçük kesitli bariyerlerin kullanılması ikincil akışların azaltılmasında etkisiz kalmıştır. Sınır tabaka bariyerlerinin genişlikleri arttıkça, hem toplam basınç kayıp katsayısı azalmış hem de ikincil akışlar ciddi oranda azaltılmıştır. 40 mm genişlik ve 6 mm yüksekliğe sahip olan bariyer yapısı kullanıldığında toplam basınç kayıp katsayısı %4.18 oranında azalmıştır. Çıkış kesiti giriş kesitine göre 2.56 oranında arttığı için sadece bir yüzeye eklenen bariyer yapısı ikinci girdap çiftinin etkisini azaltamamıştır. 40 mm x 6 mm bariyer yapısı karşılıklı 2 duvara yerleştirildiğinde toplam basınç kayıp katsayısındaki iyileşme %4.18'den %7.13'e çıkarılmıştır. Bariyersiz kanalda çıkış kesitindeki ikincil hız şiddeti 1.3 m/s olarak hesaplanırken, 40 mm x 60mm'lik bir bariyer kullanılması ile bu değer 0.96 m/s'ye inmiştir. Karşılıklı iki duvara bariyer yerleştirildiğinde ise çıkış kesitindeki ikincil hız 0.69 m/s değerine kadar düşmüştür. Yani karşılıklı 2 bariyer kullanıldığında, çıkış kesitindeki ikincil hız değeri neredeyse yarı yarıya azalmıştır.