FBE- Uçak ve Uzay Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Yazar "Altıntaş, Atilla" ile FBE- Uçak ve Uzay Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeTürbülanslı Duvar-sınırlı Akışlarda Lorentz Kuvveti Etkisi(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2014-11-28) Altıntaş, Atilla ; Özkol, İbrahim ; 10057751 ; Uçak ve Uzay Mühendisliği ; Aircraft EngineeringManyetik alan etkilerinin akış alanına uygulanması örneklerinden en eski olanı olarak, 1832 yılında Ingiltere’de Michael Faraday’ın Thames Nehri’nin akış hızını ölçme girişimi verilebilir. Faraday Dünya’nın manyetik alanının nehir akışında indüklediği voltajı iki elektrod yardımı ile ölçmek istemiş ve böylece nehrin hızını hesaplamaya çalışmıştır. Daha sonra A. Schercliff tarafından manyetik alan ve elektrik alan kuvvetlerinden üretilen Lorentz kuvveti kullanılarak akışkan hızının ölçülmesi metodu (LFV (Lorentz Force Velocimetry)) geliştirilmiştir. Özellikle agresif akışkanlar olarak tabir edilen ve hız ölçümleri klasik yöntemlerle zor ya da mümkün olmayan akışkanların -örnek olarak çok sıcak metal akışkanların- hız ölçümleri bu metodla başarı ile yapılmaktadır. Bu günümüzde manyetik alan etkisinin kullanıldığı bir çok uygulamadan yalnızca bir tanesidir. Bunun yanında manyetohidrodinamik (MHD) kontrol kapalı akışlarda akış kontrolü sağlamak adına oldukça yaygın bir çalışma alanı olan bir yöntem olarak karşımıza çıkmaktadır. Elektrik iletkenliği düşük akışkanlarda indüklenen elektrik akısı düşük olduğundan, ayrıca elektrodlar kullanılarak dışarıdan bir elektrik alan oluşturularak da Lorentz kuvveti elde edilebilmektedir. Bu çalışmalar da elektromanyetohidrodinamik (EMHD) akışlar olarak anılmaktadır. Bu tez çalışmasında her iki yöntem de yer almaktadır. EMHD kontrol yönteminde genellikle amaç akış kontrolü sağlamaktır. Bunun için elektrodlar ve mıknatıslar kullanılarak elektrik iletkenliği olan bir akışkan içinde elektrik ve manyetik alan oluşturulur. Sonuç olarak bu iki kuvvete dik yönde Lorentz kuvveti elde edilir. Lorentz kuvveti hangi yönde elde edilmek isteniyorsa elektrod ve mıknatısların dizilişi ona göre ayarlanmaktadır. Bunu basitçe gayet iyi bilinen Heming’s sol el kuralı ile açıklayabiliriz. Elde edilen Lorentz kuvvetinin yönü oldukça önemlidir. Literatürde akış yönünde, akışa paralel ters yönde, duvara dik yönde ve akış eksenine dik yönde olmak üzere çeşitli uygulamaları vardır. Bu çalışmalarda ana amaç sürükleme kuvvetinde (drag force) azalma olsa da, sonuç olarak bir kuvvet (Lorentz kuvveti) elde edildiğinden çok değişik çalışma alanları da mevcuttur. Örneğin elde edilen Lorentz kuvveti, aynı zamanda, manyetik kuvvet ile çalışan bir gemi yapımına başarı ile uygulanabilmiştir. YAMATO 1 adı verilen gemi başarı ile 1992 senesinde yüzdürülmüştür. Gemide Lorentz kuvvetini oluşturacak süper mıknatıs ve elektrod sistemi doğrudan gemiye itki gücü sağlayacak bir su jetine uygulanmıştır. Enerji verimliliği ve çevre dostu uygulamaların önem arz ettiği ve fosil yakıtların sonsuz enerji kaynağı olmadığı bilinen günümüzde bu tip çalışmalar oldukça önem arz etmektedir. Lorentz kuvvetinin akış kontrolünde kullanılabilirliği daha önce yapılan çalışmalar ile kanıtlanmış bulunmakla birlikte, akış kontrolünün akış alanı yapılarının manipüle edilmesi ile elde edildiği de bilinmektedir. Fakat, örneğin türbülanslı kanal akışında türbülansı azaltmak yada sürükleme kuvvetinin azaltılmasındaki mekanizmayı anlamakta çok büyük bir yol alınamamıştır. Henüz türbülansın tam olarak anlaşılamadığı ve üzerinde tartışmalar olan yapılar ve mekanizmalar olan bu zor konuda böyle zorluklar yaşanması oldukça doğaldır. Biz bu çalışmamızda EMHD kontrol yöntemini türbülanslı kanal akışına başarı ile uygulayıp yüzey sürtünme sürükleme (skin friction) kuvvetinde azalma sağladıktan sonra, bu azalmaya sebep olan mekanizmalarda literatürde var olan açıklamaları bir ileri noktaya taşımayı amaçladık. Elde ettiğimiz veriler ilk önce halihazırda literatürde güvenilir önceki araştırmacıların bulguları ile karşılaştırılmış ve oldukça tutarlı olduğu gösterilmiştir. Çalışma üç ana bölüme ayrılmıştır. Bu bölümlerin ilki ve ikincisinde Direct Numerical Simulations (DNS) ile türbülanslı kanal akış alanı denklemleri çözülmüştür. Bunun için Chalmers Üniversitesi öğretim üyesi Prof. Dr. Lars Davidson’un CALC-LES kodu kullanılmıştır. Bu ilk iki bölümde akışkan olarak tuzlu su kullanılmıştır, dolayısıyla yukarıda belirttiğimiz üzere EMHD çalışması yapılmıştır. Çalışmanın üçüncü bölümünde ise ANSYS Fluent paket programı kullanılmış ve akışkan olarak yüksek elektrik iletkenliği olan metalik akışkan kullanılmış, dolayısıyla MHD çalışması yapılmıştır. Bu noktada çalışmanın ilk bölümünde akış doğrultusu ve duvar normaline dik yönde osilasyon yapan Lorentz kuvvetinin vortisite yapıları, streak oluşumuna etkilerini ve bu yapıların birbirleri arasındaki etkileşimlerini açıklamaya çalıştık. Bu açıklamalar için kullandığımız yöntemlerden ilki hız korelasyonudur. Bu yöntem ile türbülanslı sınır tabakadaki organize yapılar (vortisite, vortex yapıları, streak formasyonu gibi) hakkında bir fikir elde edilebilmektedir. Özellikle “streak cycle“ adı verilen ve türbülans döngüsünün de temelini oluşturan döngüde streakler yarı-akış yönündeki vorteksleri ve bu vortekslerde yine streakleri oluşturmaktadırlar. Bilindiği üzere yavaş hızlı streaklerin kanalın daha üst bölgelerindeki hızlı akışlar nedeni ile yukarı çekilmesi ile (bursting olayı) karmaşık akışlar meydana gelmektedir, o yüzden streak cycle türbülanslı akışlarda önemli bir fenomendir. Bu çalışmada streakler özellikle duvara çok yakın bölgede (y < 20) zayıfladığı halde akış yönündeki vorteks yapılarında önemli bir değişim görülmemiştir. Bunun nedeni araştırılmış ve detaylı bir şekilde açıklanmıştır. Bunun yanında quadrant analizi ile sweep ve ejection mekanizmalarındaki değişime bakılmıştır. Bilindiği üzere bu mekanizmalar türbülans üretim döngüsüne katkı yapan mekanizmalardır. Bunun yanında türbülans üretimindeki değişimlerde incelenmiştir. Vorteks yapıları ve vortisite arasında bağlantılar kurulmuş ve uygulanan kuvvetin vorteks yapıları üzerindeki etkisi açıklanmaya çalışılmıştır. Yaptığımız çıkarımlar ile literatüre oldukça önemli katkılar yapılmıştır. Çalışmanın ikinci bölümünde ise literatürde eksik olan EMHD etkisinin entropi üretimi ve dissipation üzerindeki etkilerine bakılmıştır. Elde edilen çıkarımlar EMHD yönteminin verimliliği üzerine oldukça kullanışlıdır. Bilindiği gibi dissipation, ortalama (mean), akıştan çıkarılan enerjinin merdiven (cascade) süreci ile daha küçük edilere nakledilmesi ve bu işlemin sonucunda sürtünme kuvveti ile kinetik enerjinin ısı enerjisi ile kaybedilmesidir. Tabii ki burada kinetik enerji kaybı fluctuation hızları üzerinden yapılmakta olduğundan, türbülans dissipation adını almaktadır. Bunun yanında bir de ortalama akış hızı ile direk olarak kayıplar vardır, bunlara da ortalama dissipation (mean dissipation) denmektedir. Bu kayıplar, bilindiği üzere, kinetik enerjiyi ısı enerjisine çevirdiğinden, geri dönüşsüz enerji ya da başka bir deyişle entropi üretimine neden olmaktadır. Bu iki farklı kayıp ayrı ayrı gösterilmiş ve entropi üretimine katkıları irdelenmiştir. EMHD yönteminde elektrodlara enerji verildiğinden, bu yöntemin örneğin ileride deniz taşıtları yada akışkan ile temasta yani drag kuvvetine karşı iş yapıldığı durumlara uygulandığı durumlardaki verimlilik çalışmaları açısından oldukça faydalı olacağı açıktır. Çalışmanın üçüncü bölümünde ise elektrik iletkenliği yüksek metalik akışkanın boru içinde akışı ele alınmıştır. Bu tip akışkanlar nükleer reaktörlerde soğutucu akışkan olarak kullanılabilmektedir, o yüzden önem arz etmektedir. Manyetik alan etkisinin akış hızı üzerine olan etkileri elde edilmiştir. Ayrıca boru ısıtıldıgında akış alanı üzerine olan etkileri de verilmiş ve değişimlerin sebepleri üzerine açıklamalar yapılmıştır.