LEE- Isı Akışkan Lisansüstü Programı- Yüksek Lisans
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Son Başvurular
1 - 3 / 3
-
ÖgeSınır tabaka bariyerinin S-kanal içerisindeki hava akışına etkisinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) ile incelenmesi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-01-31)Eğrisel 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.
-
ÖgeGaz türbinlerinde jet çarptırma etkisi ile kanatçık kılıfının soğutulma optimizasyonu(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-01-31)Tarihin eski dönemlerinden beri insanoğlu enerji ihtiyacını karşılayabilmek için basit makinalardan daha kompleks makinalara doğru tasarımlarını geliştirmiştir. Sanayi devriminden önce insanoğlu enerji kaynağı olarak insan gücü başta olmak üzere hayvan gücü ve doğadan yararlanmışlardır. Doğada daha çok rüzgar ve akarsular ile bu gereksinim karşılanmış olup zaman içinde bu kaynaklar yetersiz kalmaya başlamıştır. Sanayi devrimiyle beraber 17.ve 18.yy'den itibaren ciddi bir enerji gereksinimi hasıl olmuştur. Bu gereksinimi karşılayabilmek için kullanılan makina teknolojisi de gelişmiştir. Günümüze geldiğimizde enerji gereksinimimiz kömür, doğalgaz, petrol, nükleer gibi kaynakların yanı sıra yenilenebilir enerji kaynaklarıyla karşılanmaktadır. Teknolojik anlamda enerji ihtiyacının karşılanması için geliştirilen makinaların başında gaz türbinleri gelmektedir. Gaz türbinlerinden elde edilen enerjiyi kullanarak ilk tahrik işlemi Frank Whittle tarafından gerçekleştirilmiştir. Daha çok havacılıkta kullanılsa da yer tipi olarak kullanılabilen tipleri de mevcuttur. İtkiden yararlanarak enerji elde edilen turbojet tipleri ilk örnekleri sayılabilir. Ardından turbofan, turboşaft ve turboprop gibi tipleri geliştirilmiştir. Turbofanda itkiden yararlanarak enerji sağlanırken turboprop ve turboşaftta ise mil vasıtasıyla enerji sağlanmaktadır. Gaz türbinleri çalışma prensibi olarak termodinamik açıdan Brayton çevrimine dayanmaktadır. Brayton çevriminde hava kompresörde sıkıştırılıp basınçlandırılırak yanma odasına gönderilmektedir. Yanma odasında yakıt ile enerjisi artırılan hava yüksek sıcaklıkta türbine gönderilir ve akışkanın enerjisi türbinde mekanik enerjiye döndürülerek kompresörün sürülme işlemi gerçekleşmiş olur. Gaz türbinlerinde bu enerjiyi elde ederken yanma odasından yüksek enerjili hava türbin kademelerine getirilmektedir. Buradaki sıcaklıklar günümüz teknolojisinde 2000 K dolaylarındadır. Türbinde malzeme limitlerinin üzerinde olan bu sıcaklıklarla başa çıkmanın yolu etkili soğutma teknolojisi geliştirmektir. Diğer bir yöntem de malzeme teknolojisini geliştirmektir. Soğutma ve malzeme teknolojisinin yıllar boyunca ilerlemesi farklılık göstermektedir.Malzeme teknolojisine bakıldığında her on yılda 50 Kelvin miktarında bir sıcaklık dayanımı sağlarken, türbin giriş sıcaklıkları ise her on yılda bir 170 Kelvin civarında artmaktadır. İşte bu türbin giriş sıcaklığı ile başa çıkabilmek için soğutma teknolojileri her on yılda 120 Kelvin civarında soğutma sağlayacak şekilde geliştirilmiştir. Buradan da anlaşılacağı üzere soğutma teknolojileri gelişimi malzeme teknolojisini epey hızlı geçmektedir. Gaz türbinli motorlardaki önemli soğutma tiplerinden birisi de jet çarptırmalı soğutmadır. Jet çarptırmalı soğutmayı diğer soğutma türlerinden ayıran avantaj ısı transfer katsayısının artmasıyla sürtünme katsayısının artmasının minimum düzeyde kalmasıdır. Literatür çalışmasına bakıldığında ısı transfer etkinliğini azaltan en büyük faktör çapraz akış etkisidir. Bu sebepten dolayı bu çalışmanın literatür tabanlı doğrulama kısmında çapraz akış etkisini göz önünde bulundaran makalenin HAD doğrulaması yapılmıştır. Bu çalışmada üç farklı akış çıkış durumu için Nusselt sayısı değişimi doğrulanmıştır. İlk olarak makaledekine uygun geometri oluşturulmuştur. Ardından çözüm ağı oluşturulmuş ve ağ yapısından bağımsızlık için üç farklı analiz yapılmıştır. Bağımsızlığın sağlandığı 1.96 milyon elemanlı model ile çalışmaya devam edilmiştir. Düzgün dağılımlı akış elde edebilmek amacıyla akış tam gelişmiş hale getirilerek plakaya sokulmuştur. Modelde diğer yüzeyler sabit sıcaklık sınır şartında tutulmuştur. Türbülans modeli olarak 𝑘 − 𝜔 SST türbülans modeli kullanılmıştır. Akışın iki yönden de çıktığı durumda çapraz akış etkisinin minimum olduğu ve ortalama Nu sayısı değerlerinin en yüksek olduğu gözlemlenmiştir.Ayrıca tüm akış düzenlemeleri için elde edilen sonuçlar literatürde bulunan korelasyonlar ile karşılaştırılmış en uygun çözümü veren akış düzenlemesinin akışın iki yönden çıkış yaptığı düzenleme olduğu sonucuna varılmıştır. Kanatçık kılıfı soğutma analizlerine başlanmadan önce geometri elde edilmiş ve çalışmanın farklı delik konfigürasyonları ve plaka yükseklikleri için incelenmesi gerektiği belirlenmiştir. Toplamda biri tek sıra dizilimli diğer ikisi şaşırtmalı dizimli olacak şekilde 2x7, 3x4 ve 3x5 delik dizilimleri incelenmiştir. Her dizilim için jetler ile hedef plaka arası mesafenin jet çapının 4, 5 ve 6 katı olan uzaklıklarla beraber toplamda dokuz analiz incelenmiştir. Analizler için çözüm ağı yapısı oluşturularak ağ yapısından bağımsızlık çalışması tamamlanmıştır. Bağımsızlığı sağlayan eleman sayısı 35 milyon civarındadır. Türbin birinci kademe kanatçık kılıfı kullanılacağından rotor ile kanatçık kılıfı arasındaki uç açıklığında ısı taşınım katsayısı ve sıcaklık belirlenerek sınır şartlarına girdi yapılmıştır. Katı sıcaklık dağılımı da merak edildiğinden bileşik ısı transferi çözümü yapılması gerekmiştir. Katı modeller olarak türbin muhafazası, çarptırma plakası ve kılıf metalinden oluşmaktadır. Sıcaklıkların kılıf malzemesi olarak kullanılan metal sıcaklığından aşağıda kalması gerekmektedir. Akışkan girişinde kullanılan kütlesel debi mertebesi tipik bir turboşaft motorunun ilgili bölgesinde kullanılan debi miktarı kadardır. Basınç sınır şartları da yine türbin birinci kademesine uygun olarak girilmiştir. Analiz sonuçları incelendiğinde en iyi soğutma performasının şaşırtmalı dizilime ait 3x4 dizilimli ve jet ile hedef plaka yüksekliğinin çapın 4 katı olduğu durumda elde edildiği görülmüştür.Yüzeyden en fazla ısıyı çeken dizilim olduğu gibi metal sıcaklıkları da dayanım sıcaklıklarının altında kalmıştır. Tüm konfigürasyonlarda ısı transferini azaltabilecek olan çapraz akış etkisi görülmemiştir. Yani jetler biribirini etkilemeden hedef yüzeye çarpmaktadırlar. En iyi performansı sağlayan dizilimde jet hızları diğer konfigürasyonlara göre daha yüksektir. Her bir konfigürasyonda hedef yüzey ile jetler arasındaki mesafe arttıkça soğutma performansının düştüğü görülmüştür. En iyi performans veren konfigürasyon için 𝑘 − 𝜀 RNG türbülans modeli baz alınarak analiz tekrarlanmış ve yüzeyden çekilen ısı miktarında %10 civarında düşüş gözlemlenmiştir. İkinci bir türbülans modelinin kullanılmasının sebebi literatürde jet akışlarında yoğun şekilde iki modelin karşılaştırılmasından kaynaklanmaktadır. Türbülans modelleri arasındaki fark da belli ölçüde ortaya konmaya çalışılmıştır. Ayrıca aynı jet çarptırma plakası yüksekliğine sahip ve aynı X/D uzunluğuna sahip 3x4 dizilim ve 3x5 dizilim konfigürasyonları karşılaştırılarak Y/D etkisi incelenmiştir. Bu durumda Y/D uzunluğu fazla olan 3x4 dizilim konfigürasyonunun daha iyi sonuç verdiği ortaya konmuştur. Literatürde şaşırtmalı dizilim için en yaygın kullanılan korelasyonlardan üç tanesi incelenmiştir. Bunlar Florscheutz, Goldstein ve Martin'e ait korelasyonlardır. Bu korelasyon sonuçları ile HAD modelinden elde ettiğimiz sonuçlar karşılaştırılmış ve en yakın sonucu veren korelasyon olarak Florscheutz korelasyonu belirlenmiştir.
-
ÖgeNumerical investigation of inertial focusing of micro andnanoparticles in curvilinear microchannels(Graduate School, 2022-01-21)Recently, microfluidic systems have been preferred more than conventional methods due to their ease of production, economic advantages, high precision processing capabilities and ease of operation. These systems are in a situation where many disciplines such as physics, chemistry and engineering are intertwined. Microfluidic systems aim to provide manipulation of fluids moving in microchannels and to control the flow field. With the provision of this control, important developments are experienced in fields such as biomedical engineering and medicine. As an important area, there have been serious improvements in the separation of particles of different diameters in microfluidic systems recently. In the studies carried out, particles of different diameters are sent into the microchannel through from source (like a pump) and can be collected in separate beams from the channel exit. This has become an important step in the early diagnosis of deadly diseases such as cancer. The concept of separating particles of different diameters from each other in the microfluidic systems has accelerated with the developments in Lab on a Chip (LoC) and MEMS systems. Many different mechanisms have been developed for the separation of particles. Separation of particles in the microfluidic systems can be achieved either by active separation techniques, where external forces act, or passive separation techniques, where an external force is not used. In active separation, many different sources such as electrical systems, sound, optics can be used to create an external force. On the other hand, passive separation techniques use dynamics within the microchannel to separate particles. Inertial focusing, which is an important area in passive focusing, still continues to develop. The logic of inertial focusing is that forces acting on a particle moving in a fluid, either from flow, from interaction with the walls of the microchannel, or from effects at the molecular level. The most important of these forces is the lift force, which directs the particle to a certain equilibrium position. Lift force is divided into two as wall interacting lift force and shear stress lift force. The most important difference of these forces emerges when determining the equilibrium position of the particles. The lift force arising from the wall interaction pushes the particles towards the center, while the shear stress lift force directs the particles from the center towards the walls. As a result, when these forces reach equilibrium, the equilibrium position of the particle is determined. The magnitude of these forces is highly dependent on the particle diameter, so they cause the particles with different diameters to line up in different equilibrium positions, thus allowing the particles to be separated from each other. In inertial focusing, the addition of curvature to the microchannels adds a secondary effect to the flow. This phenomenon is due to the formation of eddies in the curved regions within the channel. This flow effect also causes a force called the Dean force to be added to the particles. In the studies carried out, it was observed that the focusing mechanisms of the particles improved thanks to this effect. Microchannel geometry is an important parameter that affects the mentioned forces. By changing the geometry and dimensions, it is possible to design a particle separation mechanisms that works with higher efficiency. In this context, different microchannel designs such as straight microchannel, spiral microchannel, serpentine microchannel have been studied, and detailed studies have been carried out on these effects. Studies in the field of separation of microparticles are mostly carried out using synthetic particles in order to better understand how blood and cancer cells interact with each other. Particle separation is affected by many different parameters such as flow rate, type of fluid used, particle diameter, as well as microchannel geometry. Therefore, it is very important to best understand the physics of inertial focusing in order to design the most efficient decomposition. In this study, the concept of inertial focusing is examined. Computational Fluid Dynamics (CFD) analyzes were performed on microchannels with different geometries, parametric analyzes affecting focusing were completed and the effects were examined. Within the scope of the study, flow and particle analyzes of the sunflower geometry obtained by adding serpentine regions to a conventional spiral microchannel geometry and the importance of this geometry were discussed.