Yiv Uygulamasının Düz Levha Üzerinde Sürtünme Direncine Olan Etkisinin İncelenmesi

Abstract

Direnç kuvveti, birçok alanda, özellikle de mühendislik uygulamalarında önemli bir yere sahiptir. Yüzen cisimlerdeki toplam direnci, en temel olarak, viskoz basınç direnci, yüzey sürtünme direnci ve dalga direnci bileşenleri oluştururken, batmış cisimler üzerinde dalga direnci mevcut değildir. Her iki durumda da yüzey sürtünme direncinin toplam dirence katkısı oldukça büyüktür. Bu sebeple, literatürde yüzey sürtünme direncinin azaltılması ile ilgili aktif ve pasif yöntemlere sıkça rastlanmaktadır. Yüzeye ince yivler açılması vasıtasıyla sürtünme direncinin azaltılmasının etkin pasif yöntemler arasında gösterilmesi mümkündür. Bu çalışmada, temel yiv ve geometrileri ele alınarak düz levha üzerine uygulanan farklı yiv konfigürasyonları sistematik olarak hesaplamalı yöntemlerle incelenmiştir. Bu konfigürasyonlar arasından literatürde en fazla incelenen V, U, bıçak ağzı ve ikizkenar yamuk şeklindeki yiv uygulamaları ele alınmıştır. Yapılan çalışma Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Aynı zamanda, analizlerin gerçekleştirildiği sonlu hacim metodundan, hız basınç ayrıklaştırılmasının yapıldığı SIMPLE yöntemi ve türbülans modeli olarak seçilen SST k-ω modelinden detaylı olarak bahsedilmiştir. Çalışmadaki asıl amaç yüzeye kontrollü yiv uygulaması ile sürtünme direncinin azaltılmasıdır. Bunun için yiv ile ilgili temel akış parametreleri ele alınarak sistematik bir Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) çalışması yapılmış, düz levha ile yapılan karşılaştırma sonucunda en etkin yiv uygulamasının belirlenmesi amaçlanmıştır. Literatürde, Walsh (1982), Bechert ve diğ. (1997) ve Choi (1989)’nin yapmış olduğu deneysel çalışmalarda etkili yiv konfigürasyonlarında s+ değer aralığının yaklaşık 5 ile 30 arasında olduğu tespit edilmiştir. Buna göre uygun hız değerinin 5 m/s civarında olduğu belirlenmiş ve hesaplamalı çalışmalarda sırasıyla 3, 5 ve 8 m/s serbest akım hızları kullanılmıştır. Belirlenen bu hızlarda, ilk olarak h/s oran parametresi esas alınarak dört farklı yiv uygulaması ile düz levhaya ait direnç kuvveti değerleri arasında karşılaştırma yapılmıştır. İlk olarak düz levha üzerinde farklı serbest akım hızlarında (3, 5 ve 8 m/s) direnç kuvveti (RF), toplam sürtünme direnç katsayısı (CF) ve yerel sürtünme direnç katsayısı (Cf) parametrelerine ait değerler incelenmiştir. CF değeri, Karman-Schoenherr’e göre incelenmiş ve bu inceleme sonucunda yiv uygulamalarına ait CF değerleriyle yapılacak olan karşılaştırmada kullanılacak referans CF değeri belirlenmiştir. Cf değeri için ise, levha üzerinde x yönünde belirlenen üç farklı noktada (x=0.65, 0.70 ve 0.90) Clauser’e göre yer değiştirme kalınlığına bağlı olarak ve Coles’a göre momentum kalınlığına bağlı olarak incelemeler yapılmış ve bu inceleme sonucunda, hesaplamalı çalışmadan elde edilen Cf değerlerinin ele alınan Reδ1 aralığında Clauser eğrisi ile yaklaşık olarak ± % 1 duyarlılıkla uyum sağladığı, ele alınan Reϴ aralığında ise Coles eğrisi ile yaklaşık olarak ± % 3 duyarlılıkla uyum sağladığı görülmüştür. Bundan sonraki adımda, pasif direnç azaltıcı yöntemlerden yiv uygulamasına ait inceleme yapılacak parametreler belirlenmiştir (hız değeri, yiv yüksekliği (h), yiv yüksekliğinin yiv aralığına oranı (h/s) ve boyutsuz parametre olan s+). Belirlenen bu parametreler çerçevesinde ilk olarak h/s=0.5’te üç farklı serbest akım hızında gerçekleştirilen hesaplamalı çalışma sonucunda elde edilen RF değerleri ile aynı hızlarda düz levhaya ait RF değerleri incelendiğinde yaklaşık olarak en fazla direnç düşüşünün V şeklindeki yiv uygulamasında, en az ise bıçak ağzı yiv uygulamasında sağlandığı tespit edilmiştir. Aynı hesaplamalı çalışma h/s=1 için de gerçekleştirilmiş ve bu değerde de yaklaşık olarak en fazla direnç düşüşünün V şeklindeki yiv uygulamasında, en az ise bıçak ağzı yiv uygulamasında sağlandığı görülmüştür. Yapılan bu tespitlerden sonra, bundan sonraki adımlarda V şeklindeki yiv uygulaması üzerinden yapılan incelemeler detaylandırılmıştır. Çizelgeler halinde verilmiş olan V şeklindeki yiv uygulamasına ait farklı serbest akım hızlarında ve farklı h/s oranlarında gerçekleştirilen hesaplamalı çalışma sonucunda elde edilen RF değerleri ile düz levhaya ait RF değerleri karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma sonucunda, aynı h/s oranında, 3, 5 ve 8 m/s’deki yiv uygulamalarına ait direnç kuvveti (RF) değerleri ile aynı hızlarda düz levha üzerindeki direnç kuvveti (RF) değerlerinin karşılaştırılması sonucunda yaklaşık olarak en fazla direnç kuvveti düşüşü V şeklindeki yiv uygulamasında, en az direnç kuvveti düşüşü ise bıçak ağzı şeklindeki yiv uygulamasında görülmüştür. Aynı h/s ve hız değerlerine ait veriler incelendiğinde ise s+ değerinin artması ile yaklaşık olarak direnç kuvveti düşüşünün de arttığı tespit edilmiştir. Farklı h ve s değerinde, fakat aynı h/s oranına sahip (Örneğin, 1- h=0.01875 ve s=0.0375, h/s=0.5 2- h=0.05 ve s=0.1, h/s=0.5) ve aynı hızlardaki verilerin incelenmesi neticesinde, s+ değerinin artması ile direnç kuvveti düşüşünün azaldığı görülmüştür. Aynı h ve s değerlerine sahip, farklı serbest akım hızlarındaki yiv uygulamalarında ise (Örneğin, 1- h=0.1 ve s=0.1, hız=3 m/s, 2- h=0.1 ve s=0.1, hız 5 m/s) hız değerinin ve buna bağlı olarak s+ değerinin artması ile direnç kuvveti düşüş değerinin arttığı gözlemlenmiştir. Düz levha ile V ve BA yiv uygulamalarına ait girdaplılık ve türbülans kinetik enerjilerine ait dağılımların incelenmesi neticesinde, düz levha ile V ve BA yiv uygulamaları arasında ciddi farklılıkların olduğu gözlemlenmiştir. Düz levhada duvar cidarındaki girdaplılık dağılımının yiv uygulaması ile duvar cidarından uzaklaştığı ve yiv tepe noktalarında yoğunlaştığı görülmüştür. V ve BA yiv uygulamalarının tepe noktalarındaki girdaplılık dağılımına ait karşılaştırmada ise, BA yivdeki dağılımın V yivdeki dağılıma göre daha fazla olduğu tespit edilmiştir. Düz levha ile V ve BA yive ait türbülans kinetik enerjileri dağılımına ait karşılaştırma neticesinde, türbülans kinetik enerjinin yiv uygulamalarında düz levhaya göre daha az seviyede olduğu tespit edilmiştir. Özellikle V yivde türbülans kinetik enerjinin en az seviyeye indirgendiği görülmüştür.

Resistance force, in many areas especially in engineering applications, has an important place. The total resistance of floating bodies, the most basic, involves in the components of the viscous pressure resistance, skin friction resistance and wave resistance, but on the sinking bodies the wave resistance is not involved. In both cases, the contribution to the total resistance of the skin friction resistance is quite large. Therefore, it is common to the active and passive method for reducing the skin friction resistance in the literature. Investigating the reduction of skin friction by opening thin riblets through the effective passive methods are possible. In this study, dealing with the riblets and their geometries different riblet configurations which are applied on the flat plate are systematically studied by computational methods. Through these configurations the riblet applications which are the most studied in the literature are V, U, blade and trapezoidal riblets. Furthermore, the boundary layer thickness, the displacement thickness and the momentum thickness are explained because of the investigation of the total friction coefficient (CF) on the flat plate. After that, the explanations for the V, U, blade and trapezoidal riblet applications are given. There are a lot of experimental studies on the riblet applications: V, U, blade and trapezoidal which are the most common. In all these experimental studies the drag reduction is identified. The highest drag reduction percentage is approximately % 10 on blade riblet application and on V riblet application the drag reduction percentage is approximately % 6-8. The studies were carried out with the method of Computational Fluid Dynamics (CFD). Theoretical background on Computational Fluid Dynamics was given with its historical progress. Besides, detailed information is given about incompressible Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) based two equation eddy viscosity SST (Shear Stress Transport) k-ω turbulence model and pressure velocity relation algorithm for steady flow is taken SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure--Linked Equations) algorithm which denotes pressure-velocity relation for steady flows that are chosen by this thesis. Moreover, Law of the Wall is briefly explained. In this study, dimensionless distance from the wall y+ values is attempted lower than 5. Since, the flow separation is investigated properly with y+