Flow separation

Abstract

Akün ayrılması akışkanlar mekaniği ve aerodinamiğin en karmaşık ve dolayısı ile incelenmesi en zor olaylarından bindir. Buna karşılık mühendislikteki birçok uygu lamada akım ayrılması oluşmaktadır. Bu nedenle akım ayrılmasının incelenmesi ayrı bir öneme sahiptir. Olayın fiziksel olarak açıklanması genellikle deneysel çalışmalardan elde edil mektedir. Ayrıca hesaplama metodlarının ve teorinin geliştirilmesi ve desteklenmesi açısından da deneysel çalışmalar gerekmektedir. Akım ayrılması incelemelerinde deney şartlarına göre uygun deney tekniği seçilmelidir. Akım alanının hareketli olarak görüntülenebilmesi akım ayrılmasının anlaşıl ması açısından önemlidir. Ayrıca akım görünürlüğü deneyleri kalitatif olarak en çabuk ve en etkili deney tekniğidir. Akım ayrılmasının yeri ve ayrılmış akımın karakteristikleri kantitatif olarak hız profili, yüzey sürükleme katsayısı ve ısı transferi ölçümleri ile bulunabilir. Fakat kayma tabakası çok küçük ve ince olduğu için ölçme aletlerinin de ona göre akımı bozmayacak şekilde küçük olması gerekmektedir. Kayma tabakası hız profilleri genellikle sıcak-tel anemometresi ile ölçülmektedir. Aerodinamik elemanların maksimum performansını genellikle akım ayrılması olayının belirlemesi nedeniyle, akışkanlar mekaniği çalışmalarının esas amacı sınır ta baka aynim asının tamamen belirlenebilmesi olmalıdır. Yani akım karakteristikleri ve geometri, Reynolds ve Mach sayısı gibi önemli parametrelerin etkisi incelenmelidir. Bu amaçla bu çalışmada küt burunlu eksenel simetrik silindir etrafındaki akım ayrılması deneysel olarak incelenmiştir. Narinlik oranı ve Reynolds sayısı (model çapına bağlı) parametre olarak seçilmiştir. Akım ayrılmasını meydana getiren nedenler geometrik süreksizlik ve ters basınç vı gradyantıdır. Bu etkilerin meydana gelişine bağlı olarak değişik akım ayrılması hallerine rastlanabilir. Kut burunla bir silindir etrafındaki akım ayrılması halinde ayrılma yeri sabit ve burun kısmında olmasına karşılık akım genel olarak eksenel simetriktir ve yapısı küt burunlu levha üzerindeki iki boyutlu akım ayrılmasına nisbeten daha karışıktır. Fakat küt burunlu levha haline kıyasla daha çok uygulama alanı olan küt burunlu silindir hali için çalışmalar daha azdır. Deneyler, İTÜ 50x50x200cm deney odası kesitli açık devreli Subsonik Hava Tüneli'nde yapılmıştır. Serbest akım hızı 10 m/s'dir. Bu hıza karşılık gelen türbülans şiddeti.3%'tür. Narinlik oranının akım alanına etkisinin incelendiği deneylerde akım görü nürlüğü ve basınç ölçümü teknikleri kullanılmıştır. Akım görünürlüğü deneylerinde yağ-fîlmi methodu seçilmiştir. Bu teknik hava akımına maruz cisim yüzeyi üzerindeki akım çizgilerinin çabuk ve kolay olarak resimlenebilmesini sağlar. Sürtünme kuvvetine bağlı olarak hava akımı katı yüzey üzerine sürülen yağı beraberinde götürür. Geride kalan boya maddesi ise akım ayrılması ve yapışması gibi fiziksel olaylar hakkında kual- itatif olarak bilgi verir. Eğer yüzey sürükleme çizgileri bir çizgi etrafında birleşiyorsa yüzey üzerindeki yağlar bu çizgi etrafında toplanır. Bu çizgiye "Ayrılma çizgisi" denir. Eğer yüzey sürükleme çizgileri bir çizgi üzerinden uzaklaşıyorsa bu çizgiye de "Tekrar yapışma hattı" denir. Bu çalışmada 10 numaralı makina yağı, gaz yağı ve karbon tozu nun uygun bir şekilde karıştınlmasıyla elde edilen sıvı, beyaz renkli modeller üzerine sürülüp (d=50mm, L/d=3.1,4.0,5.0,9.2), hava akımına maruz bırakıldıktan sonra, akün çizgilerinin fotoğrafları çekilmiştir. Fotoğraflardan elde edilen sonuçlara gore narinlik oranı azaldıkça tekrar yapışma hattının model burnundan olan uzaklığının azaldığı ve narinlik oram (L/d) 5, değerine kadar küt burunlu silindir etrafındaki akımı etkilediği, bu değerden sonra ise narinlik oranının etkisinin ortadan kalktığı görülmüştür. Basınç ölçümü deneylerinde ise 9 ayn model kullanılmıştır (d=50mm, L/d= 3.1, 4.0, 5.0, 5.94, 6.92, 7.5, 7.92, 8.28, 9.2). Basınç pirizleri model yüzeyi üzerinde ve simetri ekseni doğrultusunda burundan itibaren 4d uzaklığa kadar 18 adet yerleştirilmiş tir. Deneylerde 2 adet mikromanometre kullanılmıştır. Bunlardan biri dinamik basınç ölçümünde, diğeri ise model yüzeyi üzerindeki pirizlerden alman basınç ile serbest akım statik basıncı arasındaki farkın ölçümünde kullanılmıştır. Simetri ekseni boyunca model yüzeyi üzerindeki basınç katsayısı dağılımının vu c,= Pi-Pco eşitliği ile bulunduğu bu deneylerde narinlik oranının küt burunlu silindir etrafındaki akım alanına etkisi hakkında akım görünürlüğü deneylerinde elde edilen sonuç doğrulan mıştır. Narinlik oranı azaldıkça modelin arka yüzeyindeki akımm hızlandığı ve basınç katsayısı "O" değerine daha küçük x/d değerinde ulaştığı ve L/d'nin 5'ten büyük olması halinde narinlik oranındaki değişimler akım alanını etkilemediği görülmüştür. Reynolds sayısının akün alanına etkisinin incelendiği deneylerde ise sıcak-tel anemometresi kullanılmıştır. Sıcak-tel anemometresinin ölçü ucu, elektrikle ısıtılan bir telden ibarettir. Akışkan akımı telin soğumasına, dolayısı ile direncinin azalmasına neden olur. Telin sıcaklığını sabit tutabilmek için gerekli akım ölçülerek hava hızı tayin edilebilir. Sıcak-tel anemometresi şu ünitelerden oluşmuştur: 1- Güç Ünitesi. 2- Filtre. 3- Dijital Voltmetre. 4- RMS Ünitesi. 5- Lineerleştirme Ünitesi. 6- Sıcak-tel probu 7- Hareket Mekanizması. 8- Hareketi sağlayan motor. 9- Hareket Kontrol Ünitesi 10- Data Acquasition Ünitesi. 11- Bilgisayar. Anemometrenin voltaj çıktısı (E) ile hava akım hızı (U) arasındaki bağıntı: E2 = El + BxU^m şeklindedir. Burada B ve m sıcak-tel probu ve sıcak-tel ile hava akımı arasındaki sıcaklık farkı ile ilgili sabitlerdir. E0 ise hava akım hızı sıfır olduğu zaman anemometrenin gösterdiği voltaj değeridir. Eğer sistemde bir lineerleştirme ünitesi kullanılırsa lineerleştirme ünitesinin voltaj çıktısı (Eı) ile hava hızı (U) arasında lineer bir bağıntı vardın vıu V = KxEi Burada E, E0 ve Et volt, U ise m/sn cinsindendir. K bir sabittir ve K=10 olacak şekilde lineerleştirme ünitesi ayarlanabilir. Akım görünürlüğü ve basınç ölçümü deneylerinin sonuçlarına gore narinlik oranının değeri yaklaşık olarak 5'ten büyük alınırsa, narinlik oranındaki değişimlerin akım alanını etkilemediği bulunmuştu. Bunun için Reynolds sayısının parametre olarak seçildiği deneylerde, modellerin narinlik oranı 7.5 olarak seçilmiştir. Bu deneylerde kullanılan modellere ait çapa bağlı Reynolds sayılan ise sırasıyla şöyledir: 3.45x10*, 5.18xl04,7.59a;104. Sıcak-tel anemometresi akımın yönünü belirleyemez. Anemometrenin çıktısı her zaman pozitiftir. Fakat akım ayrılması sonucunda oluşan hava habbeciği içinde ters akım bölgesi vardır. Bu bölge anemometre çıktılarında, yüzeye yakın bölgede bir artış ve tekrar azalma ile ayni; edilebilir. Hız profillrinde, bu bölge bulunarak ve bu bölgedeki hız değerlerinin direkt negatif değeri alınarak düzeltme yapılmıştır. Hız ve türbülans profillerinden faydalanarak akımın tekrar yapışma hattı, akım habbeciği boyutları ve şuur tabaka kalınlıkları bulunmuştur. Limit akım çizgisi akım fonksiyonunun ( = 0) sıfır olduğu noktalar bulunarak çizilmiştir. Akım küt burunlu silindirin burun kısmında kopuyor ve belli bir uzaklıkta yüzeye tekrar yapışıyor, bunun sonucunda da akım habbeciği oluşuyor. Akım habbeciğinin model yüzeyinden olan dik uzaklığı model burnundan itibaren artıp, bir maksimum değerden sonra tekrar azalmak tadır. Akım habbeciği içinde bir dönme bölgesi ve dolayısı ile ters akım oluşmaktadır. Akım habbeciğinin içinde bulunan istasyonlarda ki akım hızı, y doğrultusunda gidildik çe, serbest akün hızmdan büyük bir değere ulaşmaktadır ve daha sonra serbest akım hızı değerine kadar azalmaktadır. Akım habbeciğinden sonra şuur tabaka kalınlığı model yüzeyi boyunca kalınlaşmaktadır. Türbülansın maksimum olduğu noktalar akım habbeciği yüksekliği ile benzer bir davranış göstermektedir ve bu noktalar hız gradyantuun büyük olduğu noktalara tekabül etmektedir. Akım habbeciği içindeki istasyonlarda türbülans küçük bir mak simum değere sahiptir. Akım habbeciğinin üst kısmında kayma tabakası olduğu için buradaki türbülans dağılımı şuur tabaka türbülans dağılımına benzemektedir. ıx Model yüzeyi üzerindeki Türbülans profillerinde, türbülans şiddetinin maksi mum değerlerinin x/d^e gore çizilen değişimi oldukça karışık bir yapıya sahiptir. Reynolds sayısının 3.45110* değeri için hız ve basınç dağılımları karşılaştınlırsa, hız dağılımından elde edilen tekrar yapışma noktası basmç dağılımında, basınç kat sayısının maksimum olduğu noktadan daha önceki bir noktaya tekabül etmektedir. Basınç katsayısının minimum olduğu nokta ise akım habbeciği yüksekliğinin yaklaşık olarak en büyük değerine karşılık gelmektedir. Reynolds sayısı arttırıldığında akım habbeciğinin boyu ve yüksekliği büyümek tedir. Fakat akım habbeciğinin boyutları d çapı ile boyutsuzlaştınhrsa tekrar yapışma noktasının yeri artan Reynolds sayısı ile sabit kalmaktadır. Habbecik yüksekliği ise d çapı arttırıldıkça boyutsuz olarak küçülmektedir. Akım habbeciğinin içinde bulunan istasyonlardaki hız profillerinde, akım hızı nın 1.01 Uoo olduğu, akım habbeciği dışında ise akım hızının.99 U^ olduğu noktaların grafiği çizilirse, bu noktaların dağılımı akım habbeciği yüksekliğinin yapısını verdiği görülmüştür. Ortak bir dağdım elde etmek için logaritmik eksen takımı kullanılmıştır. Boyutsuz eksen eksen takımı kullanılarak hız profilleri için universal bir eğri elde etmek amacıyla oluşturulan grafiklerde, Unj serbest hava akımı hızının yansıdır. yTef ise hız profilinde akım hızının referans hıza ulaştığı noktanın model yüzeyinden olan dik uzaklığıdır. Akım habbeciği içindeki istasyonlarda hız dağılımının düzeltme yapılmış bölgelerinde karışıklık olmasından dolayı inceleme yapılırken hız profilleri tek rar yapışma noktasından önce ve sonra olmak üzere iki gruba ayrılmıştır. 3 ayrı Reynolds sayısı için çizilen boyutsuz hız grafiği göstermiştir ki ters akımın oluştuğu bölge hariç hız profilleri için universal bir eğri elde edilebilir. Özellikle tekrar yapışma noktasından sonraki boyutsuz hız profilleri çok iyi bir uyum göstermiştir. Elde edilen sonuçlar sırasıyla şu şekilde genelleştirilebilir: 1- Küt burunlu silindir halinde narinlik oranı (L/d) akım alanı için önemli bir parame tredir. Narinlik oranının etkisini kaldırmak için (L/d) değeri, 5'ten büyük alınmalıdır. 2- Çapa bağlı Reynolds sayısı arttıkça küt burunlu silindirin burun kısmında oluşan akım habbeciğinin boyutları da büyümektedir. Fakat akım habbeciğinin boy ve yüksek- ligi d çapı ile boyutsuzlaştırılırsa, artan Reynolds sayısı ile, tekrar yapışma noktasının yeri denmemektedir ve boyutsuz habbecik yüksekliği küçülmektedir. 3- Ters akım bölgesi içindeki hız değeri 35% U^ değerine kadar ulaşmaktadır. Akım habbeciği içindeki istasyonlarda türbülansın maksimum olduğu noktalar yaklaşık olarak akım habbeciği yüksekliğine karşılık gelmektedir. 4- Özellikle tekrar yapışma noktasından sonraki hız profilleri için, boyutsuz eksen takımı kullanılarak, bir universal eğri elde edilebilir.

One of the important characteristics of viscous flow past a solid body is the separation phenomenon. Quite a number of important references is available on the subject of the separation bubble in two-dimensional incompressible flow. However a fully satisfactory engineering method for the prediction of the characteristics of these bubbles does not yet exist. Despite two-dimensional case, literature on the circular flow separation around the nose of a circular blunt body are quite rare. Therefore, it is quite necessary to carry out more experimental works especially circular separation. The present study tries to increase our knowledge about circular separation bubble. The effect of Reynolds number on the flow field around circular cylinder with blunt nose (which is parallel to uniform flow), have been investigated experimentally. This study consists of five main sections (Chapter 1-5) and 1 appendix (Ap pendix A). In Chapter 1, the importance of the subject was explained. The purpose and contents of this work were also given. In Chapter 2, a general brief about flow separation was given. Chapter 3, consists of the experimental investigation performed in this study. The results obtained in this work and the discussions of these results were presented in Chapter 4. In the last chapter -Chapter 5- the conclusions and the originality of this work were given. In Appendix A, the results of the mean velocity and turbulence intensity mea surements for Model- 1 were given.