Serbest yüzeyli türbülanslı akışlarda bot ve benzeri katı cisimlere etkiyen dinamik yüklerin analizi ve tayini

Abstract

Yapılan çalışma türbülanslı serbest yüzeyli akışlarda hareket eden bot ve benzeri cisimlere etkiyen yüklerin tayini için başlatılmıştır. Bu tip akışlarda sıvı filmin ve türbülansın etkilerinden dolayı hareket eden botun veya katı cismin yörüngesinin, izleyeceği yolun belirlenmesi belirli zorlukları barındırmaktadır. Bu yolun düzgün bir biçimde belirlenememesi, hatalı bir şekilde ön görülmesi tasarım ve optimizasyon hatalarına yol açabileceği gibi ek ciddi kazalara ve istenmeyen kayıplara sebebiyet verebilmektedir. Bu yüzden bahsedilen kazaların önlenmesi hataların ve kayıpların asgari düzeyde tutulabilmesi için bot ve benzeri katı cisimlere etkiyen yüklerin analiz ve numerik yöntemlerle gerçekçi bir biçimde elde edilmesi büyük önem taşımaktadır. Mühendislik açısından bakıldığında serbest yüzeyli akışlar gaz ve sıvı fazı bir arada bulunurken botunda sisteme dahil edilmesiyle katı fazı da içeren 3 fazlı bir akış sistemi söz konusudur. Üç fazı içeren bu tip sistemlere ait problemlerin çözümünde matematiksel modellemenin doğru yapılması, problemin numerik olarak çözümünün düzgün bir biçimde gerçekleştirilmesi ve analiz sistematiğinin oluşturulması önemlidir. Özellikle şişirilebilir botlar özelinde bakıldığında botun içerisindeki havanın bota visko-elastik bir yapı kazandırması da gerçek hayattaki sistemin analizini daha zor hale getirmektedir. Tüm bunlar göz önünde bulundurularak yapılan çalışmada serbest yüzeyli türbülanslı akışlarda hareket eden botlara etkiyen yüklerin hesaplanması amacıyla hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri yapılmıştır. Yapılan hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizlerinde daha önceden yapılan araştırmalar ve analizler neticesinde uygun görülen SST k-ω türbülans modeli kullanılmıştır. Cismin hareketinin düzgün bir biçimde tanımlanabilmesi için çakıştırılmış ağ tekniği kullanılmıştır. Serbest yüzey yakalama modeli olarak literatürde ve araştırma projelerinde yaygınca kullanılan akışkan hacimleri (VOF) yöntemi kullanılmıştır. Analizler serbest yüzeyli akışlarda iyi sonuç verdiği bilinen SC-Flow programında gerçekleştirilmiştir. Analizlerin sonucunda farklı ağırlıklarda, farklı debilerde ve farklı film kalınlıklarındaki kayma gerilmeleri ve hız değerleri toplanmıştır. Yapılan hesaplamalı akışanlar dinamiği analizlerinde ITTC kılavuzları takip edilmiştir. ITTC'nin hesaplamalı akışkanlar dinamiği için gemilere ve yüzen cisimlere özgü oluşturduğu bu kılavuzlardaki tavsiyelere uyulmuştur. Analizler bu kılavuzlara uygun olarak yapılmıştır. Analizlere paralel olarak deney çalışmaları sürdürülmüştür. Deney çalışmalarında sıcak telli (hot-wire) ve yapışkan uç (glue-on probe) sensörler kullanılmıştır. İlk olarak bu sensörlerin kalibrasyon deneyi yapılmıştır. Kalibrasyon deneyinde hız değerleri ve özellikleri bilinen bir boru içerisinde akış gerçekleştirilmiş frekans ayarlı pompa, ultrasonik debimetre, voltaj değerlerini nitelikli veriye dönüştürmek için mini-CTA cihazı kullanılmış. Gürültünün önlenmesi amacıyla akış ve mini-CTA topraklanmıştır. Kalibrasyondan sonra yeni bir deney düzeneği oluşturularak bota benzer bir cisim CTP materyalden yapılmış ve bu katı cisme etkiyen kayma gerilmelerine ek olarak farklı debilerde ve farklı istasyonlardaki hız değerleri toplanmıştır. Toplanan hız değerleri ve kayma gerilemeleri değerlerinden yola çıkılarak en küçük kareler yöntemiyle eğriler oluşturulmuştur. Yapılan hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizlerinde deney düzeneği birebir olarak modellenmiş ve ölçümlerin hata oranları değerlendirilmiştir. Analizlere ve ölçümlere ilişkin olarak belirsizlik analizleri yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar kabul edilebilir aralıktadır. Bu analizler ve ölçümler model ölçeğinde yapıldığından ölçek etkisi göz önünde bulundurulmuş ve geliştirilen sistematik sayesinde gerçek ölçekli model deneylerine ve analizlerine geçilmiştir. Gerçek bot ile yapılan deneylerde Vernier cihazı ile hız ve ivme ölçümleri; Dewesoft ve IMU cihazlarının yardımıyla ise hız değerleri farklı debilerde toplanmıştır. Hesaplamalı akışkanlar mekaniği analizlerinden elde edilen kayma gerilmesi değerleri interpolasyon yöntemiyle bir eğriye dönüştürülmüştür. Sonrasında kayma gerilmeleri değerlerinden yola çıkılarak ve ağırlık hesabı yapılarak anlık sürtünme katsayısı değerleri elde edilmiştir. Elde edilen sürtünme katsayısı değerleriyle gerçek boyutlu modelle hareket analizleri yapılarak hız ve ivme değerleri elde edilmiştir. Deneylerde elde edilen hız ve ivme değerleri hareket analizi sonucunda elde dilen değerlerle karşılaştırılmıştır. Buna ek olarak daha önceden ampirik formüllere dayalı olarak elde edilen sürtünme katsayılarıyla yapılan hareket analizi sonuçlarıyla da karşılaştırılmıştır. Sonuçlar deneye ve hesaplamalı akışkanlar mekaniği analizlerine dayalı olarak geliştirilen katsayıların daha iyi sonuç verdiğini göstermekte ve kabul edilebilir aralıktadır. Bu bakımdan bakıldığında sonuç olarak hesaplamalı akışkanlar dinamiğinde kullanılan girdilerin sistem için doğru sonuçlar verdiği bu sayede elde edilen katsayıların bu tip botların yörüngesinin tayininde daha gerçekçi sonuçlar verdiği görülmüştür. Buna bağlı olarak ta bir analiz sistematiği geliştirilmiştir. Çalışma sonradan yapılacak çalışmalara örnek olması açısından da önemini korumaktadır. İlerideki çalışmalarda farklı kanal yapıları ve bot tipleri için benzer analiz sistematiği kullanılarak karşılaştırmalı çalışmalar çoğaltılabilir. Buradan yola çıkılarak daha fazlı tipteki yüzen katı cisim ve botlar için tasarım ve optimizasyon çalışmaları yapılabilir.