Aktif Akış Kontrolü İçin Jet Ve Vorteks Aktüatörünün Deneysel Ve Sayısal Araştırılması

Abstract

Bu doktora tezi çerçevesinde aktif akış kontrolü için geliştirilmiş olan jet ve vorteks aktüatörü (JaVA) deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Aktif akış kontrolü uygulamasının hava, kara ve deniz taşıtları ile akım makinalarının aerodinamik performansını ve verimini arttırabileceği ve buna bağlı gürültü ve egzoz emisyonlarını da azaltacağı bilinmektedir. Klasik aktif akış kontrolüne bir örnek olmak üzere cidar yakınındaki sınır tabaka içerisinde hava jeti veya vorteks oluşturarak akışa ilave enerji verilebilir, ve sınır tabakanın cidardan ayrılması geciktirilmiş olur. Böylece akışa karşı koyan direnç kuvvetleri azaltılır, gürültü kaynakları ve istenmeyen daimi olmayan çalkantılar en az düzeye indirgenebilir. Bu bağlamda, JaVA kaynaklı akış tipleri (farklı yönlere doğru gelişen jetler, vorteks ve kaotik akışlar), önce durgun suda sonra su kanalında akış görüntüleme ile gözlemlenmiş bu akışlar yöneten boyutsuz parametrelerle ifade edilerek tanımlanmıştır. Daha sonra parçacık görüntüleme ile hız ölçme (PIV) ile deneysel olarak hız vektörleri elde edilmiştir. Deney verileri gereken durumlarda Kriging yöntemi ile iyileştirilmiş ve zenginleştirilmiştir. Ayrıca durgun sudaki akış görüntüleme sonuçlarına optik akış hesap yaklaşımı uygulanmak suretiyle akış alanları çıkarılmış ve zamana bağlı davranışları incelenmiştir. Deneyler ile gerek durgun su tankında gerekse su kanalında ayrıntılı olarak incelenen JaVA kaynaklı akış tiplerinin, Fluent ticari yazılımı ile sayısal modellemesi yapılmış ve su kanalında JaVA-sınır tabaka etkileşimi değişik parametreler için ortaya konmuştur. Sayısal modelleme ile elde edilen sınır tabaka hız profilleri, deneysel verilerle büyük ölçüde örtüşmüştür. Ayrıca, sayısal modellemeler, akışı yöneten parametrelere bağlı olarak sınır tabaka kalınlığı, öteleme kalınlığı, momentum kalınlığı, sürtünme katsayısı gibi sınır tabaka karakteristiklerinin değişiminin anlaşılmasına ve yorumlanmasına olanak tanımıştır.

In this dissertation, a Jet and Vortex Actuator (JaVA) is investigated experimentally and numerically. It is well known that active flow control (AFC) can improve the performance and efficiency of aircrafts, vehicles and submarines as well as turbomachinery. Using AFC, it is also possible to decrease noise and exhaust emissions. A conventional example for active flow control might be to energyze the boundary layer by creating jets or vortices thus delaying flow seperation and decreasing drag forces. JaVA induced flows (e.g. various jets, vortices and chaotic flows) are visualized in still water and then in a water channel to obain flow characteristics. Then they are characterized by non-dimensional governing parameters. Next step was to obtain vector fields using Particle Image Velocimetry (PIV). PIV data is smoothed and enhanced by Kriging method when needed. In addition optical flow approach is applied to flow visualizations to obtain PIV-like vector fields and detailed temporal behavior of JaVA induced flow regimes in still water are demonstrated. After investigating JaVA-induced flow regimes in still water tank as well as water channel appropriately, JaVA flows are simulated with a commercial code Fluent to reveal JaVA-boundary layer interaction in the water channel for various governing parameters. Boundary layer velocity profiles obtained from numerical simulations agreed with those of experiments pretty well. On the other hand, numerical modeling allowed us to understand the effect of JaVA and interprete the variation of some boundary layer characteristics such as boundary layer thickness, displacement thickness, momentum thickness and friction coefficient.