Yüzeylerinden düzgün üfleme yapılan kare kesitli silindir etrafındaki akışta aerodinamik özelliklerin deneysel ve sayısal incelenmesi
Experimental and numerical investigation of the aerodynamic parameters in the flow around a perforated square cylinder with uniform injection
Yazar: AHMET ÖMÜR TURHAL
Danışman: PROF. DR. BURHAN ÇUHADAROĞLU
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Kare kesitli küt cisimler etrafındaki akış; yüksek yapılar etrafındaki rüzgâr hareketi, çeşitli ısı değiştirgeci uygulamaları, deniz, hava ve kara taşıtlarının bazı donanımları etrafındaki akış gibi çeşitli uygulamalarda ortaya çıkar. Bu türden tasarımlarda; direnç ve kaldırma kuvvetinin kontrolü, ısı geçişinin iyileştirilmesi veya ısıl korumanın sağlanması gibi bazı temel amaçlar hedeflenir. Cisimlerin yüzeylerinden yapılan üfleme veya emme, cisim etrafındaki akışa ait çeşitli parametreleri denetim altına alma amacıyla bilinen yöntemlerdendir.Bu tez çalışması kapsamında; akışa karşı yatay ve diyagonal konumlarda duran kare kesitli silindirin çeşitli yüzeylerinden yapılan üflemenin; direnç ve kaldırma katsayıları ve Strouhal sayısı üzerindeki etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Bu amaçla, bir rüzgar tüneli üç farklı Reynolds sayısında (10000, 16000, 24000) ve çeşitli üfleme hızlarında yapılan deneylerde akış içerisinde bulunan silindir yüzeylerinde basınç ölçümü ve silindirin arkasındaki iz bölgesinde girdap frekans ölçümleri yapılmıştır. Ayrıca yatay kare kesitli silindir etrafındaki iki boyutlu türbülanslı akışta, uygun sınır koşulları ile model yüzeylerinden yapılan üfleme için geliştirilmiş olan bir bilgisayar programı yardımıyla direnç katsayısı ve kaldırma katsayısı değerleri sayısal olarak elde edilmiş ve deneysel veriler ile karşılaştırılmıştır. Bu amaçla; ?Kato-Launder? iyileştirmeli k- ? türbülans modelinin kullanıldığı ve denklem sisteminin sonlu hacim yöntemine göre ayrıklaştırıldığı bir algoritma kullanılmıştır.Çalışmada elde edilen bulgular göstermiştir ki; bütün üfleme uygulamaları içerisinde yatay kare silindirin üflemesiz duruma göre direnç katsayısındaki en yüksek düşüş üst-arka-alt yüzeylerden yüksek hızda yapılan üflemede ortaya çıkmaktadır. Direnç katsayısındaki en fazla artış ise ön yüzeyden yüksek hızda yapılan üflemede görülmüştür. Strouhal sayısı için en düşük değerler arka yüzeyden ve bütün yüzeylerden yapılan üfleme uygulamasında elde edilmiştir. Dolayısıyla girdap kontrolü açısından en ideal olanın arka yüzeyden yapılan üfleme uygulaması olduğu belirlenmiştir. Diyagonal kare silindir yüzeylerinden yapılan üflemede en düşük direnç katsayısı ön yüzeylerden yapılan üfleme durumunda elde edilmiştir. Diyagonal kare silindirin ön-üst yüzeyinden yapılan üfleme uygulamasında Strouhal sayısının değişmediği, diğer bütün üfleme uygulamalarında Strouhal sayısının artan üfleme katsayısı ile birlikte artmakta olduğu görülmüştür. Sayısal sonuçlar bir ve iki yüzeyden üfleme durumunda deneysel veriler ile uyum gösterirken, diğer üfleme uygulamalarında farklılıklar ortaya çıkmıştır.

Abstract:
The flows around square section bluff bodies, such as high-rise buildings, fan-coils, some parts of ships and submarines, aircrafts and road vehicles etc., are encountered in practical applications. In such designs, it is aimed that the control of drag and lift force, the enhancement of heat transfer and the thermal protection. The injection or suction through the perforated surfaces of the bodies is a known method of controlling the various flow and aerodynamic parameters.In the context of this thesis, the surface pressure distribution and the vortex shedding frequency were investigated for the flow around perforated horizontal and diagonal square cylinders with uniform injection through various surfaces. For this purpose, surface pressure measurements on each square cylinder (horizontal and diagonal) and vortex shedding frequency measurements in the wake region were performed at three different Reynolds numbers (10000, 16000, 24000) in a wind tunnel. The parameters considered were injection coefficient, position of perforated surface (i.e., top, rear, top-rear, all etc.), pressure coefficient, drag coefficient, lift coefficient and the Strouhal number. In addition, the drag and lift coefficients of the horizontal square cylinder were computed by a home made code which includes the uniform injection effects through surfaces with the proper boundary conditions. For this purpose, the k- ? turbulence model with Kato and Launder modification was employed and the differential equations were discretized by the finite control volume method.The results showed that the lowest drag coefficient of the horizontal square cylinder was obtained for the highest injection velocity through top-rear-bottom surfaces, while the highest value was obtained for the highest injection velocity through front surface. The lowest values of the Strouhal number were obtained for the injections through rear and all surfaces, which is the finest application for the vortex dynamics control. In case of the diagonal square cylinder, the lowest drag coefficient was obtained for the injection through front surfaces. The Strouhal number was increased with increasing injection velocity for the all configurations except the injection though front-top surfaces which the Strouhal number was constant. The numerical results showed a good agreement with the measurements of the injections through one and two surfaces, while some discrepancies were seen in other injection applications.