Dikey ip üzerinde damlacıklı akışın oluşturulması ve incelenmesi
Formation and investigation of droplet flow on a vertical string surface
Yazar: BORA DOĞAN
Danışman: PROF. DR. İSMAİL TEKE
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Akış = Flow ; Damlacık oluşumu = Droplet formation ; Uç etkileri = End effects ; İnce filmler = Thin films

Özet:
Düşey yönlü olarak yerleştirilmiş yüksek eğriselliğe sahip bir yüzey üzerinde yerçekimi etkisi ile akmakta olan ince film tabakası, yüzeyler arası dinamik etkiler sebebiyle film formunu koruyamamaktadır. Bu ince film öncelikle dalgalanmaya daha sonra bu dalga genliğinin giderek artmasıyla kopmakta ve damlacık formuna geçiş yapmaktadır. Veyahut düşük kütlesel debilerde beslenen nozülden çıkan akışkan film formuna dönüşemeden nozül ve akışkan arasındaki yüzeysel kuvvetler dolayısıyla damlacık formunda nozülden ayrılabilmektedir. Yüzeyler arasında gerçekleşen bu dinamik etkiler altında nozülde veya nozülden çıktıktan sonra form değiştiren akışkan, tel/kablo kaplama, direkt temaslı ısı ve kütle transferinin bulunduğu uygulama alanlarında büyük önem kazanmaktadır. Oluşan damlacıklı yapı, ince film tabakasına kıyasla aynı hacimde daha fazla yüzey alanı elde edilmesine sebep olmaktadır, bu yüzey alanı/hacim oranın büyük olması özellikle ısı ve kütle transferinde kullanılan uygulamalarda sağlayacağı pozitif etki proses verimliliğini arttırmaktadır.
Bu tip bir akışın oluşması yüzeyler arası dinamik etkilere bağlı olmasına rağmen genel olarak akışa düzensizlik hâkimdir; damlacıkların farklı çaplarda oluşması, akış sırasında bu damlacıkların birbiri ile çarpışması ve bu çarpışma ile dağılma ve birleşmeler söz konusudur. Bu öngörülemeyen düzensizlik sebebiyle, sistem üzerinde ısı veya kütle transferi hesabı yapmak ya mümkün olmayacak ya da çok zorlaştıracaktır. Ancak bu düzensizlik çeşitli parametreler altında düzenli eğilim göstermektedir. Bu düzenli olduğu durum Rayleigh-Plateau Rejimi olarak adlandırılan, damlacık boyunun ve hızının sabit olduğu böylece damlacıkların periyodik olarak oluşup birbiri peşi ardına hareket etmekte olduğu alanı ifade etmektedir. Sistemin bu şekilde düzenli olması sistemin statik olarak kabul edilmesine ve ilgili hesaplamaları yapmayı kolaylaştırmaktadır.
Bu tez çalışması, nozül ucunun yüksek eğriselliğe sahip dairesel kesitli dikey düzlemler de Rayleigh-Plateau rejiminde hareket etmekte olan damlacıklı akışın oluşturulması ve incelenmesinin yapılmasını içermektedir. Nozül ucunda damlacıkların oluşumu, oluşan damlacık çapları, düşey olarak hızları, damlacıkların oluşma frekansı, bu damlacık yüzeylerinin oluşturdukları yüzey alanları ve nozülün yatık halde olmasının damlacık çapına etkileri üzerine detaylı bir şekilde deneysel olarak incelenmekte, analitik olarak denge denklemleri yardımı ile nozül uç etkilerini ifade edecek düzeltme katsayıları oluşturulmasını içermektedir.
Yapılan tüm çalışmalarda proses sanayinde sıklıkla kullanılan su akışkan olarak seçilmiştir. Akışkanın hareket edeceği yüksek eğriliğe sahip dairesel kesitli yüzey ise pamuklu ip olarak belirlenmiştir. Su, pamuklu ipi tam olarak ıslattığından bu tarz Rayleigh-Plateau akımı oluşturulması açısından birbirleri için uygundur. Kullanılan akışkan kütlesel debisi tüm çalışma boyunca sabit tutulmuştur.
Çalışmanın ana konusu dikey ip yüzeyi üzerinde damlacıklı akışın oluşturulması ve incelenmesi olduğundan, Rayleigh-Plateau akımı oluşturabilecek nozül grupları tasarlanarak imal edilmiştir. Tüm nozüller aynı malzemeden yapılmış ve aynı iç/dış çapa sahiptir, aralarındaki tek fark uç kısımlarının özel olarak modifiye edilmiş olmasıdır.
Bu çalışma, temel olarak beş ana bölüm altında toplanmıştır;
• İlk ana bölüm, konu hakkında yapılmış olan literatür çalışmalarını iki alt başlık altına incelemektedir. İlk alt bölümde, Rayleigh-Plateau akımı şeklinde hareket eden damlacıkları incelemek için, düşey yüksek eğriselliğe sahip dairesel kesitli yüzeyler üzerinde akış bunların parametreleri hakkında yapılan literatür çalışmaları incelenmiştir. İkinci alt bölümde ise, nozül ucunda oluşturduğumuz damlacıkların oluşumu mekanizmasını ve parametrelerini anlayabilmek için günümüze kadar gelmiş deneysel, analitik ve nümerik çalışmaları içermektedir.
• İkinci ana bölüm, nozül ucunun etkilerini incelemek için tasarladığımız deney düzeneğini, deney düzeneğini oluşturan elemanların seçim ve dizayn parametrelerini detaylıca anlatmaktadır. Son olarak deneyin gerçekleştirilmesi anlatılmıştır.
• Üçüncü ana bölüm, tasarlanmış olan deney ekipmanları ve nozüller ile bu nozüllerin oluşturduğu farklı çaplı damlacıklara yoğunlaşmıştır. Farklı nozüllerin oluşturduğu farklı çaplı damlacıklar, bunların pamuk ip yüzeyi üzerinde hareket hızları, damlacıkların frekansı, damlacıklar arası mesafelerin değişimi, damlacık yüzey alanlarındaki değişimler detaylıca incelenmiş, grafikler ve tablolar halinde sonuçlar paylaşılmıştır. Son alt başlıkta ise, nozülün eğik olduğu durumda damlacık çaplarının nasıl değiştiği grafikler ve tablolar verilerek anlatılmıştır.
• Dördüncü ana bölüm, deneysel verilerin denge denklemleri yardımıyla analitik olarak irdelenmesini içermektedir. Nozül uç etkisini nümerik hale getirerek "K" nozül uç katsayısı tanımlanmıştır. Alt bölümlerde ise nümerik hale getirilen "K" katsayısının doğrulanmasına yönelik çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Bunlara ek olarak damlacığın nozülden koptuktan sonra ip üzerinde düşey olarak hareketi incelenmiştir.
• Beşinci ve son bölüm ise bu çalışma sonucunda elde edilen sonuçlar ve öneriler kısmından oluşmaktadır.

Abstract:
Thin film flows falling down on vertically oriented highly curved surface can not keep its thin film form due to interfacial dynamics. While that thin film flow down with effect of gravity, first travelling wave paterns begin to occur, then with increase of wave amplitude that wave paterns turn into droplets. As those dynamic interfacial effects change flow patterns of film, that creats big effects on wire coating, heat and mass transfer. Droplets formed by dynamic interfacial effects has more surface area than film flow at first stage even they have same volume. Heat and mass tranfer processes benefit greatly from that increased surface area.
Forming this kind of specific flow patern occurs naturally, however it is mostly instable; drops occured in different diamaters creats clash and merge during flow. Due to that instability on falling droplets, heat and mass transfer calculation can not be possible or really difficult. However in some conditions that drops flow with order, which is called as Rayleigh-Plateu Regime. In Rayleigh-Plateu regime, drop diameters are constant, drop speed is constant, so on highly curved surfaces like string, drops occur periodically and flow in constant speed. That gives an immage
of pearl necklace style flow. Because of that stability on flow and occurance of droplets allow making calculations easy and precise.
This thesis study presents nozzle tip effect of falling drops on higly curved, circular surfaces in Rayleigh-Plateu regime. Detailed experimental investigation of drop formation on nozzle tip, droplet diamaters, droplet fall speed, droplet formation frequency, droplet surface area and droplet generation on tilted nozzle conducted with analitic study on force balance on nozzle tip to identify nozzle tip point effects.
All studies has been conducted with one of the most used liquid, water. Highly curved surface, where droplets are run through, is selected as a cotton thread. This water and cotton thread couple is suitable to creat Rayleigh-Plateau regime, as water is capable to wet cotton thread. Mass flow of the liquid keeped constant during all experiments.
As main topic of that study is nozzle tip effects on droplets, series of nozzle has been designed and manufactured to creat Rayleigh-Plateau regime on cotton thread. All nozzles made of same material with same size ID/OD, only difference is specifically designed nozzle tips.
This investigation consists of five main sections;
• First section is literature study to identify exisiting knowledge base on drop generation and falling flows through highly curved surfaces. That section has been divided into two main sub-sections. First sub-section is investigates literature on droplets flow fall down highly curved surfaces on Rayleigh-Plateau regime. Second sub-section is droplet generation on nozzle tip, parameters and mechanism to creat periodical droplets are being studied. All leading experimental, analitical and numerical studies has been investigated.
• Second main section is design of experimental setup to investigate nozzle tip effect. Equipments and design parameters has been studied detailly. Additionally setup of equipments and parameters has been shared to collect data from experimental setup. End of this section execution of the experiments has been explained.
• Third main section is focusing on the droplet diameters have been created by different nozzle tips. Experimental results of; droplet diameters created by different nozzle tips, droplet speeds falling through cotton thread, frequency of the droplets, change of the distance between droplets, surface area created by droplets has been shared and investigated with detailed graphs. On the last sub-section droplet diameters formed by tilted nozzles has been studied.
• Fourth main section is investigation of force balance with experimental data. By using force balance on nozzle tip, nozzle tip effect has been generated as coefficient which named as 'K'. After identifying 'K' coefficient, verification of that coefficient has been conducted.
• Fifth and last section is conclusion section where we shared all results and recommendations for further studies.