Sınır tabaka bariyerinin S-kanal içerisindeki hava akışına etkisinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) ile incelenmesi
The investigation of the effect of boundary layer fence on the air flow in an S-duct by computational fluid dynamics (CFD)
Yazar: EMRAH AKSOY
Danışman: DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Basınç kaybı = Pressure loss ; Hava akımı = Air flow ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Sınır tabaka = Boundary layer

Özet:
Eğrisel forma sahip kanallar ve borular endüstride birçok alanda sıklıkla kullanılmaktadırlar. Havacılık sektörü, güç üretim sistemleri, iklimlendirme ve havalandırma sistemleri, otomotiv uygulamalarında akışkan transferini gerçekleştirmek için eğrisel kanallar ön plana çıkmaktadır. Özellikle havacılık sektöründe, hava araçlarındaki kısıtlı bölgelerde eğrisel kanallar tercih edilirler. 90 derece dönüşe sahip kanallar ve S şeklinde eğrisel dönüşe sahip kanallar sıklıkla kullanılan eğrisel kanallardır. 
S şeklindeki kanal akışlarında, akış karakteristiğini etkileyen en önemli parametreler geometrik boyutlar ve akışa ait karakteristik büyüklüklerdir. Tasarlanan kanalın giriş kesiti ve çıkış kesiti arasındaki büyüme oranı, merkez çizgisinin eğrilik yarıçapı ve uzunluğu dikkate alınması gereken parametrelerdir. Özellikle kanal girişinden çıkışına olan alan oranı artışı, kanal içerisindeki akış ayrılmalarını tetikleyen en önemli parametrelerin başında gelmektedir. Ayrıca kanalın dönüş açısı da yüzey üzerindeki basınç dağılımını ve buna bağlı olarak yüzeydeki akışkan hareketini önemli derecede etkilemektedir. Kanal dönüş açısının artması, eğrilik yarıçapı doğrultusundaki basınç farkını arttırır. Bu basınç farkı ile eğrilik yarıçapı yönünde akışkan hareketi meydana gelir ve akışkan parçacıkları yüzeyden ayrılmaya zorlanır. Akışın yüzeyden ayrılması kanal içerisinde istenmeyen basınç kayıplarının oluşmasına yol açmaktadır. Ayrıca yüzeyden kopan akışkan parçaları yüzeye yakın bölgede girdap hareketlerine yol açar ve akışkan hareketinin önünde bir engel oluşturur. Sınır tabaka ayrılmaları ve ikincil akışların ortaya çıkması kanal çıkış yüzeyinde istenmeyen özelliklerde bir hava akışına neden olur. Özellikle beklenenden daha fazla basınç düşmesi ve düzgün olmayan bir hava dağılımı elde edilebilir. Bu durum da kanalın devamına yerleştirilecek olan sistemin daha düşük verimde çalışmasına neden olmaktadır.
Kanal içerisindeki hava akışı sonucu ortaya çıkan basınç kayıplarını ve ikincil akışları yok etmek/azaltmak için sıklıkla kullanılan yöntemler vardır. Girdap üreticiler dönüşlü kanallar içerisinde ortaya çıkan akış ayrılmalarını yok etmek için kullanılırlar. Akışın ayrılma eğiliminde olduğu yüzeye gömülen girdap üreticiler, hava akışı içerisinde girdap akımları oluşturarak yüksek momentum akış bölgesinden düşük momentum bölgesine momentum transfer ederek akışın enerjisini arttırır ve yüzeyden ayrılmasını engellerler. Üretimleri ve montajları kolay olmakla birlikte, girdap üreticilerinin geometrik şekilleri, diziliş konfigürasyonları ve adetleri akış üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Üfleme ve emme metodu da akış ayrılmasını engelleme de kullanılan bir diğer yöntemdir. Akışın ayrıldığı yüzey üzerine, ayrılma noktasından daha geriye açılan bir açıklık üzerinden akışkan transfer edilir. Bu sayede ayrılma gerçekleşen yüzey etrafında akışkana enerji kazandırılmış olur. Sınır tabaka bariyerleri de dönüşe sahip geometrilerde, akış boyunca oluşan girdap akımların şiddetini azaltmak için tercih edilirler. Hem iç akış hem de dış akış uygulamalarında kullanılırlar. Girdap akımının oluşmaya başladığı bölgeye yerleştirilen sınır tabaka bariyerleri, teğetsel hız bileşenlerini eksenel hız bileşenine dönüştürerek ikincil akış şiddetini azaltırlar. Bu sayede de ikincil akışlardan kaynaklanan basınç kayıpları azaltılmış olur. Kullanılan sınır tabaka bariyerlerinin geometrik özellikleri, akış özellikleri üzerinde çok büyük etkiye sahiptir. Kullanılan sınır tabaka bariyerinin kesit büyüklüğü akışa karşı bir engel yaratırken ortaya çıkan girdap akımların şiddetini azaltmada etkilidir. Ayrıca sınır tabaka bariyerinin uzunluğu da basınç kayıplarının azaltılmasında önemli bir rol oynamaktadır. Girdap üreticilerle benzer görevi yapan bir diğer uygulama da yüzey oluklarıdır. Yüzeye malzeme eklemek yerine malzeme çıkarılarak yapılan bu işlem, ortaya çıkarılan girdap akımları ile yüksek enerjiye sahip akış bölgesinden düşük enerjiye sahip akış bölgesine momentum transfer ederler. 
Dönüşlü yapıya sahip bir kanal içerisindeki hava akışının HAD ile analizleri gerçekleştirilmiştir. Kullanılacak olan analiz metodunun doğrulanması için bir test çalışması incelenmiştir. Çalışmada kullanılan hava kanalı HAD ortamında modellenmiştir. Türbülans modeli olarak k-ω SST tercih edilmiştir. Literatürde incelenen iç akış problemlerinin birçoğunda, test ortamında değerlendirilen iç akış problemlerinin HAD analizleri farklı türbülans modelleri ile irdelenmiştir. k-ω SST türbülans modelinin test sonuçları ile oldukça uyum içerisinde olduğu gözlemlenmiştir. 90 derece dirseğe sahip kare kesitli kanal için Re sayısının 342190 olduğu test sonuçlarına göre farklı düzlemlerdeki hız profilleri elde edilmiş ve test verileri ile kıyaslanmıştır. Dirsek bölgesinde kanalın sahip olduğu eğrilikten dolayı radyal yöndeki basınç farkı, hız profilinin bu yönde kaymasına sebep olmuştur. Bu nedenle hız profillerinin HAD ortamında daha doğru yakalanabilmesi için "eğrilik düzeltme" faktörü kullanılmıştır. Eğrilik düzeltmenin kullanıldığı ve kullanılmadığı HAD analiz sonuçları test verileri ile kıyaslandığında, yüksek gradyene sahip hız profillerinin eğrilik düzeltme katsayısı ile daha doğru şekilde tahmin edildiği görülmüştür. Sınır tabaka bölgesi haricinde HAD ve test sonuçlarının uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Sınır tabaka bölgesindeki tutarsızlıklar ise bu bölgedeki ölçümlerin zorluğundan kaynaklanmaktadır. Aynı kanal içerisinde Re sayısının 360000 olduğu durum için de bir test çalışması incelenmiştir. Bu çalışmada da basınç kayıplarını azaltmak için üst duvara tam uzunluklu ve yarım uzunluklu olacak şekilde toplam 5 farklı bariyer yerleştirilerek testler yapılmıştır. Tüm bariyer geometrileri HAD analizleri için de modellenmiştir. Kullanılan 5 bariyer geometrisinde 2 tanesi basınç kayıplarını arttırırken 3 tanesi de basınç kayıplarının azalmasını sağlamıştır. Bu durum HAD analizlerinde de elde edilmiştir. Toplam basınç kayıp katsayısı tanımlanmıştır ve bu değer bariyersiz kanal geometrisi için 0.167 olarak hesaplanmıştır. Aynı parametre HAD analizlerinde 0.16 olarak elde edilmiştir. Aradaki farklılığın temel sebebi test ve analiz ortamındaki hava yoğunluğunun farklı olmasıdır. Bu kanal geometrisindeki akış koşullarında dirsek bitiminden sonra etkileşim halinde olan iki girdap akım çifti oluşmuştur ve duvara oldukça yakın bölgededir. Bu nedenle kullanılacak bariyerin alanının küçük olması girdap akım çiftinin etkisinin azaltılması için daha fazla avantaj sağlamıştır. 
Kullanılacak olan metot doğrulandıktan sonra, S şeklinde bir hava kanalı tasarlanmıştır. Kanal hem saat yönünde hem de saat yönünün tersine 45 derece dönüş açılarına sahiptir. Giriş kesiti dikdörtgendir. Çalışmanın ilk aşamasında kanal alanı girişten çıkışa farklı oranlarda büyütülmüştür. Alan oranı 2.56'ya gelene kadar kanal boyunca toplam basınç kayıpları azalmış ancak 2.56'dan sonra tekrar artmaya başlamıştır. Bunu da akış profili üzerinde göstermek için kanal orta kesiti boyunca hız profili hem eş çizgiler hem de vektör çizgileri olarak elde edilmiştir. Alan oranının 2.56'yı geçmesi ile birlikte ilk dönüşün bittiği ve ikinci dönüşün başladığı yerde akışın yüzeyden ayrıldığı ve girdap akışların oluştuğu gözlemlenmiştir. Bu nedenle en az basınç kaybını sağlayan 2.56'lık alan oranına sahip olan S-kanal ile HAD analizlerine devam edilmiştir. Ayrıca kanal girişinden çıkışına kadar belirli bölgelerdeki ikincil akış dağılımları incelenmiştir. Birinci dirseğin bittiği bölgede en yüksek ikincil akış değerleri gözlemlenmiştir. Hem basınç kayıplarını hem de ikincil akışları azaltmak amacı ile kullanılacak olan sınır tabaka bariyer geometrileri birinci dönüşün bittiği ve ikinci dönüşün başladığı noktadan itibaren kanala yerleştirilmiştir. Dikdörtgen kesitli bariyerler tercih edilmiştir. 3 farklı yükseklik ve 5 farklı genişlik olacak şekilde 15 farklı bariyer geometrisi yerleştirilerek HAD analizleri tamamlanmıştır. Kanal kesitinin büyüyerek ilerlemesinden dolayı girdap akımlar tüm kesite yayılmıştır. Bu nedenle küçük kesitli bariyerlerin kullanılması ikincil akışların azaltılmasında etkisiz kalmıştır. Sınır tabaka bariyerlerinin genişlikleri arttıkça, hem toplam basınç kayıp katsayısı azalmış hem de ikincil akışlar ciddi oranda azaltılmıştır. 40 mm genişlik ve 6 mm yüksekliğe sahip olan bariyer yapısı kullanıldığında toplam basınç kayıp katsayısı %4.18 oranında azalmıştır. Çıkış kesiti giriş kesitine göre 2.56 oranında arttığı için sadece bir yüzeye eklenen bariyer yapısı ikinci girdap çiftinin etkisini azaltamamıştır. 40 mm x 6 mm bariyer yapısı karşılıklı 2 duvara yerleştirildiğinde toplam basınç kayıp katsayısındaki iyileşme %4.18'den %7.13'e çıkarılmıştır. Bariyersiz kanalda çıkış kesitindeki ikincil hız şiddeti 1.3 m/s olarak hesaplanırken, 40 mm x 60mm'lik bir bariyer kullanılması ile bu değer 0.96 m/s'ye inmiştir. Karşılıklı iki duvara bariyer yerleştirildiğinde ise çıkış kesitindeki ikincil hız 0.69 m/s değerine kadar düşmüştür. Yani karşılıklı 2 bariyer kullanıldığında, çıkış kesitindeki ikincil hız değeri neredeyse yarı yarıya azalmıştır.

Abstract:
Channels and pipes with curvilinear form are frequently used in many areas of industry. Curvilinear ducts come into prominence to realize fluid transfer in aviation industry, power generation systems, air conditioning and ventilation systems, automotive applications. Especially in the aviation industry, curvilinear ducts are preferred in restricted areas in aircraft. Ducts with 90 degree turns and ducts with S-shaped curvilinear turns are frequently used curvilinear ducts.
Geometric dimensions and characteristic paramaters of flow are the most important parameters effecting the flow characteristics in S-shaped channel flows. The growth rate between the inlet section and the outlet section of the designed duct, the radius of curvature and the length of the centerline are the parameters to be considered. In particular, the increase in the area ratio from the channel entrance to the exit is one of the most important parameters that trigger the flow separations in the channel. In addition, the rotation angle of the channel significantly affects the pressure distribution on the surface and accordingly the fluid movement on the surface. Increasing the channel rotation angle increases the pressure difference in the direction of the radius of curvature. With this pressure difference, fluid movement occurs in the direction of the radius of curvature and the fluid particles are forced to separate from the surface. Separation of the flow from the surface leads to the formation of undesirable pressure losses in the channel. In addition, the fluid particles detached from the surface cause eddy movements in the near-surface region and create an obstacle in front of the flow. Boundary layer separations and the emergence of secondary flows cause an undesirable air flow at the duct outlet surface. In particular, a greater than expected pressure drop and a non-uniform air distribution can be achieved. This situation causes the system to be placed in the continuation of the channel to operate at a lower efficiency than desired.
There are some techniques used frequently in order to eliminate or decrease pressure losses and secondary flows which emerge during flow as a undesirable situation. Vortex generators are used to diminish flow separations occurred during flow in curvilinear ducts. Vortex generators submerged on a surface, which flow is tend to separate create vortex flows in order to transfer energy from flow region has higher momentum to flow region has lower momentum, increase energy of flow and prevent fluid particle from separating from the surface. Although they are easy to manufacture and assemble, the geometric shapes, array configurations and numbers of vortex generators have a significant impact on the flow. The blowing and suction method is another method used to prevent flow separation. The fluid is transferred onto the surface where the flow leaves, through an opening that opens further back than the split point. In this way, energy is given to the fluid around the separation surface. Boundary layer fences are also preferred in rotating geometries to reduce the intensity of eddy currents that occur along the flow. They are used in both internal and external flow applications. Boundary layer fences placed in the region where the eddy current starts to occur reduce the secondary flow intensity by converting the tangential velocity components to the axial velocity components. In this way, pressure losses caused by secondary flows are reduced. The geometric properties of the boundary layer fences used have a great influence on the flow properties. While the cross-sectional size of the boundary layer fence used creates an obstacle, it is effective in reducing the intensity of the resulting eddy currents. In addition, the length of the boundary layer fence also plays an important role in reducing pressure losses. Another application that performs a similar task with vortex generators is surface grooves. This process, which is done by removing material instead of adding material to the surface, transfers momentum from the high energy flow region to the low energy flow region with the eddy currents created.
The analysis of the air flow in a duct with a rotational structure was carried out with CFD. A test study was examined to validate the analysis method to be used. The air duct used in the study is modeled in CFD medium. As the turbulence model, k-ω SST was preferred. In most of the internal flow problems examined in the literature, CFD analyzes of internal flow problems evaluated in the test environment were examined with different turbulence models. It has been observed that the k-ω SST turbulence model is in good agreement with the test results. According to the test results where the Re number is 342190 for the square section duct with 90 degree bends, velocity profiles in different planes were obtained and compared with the test data. Due to the curvature of the channel in the elbow region, the pressure difference in the radial direction caused the velocity profile to shift in this direction. For this reason, the "curvature correction" factor was used to capture the velocity profiles more accurately with CFD. When the CFD analysis results with and without curvature correction were compared with the test data, it was seen that velocity profiles with high gradient were estimated more accurately with the curvature correction coefficient. Except for the boundary layer region, CFD and test results were observed to be compatible. The inconsistencies in the boundary layer region are due to the difficulty of measurements in this region. A test study was also examined for the case where the Re number is 360000 in the same channel. In this study, tests were carried out by placing a total of 5 different fences, full-length and half-length, on the upper wall in order to reduce pressure losses. All fence geometries are also modeled with CFD analyses. While 2 of the 5 fence geometries used increased pressure losses, 3 of them provided a decrease in pressure losses. This situation was also obtained in CFD analyses. The total pressure loss coefficient was defined and this value was calculated as 0.167 for the  duct geometry, which no fence placed. The same parameter was obtained as 0.16 in CFD analysis. The main reason for the difference is the difference in air density in the test and analysis environment. In flow conditions in this channel geometry, two interacting eddy current pairs have formed after the end of the elbow and are in the region very close to the wall. For this reason, the small area of the fence to be used provides more advantages to reduce the effect of the eddy current couple. 
After the method to be used was verified, an S-shaped air duct was designed. The channel has a 45 degree rotation angles both clockwise and counterclockwise directions. The entrance section is rectangular. In the first stage of the study, the channel area was enlarged from inlet to outlet at different rates. The total pressure losses along the channel decreased until the area ratio reached 2.56, but started to increase again after 2.56. In order to show this situation, the velocity profiles along the channel mid-sections are obtained as both contour lines and vector lines. It has been observed that when the area ratio exceeds 2.56, the flow separates from the surface and eddy flows occur at the point where the first turn ends and the second turn begins. For this reason, CFD analyzes were continued with the S-channel, which provides the least pressure loss and has an area ratio of 2.56. In addition, secondary flow distributions in certain regions from the channel inlet to the outlet were investigated. The highest secondary flow values were observed in the region where the first bend ends. The boundary layer fence geometries to be used to reduce both pressure losses and secondary flows are placed in the channel from the point where the first turn ends and the second turn begins. Rectangular cross-section fences are preferred. CFD analyzes were completed by placing 15 different fence geometries with 3 different heights and 5 different widths. The eddy currents spread over the entire section due to the enlargement of the channel section. Therefore, the use of small-section fences was ineffective in reducing secondary flows. As the widths of the boundary layer fences increased, both the total pressure loss coefficient decreased and the secondary flows were significantly reduced. When the fence structure with a width of 40 mm and a height of 6 mm is used, the total pressure loss coefficient decreased by 4.18%. Since the exit section increased by 2.56 compared to the entrance section, the fence structure added to only one surface could not reduce the effect of the second vortex pair. When the 40 mm x 6 mm fence structure was placed on 2 opposite walls, the improvement in the total pressure loss coefficient was increased from 4.18% to 7.13%. While the secondary velocity magnitude at the exit cross-section was calculated as 1.3 m/s in the channel with no fence, this value decreased to 0.96 m/s with the use of a 40 mm x 60 mm fence. When a fence was placed on two opposite walls, the secondary velocity at the exit section decreased to 0.69 m/s. That is, when 2 opposite fences are used, the secondary velocity value at the exit section is reduced by almost half.