Helisel dönen türbülanslı akışa sahip modüler bir düze tasarımı optimizasyonu ve nümerik simülasyonu
Modular düze design optimization and numerical simulation with swirling turbulent flow
Yazar: EKREM GÜLSEVİNÇLER
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA REŞİT USAL
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Dönmeli akış = Swirl flow ; Ring iplikçiliği = Ring spinning ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic ; Sıkışabilir akışlar = Compressible flows ; Türbülanslı akış = Turbulent flow ; İplik tüylülüğü = Yarn hairiness

Özet:
Bu tez çalışmasında, tekstil sektöründe yaygın olarak kullanılan hava düzelerinin konvansiyonel ring iplik eğirme makinelerine ilave bir proses olarak entegre edilmesi, konvansiyonel hava düzelerinin modüler bir yapıya dönüştürülmesinin sağlanması amaçlanmıştır. Ayrıca hava düzeleri içerisindeki akışkan akışına ait sayısal simülasyonları araştırılmıştır. 

Belirlenen yapısal parametrelerdeki konvansiyonel ve modüler düzelerin 150 farklı konfigürasyondaki hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri, ANSYS CFX 18.0 programı kullanılarak ve parametrik çalışma yapılarak gerçekleştirilmiştir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizlerinde giriş sınır şartı olarak enjektör hava girişinden 225 kPa basınç değeri tanımlanmıştır. İplik girişinden açıklık sınır şartı ve düze çıkışından çıkış sınır şartı belirlenmiştir. Türbülans modeli olarak SST, akışkan türü olarak 25 °C'deki hava seçilmiştir.

Tez çalışmasının deneysel analiz bölümünde, konvansiyonel ve modüler düzeler Merlin SP43 konvansiyonel ring iplik eğirme makinesine entegre edilmiştir. Belirlenen yapısal konfigürasyonlarda, 75 kPa ve 125 kPa olmak üzere iki farklı gösterge basıncı değerinde iplik üretimi yapılmıştır. İplik eldesinde yaygın olarak kullanılan elyaf türlerinden biri olan %100 pamuk lifleri kullanılarak, Ne 30/1 iplik inceliğine sahip tek katlı Jetring iplikler üretilmiştir. Düzeye ait yapısal parametrelerin tüylülük, düzgünsüzlük, mukavemet ve kopma uzaması gibi iplik özellikleri üzerindeki etkisinin belirlemesi için elde edilen test sonuçları cevap yüzey metodolojisi yöntemi ile istatistiksel olarak analiz edilmiştir.

Tez çalışmasının devamında,  konvansiyonel düzeler ile üretilen ipliklerin tüylülük sonuçları ile hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi akış parametreleri birlikte değerlendirilmiştir. İplik kalitesini belirleyen önemli bir özellik olan iplik tüylülüğünün azaltılması için hangi akış parametrelerinin etkili olduğu ve bu akış parametrelerini istenilen değerde elde etmek için nasıl bir yapısal parametre değişimine ihtiyaç duyulduğu tespit edilmiştir.

Tez çalışmasının son bölümünde ise, konvansiyonel düze ile modüler düzeye ait hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri karşılaştırılmış, düzeler arasındaki benzerlik ve farklılıklar ortaya çıkarılmıştır. İplik tüylülüğü – hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizinden elde edilen akış parametreleri karşılaştırıldığında, yüksek vortisite ya da helisite gerçek öz değerlerine sahip modüler/konvansiyonel düzelerin düşük iplik tüylülük değerlerine sahip olduğu anlaşılmıştır. Yüksek vortisite ya da helisite gerçek öz değerlerini elde etmek için de modüler düzeye ait büküm odası çapının minimum değerde ve enjektör çapının ise maksimum değerde seçilmesi önerilmektedir.

Abstract:
In this thesis, it is aimed to integrate air nozzles commonly used in textile sector as an additional process to conventional ring spinning machines and to convert conventional air nozzles to a modular structure. In addition, numerical simulations of fluid flow in air nozzles were investigated.

Computational fluid dynamics analyzes of conventional and modular nozzles in 150 different configurations were performed by using ANSYS CFX 18.0 program and parametric study. In computational fluid dynamics analysis, 225 kPa pressure value from injector air inlet is defined as inlet limit condition. The clearance limit condition at the yarn inlet and the exit boundary condition at the nozzle outlet are determined. SST was selected as the turbulence model and air at 25 °C was chosen as the fluid type.

In the experimental analysis section of the thesis, conventional and modular nozzles are integrated into the Merlin SP43 conventional ring spinning machine. In the specified structural configurations, two different gauge pressures of 75 kPa and 125 kPa were produced. Single ply Jetring yarns with Ne 30/1 yarn fineness were produced by using 100% cotton fibers, which is one of the widely used fiber types in yarn production. Test results obtained to determine the effect of nozzle structural parameters on yarn properties such as hairiness, irregularity, strength and elongation at break were analyzed statistically with the response surface methodology.

In the continuation of the thesis, hairiness results of the yarns produced with conventional nozzles and flow parameters of computational fluid dynamics analysis were evaluated together. It has been determined which flow parameters are effective for reducing yarn hairiness, which is an important feature determining yarn quality and how a structural parameter change is needed to obtain these flow parameters at the desired value.

In the last part of the thesis, computational fluid dynamics analysis of conventional nozzle and modular nozzles were compared and similarities and differences between nozzles were revealed. Comparing the flow parameters obtained from the yarn hairiness - computational fluid dynamics analysis, it was found that modular / conventional nozzles with high vorticity or helicity real eigen values had low yarn hairiness values. In order to obtain of high vorticity or helicity real eigen values, it is recommended that the bending chamber diameter of the modular nozzle be selected at the minimum value and the injector diameter at the maximum value.