Newtonyen olmayan akışkanların Taylor-Couette akışlarındaki davranışlarının deneysel ve nümerik olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of non-Newtonian ﬂuids in Taylor-Couette ﬂows
Yazar: HÜSEYİN ELÇİÇEK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BÜLENT GÜZEL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Newton olmayan = Non-newtonyen

Özet:
Taylor-Couette reaktörleri akış yapılarının rejim geçişleriyle birlikte ortaya çıkan ikincil akış yapıları nedeniyle yüksek karıştırma verimi ve enerji dağılımı sağlarlar. Bundan dolayı arıtma proseslerinde sağlamış oldukları yüksek verimlilik nedeniyle alternatif olarak değerlendirilmektedir. Bu çalışmada, dar ve geniş boşluklarda Taylor-Couette reaktöründe Newtonyen ve Newtonyen olmayan akışkanlar kullanılarak akış yapıları ve geçiş değerleri üzerindeki etkisi deneysel olarak araştırılmıştır. Bu tez çalışmasında, Taylor vorteks akış yapılarından önce aksisimetrik olmayan akış yapılarının ortaya çıktığı gözlemlenmiştir. Aynı zamanda shear-thinning özelliğine sahip akışkanlarda Taylor vorteks akış yapısından modüle edilmiş ddalgalı vorteks akış yapısına geçiş sürecinde farklılıkların oluştuğu gözlemlenmiştir. Newtonyen ve shear-thinning akışkanlar için, birincil ve ikincil akış yapılarının kritik değerlerini ve akış durumlarının yapısal özellikleri Reynolds sayısı kullanılarak karşılaştırılmıştır.  Ortaya çıkan vorteks yapılarının shear-thinning akışkanlarda değişken eksenel dalga boyuna sahip olduğu ve eksenel doğrultuda kaydığı gözlemlenmiştir. Kritik geçiş değerlerini karşılaştırabilmek amacıyla üç farklı Reynolds sayısı kullanılmıştır. Shear-thinning akışkanlarda viskozite gap boyunca değişmektedir. Reynolds sayısı tanımında viskozite ifadesi yerine gap içerisindeki tek bir değer kullanılması durumunda kritik akış yapılarının tanımlanmasında tutarsız sonuçlar ortaya çıkmaktadır. Lokal viskoziteye göre tanımlanan yerel Reynolds sayısı kullanıldığında shear-thinning etkisinin kritik Reynolds sayısı üzerinde monotonik bir etkiye sahip olduğu görülmüştür.
Bu çalışmadan elde edilen çıktıların pratik uygulamalar için değerli bilgi ve deneyim sağlayacaktır. Elde edilen sonuçların, yüksek kaliteli grafen oksit ürünleri sentezlemek için TC reaktörünün etkili bir şekilde tasarlanmasına ve geliştirilmesine yardımcı olacağına inanıyoruz. Elde edilen sonuçlar ayrıca TC reaktörlerindeki Newtonyen olmayan akışkan ve akış yapı etkileşiminin daha iyi anlaşılmasını sağlacaktır. Bu tez aynı zamanda grafit oksidasyon seviyesinin iyileştirilmesi üzerine daha yoğun araştırmalara ilham ve motivasyon da sağlayacaktır. Elde edilen sonuçlar ayrıca, balast suyunda doğal olmayan türlerin inaktivasyonunda alternatif bir yöntem olarak Taylor-Couette UV reaktörlerininde tasarlanabileceğini göstermektedir.

Abstract:
Taylor-Couette reactors may offer an alternative treatment method in ballast water treatment or for flocculation of small size particles to be removed in water treatment processes due to created high energy dissipation and momentum transfer by Taylor vortices occurred during transitional flow regimes. In such cases, working fluids may show shear-thinning behaviour. In this study, the effect of shear-thinning behaviour on the flow structures and transition thresholds is experimentally investigated for Taylor-Couette flows having xanthan solutions in narrow and wide gap cases. The experiments presented in this paper establish the existence of non-axisymmetric flow structures before the Taylor vortex flow regime and an instability threshold to the modified wavy vortex flow from Taylor vortex flow in shear-thinning fluids i.e. altering the instability mechanisms. The critical Reynolds numbers for the first and second instabilities and the structural characteristics of the flow states are identified for Newtonian and shear thinning fluids in comparison. The vortices have varying axial wavelength and also drift along the axis in shear-thinning fluids. The variation of the critical Reynolds number with the shear-thinning index has been shown through three different Reynolds number definitions. It is shown that when the Reynolds number is defined using a single preferred value of radially varying viscosity, decreasing shear-thinning index may delay the appearance of Taylor vortices depending on the gap ratio. When the local Reynolds numbers defined based on the local viscosity have been taken into account, shear thinning index has a monotonic effect on the critical Reynolds number which decreases with decreasing shear-thinning index in both narrow and wide gaps in transition to Taylor vortex flow regime.\

Results of this study should provide valuable information and experience for practical applications. Presented observations will help in designing and development of new TC reactors to synthesize high-quality products e.g. graphene-oxide solutions. Obtained results also provide a deeper understanding of the flow-structure interactions when changing the inner cylinder speed in TC reactors having non-Newtonian fluids. This thesis will also contribute to inspiration and motivation in carrying more intensive researche on improvement of the graphite oxidation level. The obtained results also show the possibility of utilizing the Taylor-Couette UV reactors as an alternative method in inactivation of non-native species in ballast water treatment.