Sınır tabaka akışlarının farklı türbülans modelleriyle karşılaştırmalı çözümü
Comparative predictions of turbulent boundary layers flows with various closures models
Yazar: LÜTFÜ NAMLI
Danışman: DOÇ. DR. HABİP ASAN
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2003
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Modern teknolojide öneme sahip çoğu akışlar türbülanslıdır. Türbülans, dönen, kesikli, oldukça düzensiz, yayılımcı ve yutucu bir fenomendir. Türbülanslı akışların davranışlarını nicel olarak belirleyebilmek, mühendisler için pratik bir öneme sahiptir. Bu amaçla, türbülans modelleme, uygun sayısal yöntemlerle bağlantılı ayrı bir disiplin olarak ortaya çıkmıştır. Ancak çoğu durumlarda, türbülanslı akışların değişken yapısından dolayı türbülansm gerçek fiziğini temsil edecek bir modelin olmaması, mevcut modellerin genelde farklı performanslara sahip olmalarına yol açmıştır. Hatta türbülans modellerinin performansları, sımr koşullarıyla da değişebilmektedir. Bu çalışmada çeşitli türbülanslı sınır tabaka akışları, birinci derece iki eşitlikli (girdap viskozitesi/yayılımı kullanan) ve ikinci derece çok eşitlikli türbülans modelleri kullanılarak çözümlenmiştir. Daha sonra elde edilen karakteristikler, seçilen türbülans modellerinin performanslarını değerlendirmek için DNS (doğrudan sayısal simülasyon) ve deneysel verilerle karşılaştınlmıştır. Diğer taraftan, temel eşitlikler, hesaplamasal ağın sınır tabakanın fiziksel olarak genişlemesine uyması için dönüştürülmüş koordinatlarda ifade edilmiştir. Bu eşitlikler, sonlu farklar tekniğine dayanan kontrol hacmi yöntemi kullanılarak cebrik forma dönüştürülmüş ve kapalı olarak çözülmüştür. Hesaplamalar, sınır tabakanın her bölgesinde parabolik karakterde olduğu kabulü yapılarak gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada seçilen akışlar; düzlem levha üzerinde basınç gradyanı ve ayrılma olmayan sıkıştınlamaz türbülanslı sınır tabaka akışı, dairesel serbest jet akışı ve kaldırma kuvveti etkisi altında yatay ve dikey konumda düzlem levha üzerindeki türbülanslı sınır tabaka akışlarıdır. Düşük Reynolds sayılı k - s modelleri, diğer türbülans modelleriyle kıyaslandığında DNS ve deneysel verilerle iyi bir uyum içindedir. Beklenenin aksine, ikinci derece modellerle karşılaştırıldığında, birinci derece modeller tüm akış koşullarında daha iyi sonuçlar vermektedir.Anahtar Kelimeler: Türbülans Modelleri, Birinci Derece Modellerjkinci Derece Modeller, Türbülanslı Sınır Tabaka, Dairesel Serbest Jet Akışı, Kaldırma Kuvveti

Abstract:
Comparative Predictions of Turbulent Boundary Layer Flows with Various Closure Models Most of the flow phenomena that are important to modern technology involve turbulence that is rotational, intermittent, highly disordered, diffusive and dissipative. There is therefore a practical need for engineers to be able to predict quantitatively the behaviour of turbulent flows. For this purpose, turbulence modeling has emerged as a distinct discipline, in conjunction with suitable numerical methods. However, lack of model to be represented the actual physics of turbulence, in many situations, because of changing turbulence structure present closure models have often different performance, even based on boundary conditions. In this study, variety of turbulent boundary layer flows have been predicted by applying first-order two-equation (eddy viscosity/diffusivity) and second-order multi-equation (the Reynolds stresses) closure models. Then, the obtained characteristics were compared with DNS and experimental data in order to assess the performances of the chosen turbulence closure models. On the other hand, the governing equations have been rewritten in transformed space (here in y-direction) so that the computational grid can expand to match the physical extent of the boundary layer. The equations were solved implicitly using control-volume-based finite-difference techniques that transform the differential equations into algebraic ones. The calculations presume that the flow under consideration is everywhere parabolic. The flow cases chosen are incompressible turbulent boundary layer flow over a flat plate with zero pressure gradient and no separation, round free jet flow and the turbulent boundary layer flows affected by buoyancy force over horizontal and vertical flat plate. It has been found that the results obtained with low Reynolds number k - e models are in better agreement with DNS and experimental data than those obtained using the other turbulence models. Contrary to expect, in comparison with the second order models, the first order models have given better results for all flow cases.Key Words: Turbulence Closure Models, First Order Models, Second Order Models, Turbulent Boundary Layer, Round Jet Flow, Buoyancy Force