Giriş ve tam gelişmiş akış bölgesinde laminar-türbülans geçiş özelliklerinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
To examine numerically and experimentally the laminar-turbulance transition properties in entrance and fully developed flow region
Yazar: HASAN DÜZ
Danışman: DOÇ. DR. HAYDAR EREN
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Tam gelişmiş boru akışlarında statik basınç düşüşünü hesaplamak için deneysel bağıntılar bulunmasına rağmen boru girişinde gelişen akış için herhangi bir analitik veya deneysel bağıntı ise bulunmamaktadır. Uzun borulu akışlarda giriş etkileri önemsiz kalırken kısa borulu akışlarda ise giriş etkileri oldukça önemli olmaktadır. Bu nedenle boru girişinden tam gelişmiş akış şartlarına kadar gelişen akış özelliklerini analiz etmeye yönelik deneysel ve sayısal bir çalışma başlatılmıştır.
Piyasadan temin edilen ve farklı malzemelerden imal edilmiş boru türlerini pürüzlülük yönünden değerlendirmek ve sayısal çalışmaya bir karşılaştırma zemini yaratmak için deneysel çalışma yapılmıştır. Deneysel çalışma alüminyum, bakır, demir, galvanizli ve PPRC malzemelerden imal edilmiş beş ayrı boru türü ile yapılmıştır. PPRC boru dışındaki diğer borular aynı çapa sahiptirler. Deneysel çalışma 2000-55000 aralığındaki Reynolds sayılarında gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmadan elde edilen sonuçlardan tam gelişmiş akış kısmından Darcy sürtünme faktörü hesaplanmış ve Reynolds ile değişimine uyan Moody diyagramı eğrilerinden boru pürüzlülük değerleri bulunmuştur. Boru pürüzlülükleri azalan yönde sıralandığında galvanizli, demir, alüminyum, PPRC ve bakır boru değerleri gelmektedir. 
Deney Reynolds sayılarında ve beş ayrı borunun pürüzlülük değerlerinde sayısal bir çalışma başlatılmıştır. Sayısal çalışmada amaç gelişen boru akışını kayma gerilmesi ve laminardan türbülansa kritik ve geçiş mesafeleri yönünden analiz etmek ve değişimlerine uygun sayısal bağıntılar türetmektir. Sayısal çalışma  2000-25000 aralığında bulunan deney Reynolds sayıları için yapılmıştır. Türbülanslı akışlarda akış içerisinde zaman ve konuma bağlı olarak gelişen türbülanslı yapıları çözmek için üç farklı sayısal yöntem bulunmaktadır. Bunlar DNS, LES ve RANS yöntemleridir. DNS yönteminde akış içerisindeki tüm türbülans yapıları doğrudan çözülür, LES yönteminde ise büyük  ölçekli yapılar çözülür küçük ölçekli yapılar ise modellenir. RANS yönteminde ise tüm türbülans yapıları modellenir. DNS ve LES yüksek hesaplama maliyetleri nedeniyle boru akışları için RANS yöntem tercih edilmiştir. RANS türbülans modellerinden laminar-türbülans geçişini sağlayan SST k-omega modeli seçilmiştir. RANS çözümden elde edilen sayısal sonuçlar deneysel değerlerle karşılaştırılmış ve çok iyi uyum sağladıkları görülmüştür. Sayısal duvar kayma gerilmesi analiz edilmiş ve gelişen akış kısmındaki değişimini ifade eden sayısal bir bağıntı türetilmiştir. Laminardan türbülansa geçişte kritik ve geçiş mesafeleri analiz edilmiş ve Reynolds sayısına bağlı sayısal bağıntılar türetilmiştir. Merkezi eksenel hızın maksimum olduğu akış mesafesi incelenmiş ve Reynolds sayısına bağlı sayısal bir bağıntı türetilmiştir. Sayısal tam gelişmiş akış hız profilleri deneysel hız yasalarıyla ve başka deneysel verilerle karşılaştırılmış ve çok iyi uyum görülmüştür. RANS çözüm dışında LES ile pürüzsüz boru akışları gerçekleştirilmiştir. LES çözümün gerçek akış görselliği yönünden RANS çözümden farkı gösterilmiştir. LES çözüm hız yasalarıyla karşılaştırılmış ve RANS çözüme göre yüksek sapma göstermiştir. Bunun nedeni olarak LES çözüm yüksek hesaplama maliyeti gerektirdiğinden normal bir bilgisayar ile çözümünde yeterli ağ çözünürlüğüne ulaşılamamıştır. Gelişen boru akışının LES ile çözümünde paralel hesaplama veya yüksek başarımlı hesaplama yapılmasının gerektiği görülmüştür.

Abstract:
Although there are experimental relations to calculate the pressure drop in the fully developed pipe flow region, in the developing pipe flow region there are no any experimental or analytical relations. In long pipe flows, whereas the entrance effects is not important, in short pipe flows the entrance effect becomes very important. For that reason an experimental and numerical study has been established for the analysis of flow properties in the developing pipe flow region.
	The aim of the experimental study is to assess different pipe sorts on roughness effects and to create a comparison ground for the numerical study. The experimental study is carried out with five different pipes manufactured from aluminium, copper, iron, galvanized and PPRC materials. Except for PPRC pipe, the others have the same diameters. This study is done for the Reynolds numbers in the range of 2000-55000. From the experimental results, the Darcy friction factor has been calculated from the fully developed pipe flow region and the roughness values of pipes has been found from the Moody diagram. When the pipe roughnesses ordered in the decreased direction; galvanised, iron, aluminium, PPRC and copper pipe values comes in sequence. 
A numerical study has been established for the Reynolds numbers in the range of 2000-25000. in the experimental study. The aim of the numerical study is to analyse the wall shear stress, the critical and the transition distances for the developing pipe flow region and is to derive numerical formulas for defining them. For the solution of turbulence flows, three different numerical solution methods are used. These are DNS, LES and RANS methods. In the solution with DNS, all turbulence scales are solved temporarily and spatially, whereas in the solution with LES, large turbulence scales are solved directly, but the small scales are modeled. In the solution with RANS, all turbulence scales are modeled. Due to high computation cost required in DNS and LES, the RANS has been prefered mostly. From the RANS turbulance models, the SST k-omega model which supplies laminar-turbulance transition has been chosen for the solution of pipe flows. The  obtained numerical results are compared with the experimental datas and is seen very well agreement. The numerical wall shear stress has been analysed and a numerical relation is derived for its changes along the flow. The critical and transition distances has been analysed and two numerical formulas defining their changes with the Reynolds number are derived. The distance where the centerline velocity becomes maximum has been analysed and a numerical formula is derived for the changes with Reynolds numbers. The fully developed velocity profiles are compared with wall functions and other experimental datas and has been seen very well agreement. In addition to RANS solution, a numerical smooth pipe flow is carried out also with LES solution . Finally it has been seen that the flow visualisation with LES is better than RANS. Comparison of LES solution with experimental results has shown high deviation according to RANS solution. The reason is that a sufficient mesh resolution is not achieved due to high computation cost in LES. It is seen that the solution of developing pipe flow with LES require the usage of super computer or parallel computation.