Paketlenmiş gözenekli bir kolonda gaz akışının sayısal olarak incelenmesi
Numerical analysis of gas flow in a packed porouscolumn
Yazar: CEM ERSOY
Danışman: PROF. DR. AYŞE FİLİZ BAYTAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Enerji Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Gaz akışı = Gas flow ; Gözenekli ortam = Porous medium ; Kolon = Colon ; Termal analiz = Thermal analysis

Özet:
Gözenekli ortam, hayatımızın her alanında karşımıza çıkmaktadır. Toprak, kum, seramik, pamuk, ekmek ve akciğer gibi yapılar gözenekli ortamlara örnek olarak verilebilir. Bu yapılara ek olarak su, kum ve hava filtreleri de eklenebilir. 
Gözenekli ortamda bir akışkan mevcut ise gözenekli ortamda akış analizleri ön plana çıkmaktadır. Gözenekli ortamda akış analizleri diğer analizlere göre daha zor ve karmaşık olabilir. Bunun nedeni daha fazla parametrenin gerekli olmasıdır. Bu parametrelerin belirlenmesi ve analiz programına doğru girilmesi için ön araştırma yapılması gerekmektedir. Bu çalışmada, CFD analizi kullanılarak gözenekli ortam incelenmiştir ve analiz için ANSYS-Fluent programı kullanılmıştır.
Bu tez çalışmasında, cam bilyalar bir kolonda paketlenerek oluşturulmuş gözenekli bir ortam ele alınmıştır ve akışkan kolona değişken hızlarla girmektedir. Modelin çapı 41 mm, uzunluğu ise 0,9 m olup gözenek çapı ise 5 mm'dir. Belirtilen farklı hızlara göre Reynolds sayısı da değişmektedir ve her akışkan giriş hızı için sıcaklık ve basınç dağılımı analizleri yapılmıştır. Ayrıca, model boyunca ısıtma uygulanmaktadır. Akışkanın giriş sıcaklığı 293 K, duvardan uygulanan ısıtmanın sıcaklığı ise 373 K'dir. Akışkanın sıcaklığı bu ısıtma etkisiyle artmaktadır. Hız ve sıcaklık değerlerinin oluşturduğu ve analize etki eden sınır şartları ayrıntılı olarak incelenmiştir ve analiz girdilerinde önemli yer tutmaktadır.
Akışkanın giriş hızı 0,023 m/s ile 3,26 m/s arasında değişmektedir. Akışkan giriş hızı değişiklik gösterdikçe analiz sonuçları da farklılık göstermektedir. Her farklı akışkan giriş hızı için sıcaklık ve basınç dağılımları ayrıntılı şekillerle verilmiştir. 
Sıcaklık analizinde modelin merkezinde olmak üzere 4 farklı nokta için sıcaklık değerleri verilmiştir. Analiz sonuçlarına göre; akışkan giriş hızı arttıkça sıcaklık değişimi azalmakta fakat basınç kaybı artmaktadır. Bu değişimler çizelgeler halinde ayrıntılı olarak ortaya konulmuştur. Basınç kaybı hızın artması ile parabolik bir şekilde gerçekleşmektedir.
Akışkanın sıcaklık ve basınç analiz sonuçların ardından basınç kaybının teorik hesap ile karşılaştırılması verilmektedir. Ergun denklemine göre hesaplanan basınç kaybı değeri, analiz sonuçlarına göre kıyaslanmaktadır.
Belirtilen analizler tamamlandıktan ve çalışma doğrulandıktan sonra iki parametrenin analiz sonuçlarına etkileri gözlemlenmiştir. Bu parameterlerden ilki gözeneklilik değeri, diğeri ise kolonun kademeli yapısıdır.
Gözenekli ortamda gözeneklilik değerinin değişmesinin sıcaklık ve basınç sonuçlarına etkisi araştırılmıştır. Gözeneklilik değeri arttıkça sıcaklık değişimi ve basınç kaybı azalmaktadır. 
Çalışmanın doğrulanması için seçilen modelin ortasında küçük bir kademeli çap oluşturulmuştur ve radyüslerle geçiş sağlanmıştır. Oluşturulan kademeli çapın ölçüsü 45 mm'dir. Bu değişimin analiz çıktıları üzerindeki etkisine bakılmıştır. Kademeli çap modelinde sıcaklık değişimi kademenin olduğu bölgelerde çok küçük farklılıklar oluşturmasına rağmen akışkan çıkışında farklılık oluşturmamıştır. Basınç kaybı ise kademeli çap modelinde biraz daha azdır.
Tüm analiz sonuçlarının ardından, akışkanda sıcaklık değişiminin ve basınç düşüşüsün minimumda tutulmak istenilmesi gerekebilir. Belirtilen durum için akışkan giriş hızı seçilmiştir ve optimum tasarım önerisinde bulunulmuştur.

Abstract:
Structures such as soil, sand, ceramics, cotton, bread and lungs have certain pores. Water, sand and air filters can be given as additional examples of these structures. However, not every structure with voids can be called a porous medium. A common feature of the examples mentioned is the existence of a continuous structure called a solid matrix and the fluid phase in the rest of the structures. The most important common feature of porous media is the coexistence of the so-called solid phase and the porous structure. In summary, if both solid phase and void are present in the sample structures taken from different parts of any structure, the structure can be called a porous medium.
Although we do not realize it in daily life, porous mediums appear in every aspect of our lives. Concrete, coal, limestone, sandstone, brick, cylindrical friction plate, silica powder, annual, soil, ground grain stone, skin and fiberglass are porous medium. Many more examples can be added to these examples. There is also a pore structure in many parts that we use or design in our business life. Thus, the porous environment is present in every aspect of our lives. If a fluid is present in a porous medium, flow analyzes in a porous medium come to the fore. Flow analyzes in porous media can be more difficult and complex than other analyses. This is because more parameters are required. Preliminary research is required to determine these parameters and to enter them correctly into the analysis program. In this study, porous media was investigated using CFD analysis and ANSYS-Fluent program was used for analysis.
We have a model with a tubular porous medium, and the fluid enters this model at variable velocities. The model has a diameter of 41 mm, a length of 0.9 m and a pore diameter of 5 mm. The fluid enters this model at variable velocities. The lowest inlet velocity is 0,023 m/s and the highest fluid inlet velocity is 3,26 m/s. Variable speed values are also available between these two values. The Reynolds number also changes according to the different speeds specified. As the fluid inlet velocity value increases, the Reynolds value also increases. 
The model should not be analyzed before the mesh structure is correct. The generated mesh structures are very important for analysis. Mesh quality can be controlled according to some criteria. The suitability of the mesh structure was checked according to the specified control. The control of mesh structures and how the mesh is created are examined and controlled in detail.
Temperature and pressure distribution analyzes were performed for each fluid inlet velocity and the results were presented. In addition, the boundary conditions affect the analysis results. According to these input conditions, heating is applied throughout the model. The inlet temperature of the fluid is 293 Kelvin, while the wall heating is 373 Kelvin. The temperature of the fluid increases with this heating effect. Boundary conditions created by velocity and temperature values and affecting the analysis have been examined in detail and have an important place in the analysis inputs.
According to the specified boundary conditions, the temperature and pressure distributions for each different case are given in detailed figures. The analysis results were evaluated in detail and the accuracy of the results was confirmed.
In the temperature analysis, temperature values are given for 4 different points in the center of the model. As the fluid inlet velocity increases, the temperature change of the fluid decreases. For example, while the fluid velocity is 0,023 m/s, the fluid temperature rises from 293 Kelvin to 373 Kelvin very quickly. However, when the fluid velocity is 3,26 m/s, high temperatures are not observed even at the exit of the model. Where the fluid inlet velocity is 2,44 m/s, the fluid outlet temperature is 361,8. If the fluid inlet velocity is 3,26 m/s, the fluid outlet temperature is 353,8 K. In the pressure loss results, the situation is the opposite according to the temperature change. As the fluid inlet velocity increases, the pressure loss also increases in a parabolic. For example, when the fluid inlet velocity is 0,55 m/s, there will be a pressure loss of 1193 Pa, but when the fluid inlet velocity is 3,26 m/s, the pressure loss will increase to 34589 Pa with a parabolic increase. These changes are presented in detail in charts. Both the images from the ANSYS-Fluent program and the comparative charts of the cases with other fluid inlet velocity values will be explained in detail in the thesis.
After the porous media analysis results were explained in detail, the theoretical calculation and analysis results were compared. The Ergun equation was used for the theoretical calculation of the pressure drop. The Ergun equation is a widely used equation for calculating the pressure loss in a porous medium theoretically. The pressure loss value calculated according to the Ergun equation and compared according to the analysis results. If it is seen that the theoretical calculations and analysis results are very close to each other, the analysis results can be accepted as correct.
There are many parameters that affect the results of the analyzes. However, the effect of velocity on the analysis results has already been examined while performing the specified porous media analyses. The effects of some of the parameters that are important, the fluid velocity on the results were examined. After the specified analyzes were completed and verified, the effects of two parameters on the analysis results were observed. The first of these parameters is the porosity value and the other is the structure of the model.
The effect of the change in the porosity value in the porous medium on the temperature and pressure results was investigated. The model was analyzed according to three different porosity values. These values are 0,3833, 0,4165 and 0,4579 respectively. The specified values were obtained by changing the pore diameter. As the porosity value increases, temperature change and pressure loss decrease. Changing the porosity value has a particularly serious effect on the pressure loss. For example; the model with 3,26 m/s fluid inlet velocity, if the porosity value is 0,3833, the pressure loss is 277232 Pa, and when the porosity value is 0,4579, the pressure loss is 11809 Pa.
A small stepped diameter is created in the middle of the reference model and transitions are made with radius. The changed region in the model is explained in detail. The effect of this change on the analysis outputs was examined. Although the temperature change in the stepped diameter model created very small differences in the regions where the step is located, it did not create a difference in the fluid output. To give an example from temperature analysis; In case the fluid inlet velocity is 3,26 m/s, the fluid outlet temperature will be 353,8 K in both models. The pressure loss is slightly less in the stepped diameter model. However, it should be noted that this difference may increase by increasing the diameter difference in the stepped model. In pressure analysis; In case the fluid inlet velocity is 3,26 m/s, the pressure loss will be 34589 Pa in the main model, while the pressure loss will be 32819 Pa in the stepped model.
After all analysis results, it may be desirable to keep the temperature change and pressure drop in the fluid to a minimum. The fluid inlet velocity has been selected for the specified situation and the optimum design has been proposed.