Konik silindirler arasındaki Newtonyen-olmayan Taylor-Couette akışının sayısal incelenmesi
Numerical investigation of non-Newtonian Taylor-Couette flow between conical cylinders
Yazar: YUSUF BEKİR ÖZDEMİRLER
Danışman: PROF. DR. SEYFETTİN BAYRAKTAR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Sıvı akışı = Liquid flow

Özet:
Taylor-Couette (TC) akışı biri veya her ikisi de aynı/zıt yönlerde dönen eş eksenli
silindirler arasındaki akışı ifade etmekte olup bu tür akışlara enerji santrallerinde,
filtreleme işlemlerinde, havacılıkta, polimerizasyonda, fotokataliz işlemlerinde,
hücre yetiştirmede ve su arıtma sistemlerinde kullanılan reaktörlerde
rastlanmaktadır. Silindir(ler) daha hızlı döndükçe aralarında yer alan akış alanında
kararsızlıklardan dolayı farklı akış yapıları oluşur ve Taylor sayısı arttıkça bu akış
alanı da giderek değişir ve yeni bir karaktere bürünür. Hızın belirli bir değerin
üzerine çıkarılmasıyla akış tamamen kararsız hale gelir. Taylor-Couette akışı, eş
eksenli, aynı veya ters yönde dönen iki silindir arasındaki akış, akışkanlar
fiziğindeki tipik sistemlerden biridir. TC akışı temel olarak, iç ve dış silindirlerin
açısal hızları ve silindirlerin yarıçapları ile karakterize edilmektedir.
Newtonyen akışkanlarla yapılan çoğu araştırmadan farklı olarak bu çalışmada,
Newtonyen-olmayan bir akışkan için TC akışının hidrodinamik davranışı
hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) tekniği kullanılarak incelenmiştir. Akışın 
türbülanslı olarak kabul edildiği bu çalışmada standart k-omega türbülans modeli
tercih edilmiştir. Kurulan HAD modelinin doğruluğu literatürde newtonyen
akışkanlar kullanılarak gerçekleştirilen deneysel ve sayısal çalışmalar ile mukayese
edildikten sonra 4 farklı hız değeri kullanılarak 2 farklı konik silindir
geometrisinde newtonyen olmayan bir akışkanın hidrodinamik davranışı
incelenmiştir. Elde edilen hız dağılımlarına göre, newtonyen olmayan akışkanın
hız grafiği ile newtonyan akışkanın hız grafiğinde farklılıklar tespit edilmiştir.
Aynı zamanda basınç konturları gözlemlendiğinde vorteks sayısı ve basınç
değerleri birbirinden farklıdır. İncelenen akış şartları korunarak ayrıca konik
silindir geometrisi ile deneyler simüle edilmiştir. Konik silindir TC reaktöründe
farklı hızlarda ve farklı karakteristik özelliğe sahip Newtonyen olmayan
akışkanların akış davranışı incelenmiştir. Newtonyan olmayan akışkanlar ile
yapılan bu incelemeler sonucunda, akışkan davranışındaki hız, basınç ve akış
yapılarında değişkenlik gözlemlenmiştir.

Abstract:
A fluid confined in the space between two coaxial cylinders, just one or both of
which rotate, is what makes up the Taylor-Couette flow. This kind of flow is
frequently seen in power plants, filtration processes, aviation, polymerisation,
photocatalysis, cell-cultivation and reactors used in water treatment. As the
cylinder(s) rotate faster, different flow structures are formed due to instabilities in
the flow field between them, and as the Taylor number increases, this flow field
gradually changes and takes on a new character. As the speed is increased above a
certain value, the flow becomes completely unstable. Taylor-Couette flow, the
flow between two coaxial, co-rotating or counter-rotating cylinders, is one of the
paradigmatic systems in fluid physics. In its simplest form, Taylor-Couette flow
arises from the shear flow between a rotating inner cylinder and a concentric,
fixed outer cylinder. The Taylor-Couette flow is mainly characterized by: The
angular velocities of the inner and outer cylinders and the inner and outer radius.
Unlike most studies on Newtonian fluids, in this study, the hydrodynamic
behavior of TC flow for a non-Newtonian fluid is investigated using
computational fluid dynamics (CFD) technique. In this study, where the flow is
assumed to be turbulent, the standard k-omega turbulence model was preferred.
After comparing the accuracy of the established CFD model with experimental
and numerical studies carried out using Newtonian fluids in the literature, the
hydrodynamic behavior of a non-Newtonian fluid in 2 different conical cylinder
geometry was investigated using 4 different velocity values. According to the
obtained velocity distributions, differences were detected between the velocity
graph of the non-Newtonian fluid and the velocity graph of the Newtonian fluid.
At the same time, when the pressure contours were observed, the vortex number
and pressure values were different from each other. Experiments were also
simulated with the conical cylinder geometry while preserving the investigated
flow conditions. The flow behavior of non-Newtonian fluids with different
velocities and different characteristics in the conical cylinder TC reactor was
investigated. As a result of these investigations with non-Newtonian fluids,
variability in the speed, pressure and flow structures in the fluid behavior was
observed.