Sıkıştırılabilir akışkanların akışında kullanılan türbülans modelleri ve simülasyonları
Turbulence models and simulations in compressible fluid flow
Yazar: EKREM GÜLSEVİNÇLER
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA REŞİT USAL
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışmada sıkıştırılabilir akışkan içeren uygun bir mühendislik problemi üzerinde farklı türbülans modelleri kullanılarak en uygun türbülans modelinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu amaç için seçilen problem bir hava düzesi üzerinde yüksek hızlı hava akışının sayısal olarak modellenmesi ve oluşan türbülanslı akışın farklı türbülans modelleri yaklaşımlarıyla çözümüne yöneliktir.
Bu çalışma kapsamında Solidworks, Flow Simulation ve ANSYS CFX ticari yazılımlar kullanılarak, seçilen karmaşık geometrili hava düzesi üzerinde çalışılmıştır. Seçilen hava düzesi Ø3 ana delik çaplı, Ø0.5 yardımcı delik çaplı, çevresel 3 delikli, 15 derece delik açılı bir geometriye sahiptir. Analizde düzenin hava girişine 114521 Pa değerinde basınçlı hava verilip, çıkış ve açıklık sınır şartları tanımlanmıştır. Akışkan tipi olarak 21ºC ortam sıcaklığında ideal hava seçilmiştir. Türbülans modeli dışındaki tüm analiz parametreleri sabit tutulup analizler ANSYS CFX programı ile ayrı ayrı çözülmüştür. 
Türbülans sonucu tahmin edilemeyen kaotik bir akış türüdür. Bu yüzden birtakım yaklaşımlarla en uygun çözümün bulunması için birçok türbülans modeli geliştirilmiştir. Türbülans modelleri olarak ANSYS CFX'de var olan 14 adet türbülans modeli kullanılmıştır. Bu modellerin bazıları incelediğimiz problemi çözememiş, bazı modeller problemde uygun yakınsamayı elde edememiş, SST, K-Epsilon, RNG K-Epsilon, K-Omega, Eddi viskosite taşınım denklemi ve Baseline modelleri ise problemi başarılı bir şekilde çözebilmiştir. Daha önceki çalışmalarda deneysel olarak elde edilen kütlesel debi sonuçları referans alınarak türbülans modelleri değiştirilmiştir. Yapılan analiz sonucunda sonuca en yakın kütlesel debi değerini bulmanın amaçlandığı bu tezde, SST (Kayma gerilmesi taşınımı) türbülans modeli en doğru sonucu vermiştir.
Yapılan çalışma sonucunda SST (Kayma gerilmesi taşınımı) modelinin, içerdiği birinci harmanlama fonksiyonu sayesinde potansiyel akış ile sınır tabaka akışının arasındaki geçişi uygun bir şekilde sağlamakta, ikinci harmanlama fonksiyonu ile de hem ters basınç altındaki akışlara duyarlı olma hem de akış ayrılmalarının bulunduğu bölgelerde sonucun doğruluğunu artırmakta ve problemimizde var olan türbülansı modellemekte başarılı olduğu görülmektedir. Grafik sonuçlarının diğer modeller ile karşılaştırılmasına istinaden daha mantıksal sonuç üretmesi ve kütlesel debi değerinin deneysel değerlerle örtüşmesi bu modelin doğru bir çözüm ürettiğinin göstergesidir.
Anahtar Kelimeler: Türbülans modelleri, sonlu elemanlar analizi, hesaplamalı akışkanlar dinamiği.

Abstract:
In this study, we aimed to determine the right turbulence model for the one of proper engineering problem having compressible fluid flow by using different turbulence models. According to this purpose above determined problem numerical modeling of the air nozzle on a high speed air flow and intended the solution of different approaches to turbulent flow of turbulence models.
Scope of this study, selected the air nozzle was studied on complex geometry with using commercial softwares of Solidworks, Flow Simulation and ANSYS CFX. The selected air nozzle has a geometry of Ø3 main hole diameter, Ø0.5 subsidiary hole diameter, 3 holes along the perimeter and hole angle of 15 degrees. In the analysis, it was supplied that the pressurized air with 114521 Pa fed into the nozzle inlet. Ideal air at 21ºC ambient temperature selected as a liquid type. Boundary conditions defined for the outlet and openning of the nozzle. All analysis parameters are kept constant except the turbulence model and solved by ANSYS CFX program separately. 
Turbulence is having an unpredictable result and have a chaotic process. Therefore to find the most appropriate solution with approaches, a number of turbulence models have been developed. As turbulence models, used having inside 14 different turbulence models in the ANSYS CFX. In that examined problem, used some of these models did not resolve, some of these models did not  achive the target value, SST, K-Epsilon, RNG K-Epsilon,  K-Omega, Eddy viscosity transport equation and Baseline models are successfully solved. To insure the solutions, present work followed the method which is referenced on the comparison of mass flow values with used different turbulence models at the result of the study it was determined that SST (shear stress transport) model is the best turbulence model for the chosen problem and the differences in computed and measured with mass flow values are the lowest in that model.
At the result of the study, SST (Shear stress transport) model, includes thanks to first blending function to provide for the transition between the boundary layer flow and potential flow properly, with second blending function to be successful to provide not only for flows to be sensitive to under the reverse pressure but also to increase the accuracy of the result in areas where the flow separations and to appeare for modeling the turbulence that mentioned problem. This model indication of produces an accurate the solution that produce more significantly results based on the comparison with other models of graphic results and that mass flow value coincided with experimental data.

Keywords: Turbulence models, finite element analysis, computational fluid 
dynamics.