Dairesel ve dairesel olmayan jet akım alanlarının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical study of circular and non-circular jet flows
Yazar: YALÇIN YÜKSELENTÜRK
Danışman: YRD. DOÇ. DR. DUYGU ERDEM
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering

Özet:
Jet akımları akışkanlar mekaniğinin en temel ve can alıcı çalışma alanlarından biridir. Bununla birlikte mühendislikte önemli bir uygulama alanına sahiptir. Jetler yanma verimini arttırmak, cisimlere şekil vermek, ısı ve kütle transferini arttırmak gibi çeşitli amaçlarla birçok endüstriyel uygulamalarda kullanılmaktadır. Jet akımları, elektronik devreler, yanma odaları ve gaz türbinlerinin üretiminde; kağıt, tekstil, cam ve metal sanayinde sıkça kullanılmaktadır.Türbülanslı akım alanının incelenmesinde, akımı oluşturan fiziksel etkenlerin zaman ve konuma göre rastgele değişimler göstermesi nedeniyle analitik ifadeler elde etmek genellikle mümkün olmamaktadır. Olayların fiziksel olarak açıklanması genellikle deneysel ve sayısal çalışmalar sonucunda sağlanmaktadır. Bu nedenle çalışmada öncelikle deneysel veriler elde edilmiştir. Daha sonra ise elde edilen bulgular Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi ile elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır.Deneysel yöntem olarak Sıcak Tel Anemometresi (STA) kullanılmıştır. STA akım alanı özelliklerinin incelenmesinde, uygulama ve akademik çalışmalarda çok sık başvurulan bir yöntemdir. Birçok yeni yöntem geliştirilmesine karşın, duyarganın tepki süresi ve hassasiyeti nedeniyle halen kullanılmaktadır.Deneylere hazırlık aşamasında, öncelikle teorik denklemlerden hareketle, probun istenilen konumlarda tutulmasını sağlayacak açısal hareket mekanizmasının tasarımı yapılmıştır. Bu tasarım mekanik yönden incelenmiş, taşıyacağı yük nedeniyle probun konumlandırma hatası hesaplanarak bu hatanın asgari düzeyde kalması sağlanmıştır.Prob için belirli çalışma sıcaklıklarında hız ve açısal kalibrasyon yapılmıştır. Hız kalibrasyonu 0.5 m/s - 1 Mach aralığında akım sağlayan bir kalibrasyon ünitesi kullanılarak yapılmıştır. İstenilen hız aralığına ulaşabilmek için kalibrasyon ünitesinde iki farklı lüle kullanılmıştır.Elde edilen deneysel sonuçlar MATLAB yazılımı aracılığıyla yazılan kodlar ile işlenip görselleştirilmiştir.Sayısal yöntem olarak ise sonlu hacim yöntemi uygulanmıştır. Bu yöntemi uygularken bazı ticari kodlar kullanılmıştır. Geometrik model ve çözüm ağının oluşturulabilmesi için CATIA ve GAMBIT yazılımları, HAD çözücüsü olarak ise FLUENT yazılımı kullanılmıştır. Elde edilen sayısal sonuçlar, FLUENT yazılımının ardıl-işleyicisi ve MS Excel yazılımları ile işlenerek görselleştirilmiştir.

Abstract:
The subject of jet flow is one of the most significant and basic research areas of the fluid mechanics. In addition, it has broad range of application areas. Jet flows are used for many different purposes in industrial applications as increasing combustion efficiency, forming materials, increasing transfer rate of mass and heat, etc. Jet flows are commonly used in production stages of electronic circuits, combustion chambers, gas turbines; and also in paper, textile, glass and metal industries.In many cases, it is not possible to obtain analytical solutions for turbulent flows due to random changes of the physical factors that create flow with time and location. Explanations for these flows are provided by experimental and numerical studies. So that, experimental results was firstly obtained for jet flow in this study. After then, experimental data was compared with data obtained by using Computational Fluid Dynamics (CFD) method.Hot Wire Anemometer (HWA) was used as an experimental method in the study. HWA is frequently applied in the academic area and in practice to examine physical properties of the flow. Despite many methods that recently developed, HWA is still used due to its low response time and sensitivity.In the preparation phase of the experiments, at first, an angular motion mechanism, that rotates probe by required angles come by the theoretical formulas, was designed. During this design stage, the loads that the mechanism hold is considered and a structural analysis run to determine the deformation of the mechanism. So the displacement of the probe due to loads was determined.Velocity and angular calibrations were applied for probe at certain temperatures. Velocity calibration was performed by using a calibration unit with a range of 0.5 m/s - 1 Mach. There are two nozzle were used with calibration unit to obtain the velocity calibration at this range.The experimental results are processed and visualized by using a commercial code MATLAB.The finite volume method is applied as a numerical method. To apply this method, some commercial codes were used. CATIA and GAMBIT softwares are used to create the geometrical model and computational grid. FLUENT was used as a CFD solver. The numerical results were visualized by post-processor of FLUENT and MS Excel.