Eş merkezli dönen iki silindir arasında oluşan Taylor ve Von Karman vortekslerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile incelenmesi
Investigation of Taylor and Von Karman vortices formed between two concentric rotating cylinders using computational fluid dynamics
Yazar: FATMA BURCU DOĞAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. SITKI USLU
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Bölümü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, iki eş merkezli silindirin arasında oluşan Taylor vortekslerinin HAD - Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği - analizleri yapılmıştır. HAD için STAR-CCM+ yazılımı kullanılmıştır. HAD ile elde edilen sonuçlar analitik sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Taylor-Couette akışı, farklı hızlarda dönen eş merkezli iki silindir arasındaki kararsızlıkla ilgilidir. Bu nedenle sabit bir dış silindirle, konsantrik dönen bir iç silindir arasındaki akış incelenmiştir. Dönüş hızı kritik bir değeri aşarsa, Taylor vorteksleri meydana gelir. Yapılan bu çalışmada bu kritik değer HAD analizleriyle belirlenerek analitik ve HAD sonuçları karşılaştırılmıştır. Periyodik sınır koşullar kullanılarak, tüm silindir yerine 2 derecelik sektör ile analizler yapılmıştır. Sonuçların etkilenmediği uygun sayısal ağ belirlenerek farklı Taylor sayıları için akış hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. Silindirler arasındaki hız ve basınç değerleri alınarak yarıçapa göre değişimleri analitik değerleriyle karşılaştırılmıştır. Moment katsayısının (Cm) Taylor sayısıyla (Ta) değişim grafiği oluşturularak analitik ve HAD sonuçları karşılaştırılmıştır. Literatür araştırmasında bulunan yeni geometri için de aynı işlemler tekrarlanarak Cm-Ta grafiği oluşturulmuştur. Ayrıca, literatürde bulunan farklı akış çeşitleri tüm geometri için denenmiştir. Yeni geometriyle, tez geometrisi karşılaştırılarak yapılan analizlerin doğruluğu kanıtlanmıştır. Son olarak, bir çamaşır makinesindeki ısıtıcı elemanı temsil etmek üzere iki silindir arasına bir engel konularak simülasyonlar yapılmıştır. Hem 3 boyutlu hem de 2 boyutlu yapılan analizlerde, monitör noktaları konularak engelden sonra oluşan Von Karman vorteksleri incelenmiştir. Frekans değerlerinden de Strouhal sayıları hesaplanarak karşılaştırmalar yapılmıştır. Yapılan çalışmada eş merkezli alınan iki silindir arası çamaşır makinesinin haznesi olarak düşünüldüğünde ilerleyen çalışmalarda gürültü problemlerini azaltmak için daha ayrıntılı analizler ve hesaplamalar yapılabilir.
Anahtar Kelimler: Taylor Vorteksleri, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği, Eş merkezli Dönen Silindirler, Von Karman Vorteksleri, Strouhal Sayısı

Abstract:
In this study, Taylor vortices between two concentric cylinders were analyzed by CFD - Computational Fluid Dynamics analysis of the flow -. STAR-CCM+ software is used for the computations. Analytical results are compared with the results obtained from CFD analysis. Taylor-Couette flow is related to the instability of the flow between two concentric cylinders which rotates at different speeds. Therefore, flow is investigated between two concentric cylinders in case of the outer cylinder is stationary and inner cylinder is rotating. When the rotation speed exceeds a critical Taylor number value, Taylor vortices occur. The critical Taylor number predicted by CFD is compared with the value given in the literature. A two degree sector was used as computational domain assuming the axisymmetry of the flow field. Periodic boundary conditions were used on the left and right sides of the sector. A detailed mesh study was carried out in the present study. Flow computations were performed for different Taylor numbers. Predicted velocity and pressure fields along the radius are compared with the available analytical solutions for the laminar flow. CFD predictions of torque coefficient are compared with the analytical solutions. Additionally,  full geometry is used for kinds of different flow regimes found in the literature studies. The results from base and the new geometry were compared. Finally, a heating element that is supposed to represent a simplified heater between the drum and casing for a washing machine is placed as an obstacle inside the flow field. Both three-dimensional and two-dimensional analyses were made and the phenomenon of Von Karman vortex street were investigated. Strouhal number was calculated from the values of frequency and comparisons were made. The flow between two concentric cylinders can be seen as modeling of the flow field between the drum and casing of a washing machine during the spin cycle.
Keywords: Taylor Vortices, Computational Fluid Dynamics, Concentric Rotating Cylinders, Von Karman Vortexes, Strouhal number