Soğuk akışkanlı süpersonik ejektörlerin performansının incelenmesi
Investigation of cold fluid supersonic ejectors performance
Yazar: VOLKAN GÜLYÜZ
Danışman: PROF. DR. HASAN KARABAY
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Enerji = Energy ; Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Tez kapsamında, sesüstü çalışan ejektörde birincil ve ikincil akışkan etkileşimi sayısal olarak incelenmiştir. Sesüstü ejektörler: havacılık sektöründe irtifa benzetiminde, iklimlendirme alanında basınç düşürmede, endüstriyel tesislerde egzoz emisyon değerlerinin düşürülmesi amaçlı olarak kullanılan araçlardır. Sesüstü ejektörlerin artısı, içerisinde hareketli aksan olmamasından dolayı uzun ömürlü ve dayanıklı makineler olmasıdır. Ejektör çalışma prensibi, yüksek enerjili birincil akışkanın, düşük enerjili ikincil akışkanı kayma gerilmesiyle ve momentum transferiyle sürüklemesi esasına dayanır. 
Bu çalışmada, her iki akışkanın da hava olduğu lüle çıkış konumu, difüzör çapı, difüzör uzunluğu ve birincil akışkan lülesinin çıkış kesit alanının lüle boğazı kesit alanına oranının ejektör performansına etkisi incelenmiştir. Ejektör içerisindeki akışkan hareketleri süreklilik denklemi, momentum denklemi ve enerji denkleminin çözülmesiyle elde edilmiştir. Sayısal çözümlemeler sonlu hacimler metoduyla elde edilmiştir. Denklemlerin çözümlemeleri sayısal olarak Fluent 16 ticari paket programı ile gerçekleştirilmiştir. Ejektör içerisindeki akış eksenel simetrik olup çözümlemeler 2B olarak ve zamandan bağımsız olarak yapılmıştır. Hesaplamalarda, literatür çalışmalarında bu tip akışlar için önerilen SST k-ω türbülans modeli kullanılmıştır. Yoğunluk ideal gaz denklemiyle çözülmüş olup, akışkanın diğer termofiziksel özellikleri sabit tutulmuştur. Birincil akışkan giriş basıncı 20 bar(g) ve giriş sıcaklığı 260 K (-13ºC), ikincil akışkan debisinin birincil akışkan debisine oranı 0,23 ve ikincil akışkan sıcaklığı 320 K (57ºC) olarak sabit tutularak ejektör değişkenlerinin ejektör içerisindeki hız ve basınç dağılımına etkileri elde edilmiştir. 
Yürütülen parametrik hesaplamalar sonucunda ejektör içindeki basınç alanı üzerinde difüzör çapının en etkili değişkenin olduğu görülmüştür. Şok dalgasının konumu lüle çıkış pozisyonunu belirlemede önemli bir etken olduğu gözlemlenmiştir. Sabit bir geometri için ikincil akışkan sıcaklığının artmasıyla basıncının da arttığı gözlemlenmiştir. Birincil akışkan basıncının düşmesi ejektör performansını olumsuz etkilemiş, ikincil akışkan basıncını yükseltmiştir. Geometrik olarak en iyi performans difüzör çapının, lüle çapına oranını 5,6 olduğu değerde, lüle çıkış pozisyonunun lüle boğaz çapına oranının 10,4 olduğu değerde ve lüle uzaklığının lüle çapına oranının 56 olduğu yani difüzör uzunluğunun difüzör çapına oranının 10 olduğu değerde görülmüştür. Bununla birlikte lüle çıkışı Mach Sayısı ile ejektör performansının orantılı olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
In this study, interaction of two flow in a supersonic ejector is investigated. Ejectors are reliable devices that are used in the aeronautical industry for simulating altitude, for vacuuming in the air conditioning sector, for dilution during the ejection of exhaust gases in industrial facilities. Ejectors do not include rotary so they don't require maintenance frequently. The principle of this method is energy transfer from pressurized primary fluid to secondary fluid.
The influence of the supersonic nozzle exit position, the diffuser diameter, the diffuser length, and the ratio of the primary flow nozzle outlet cross-sectional area to the primary fluid flow nozzle throat cross-sectional area are investigated. Flow in the ejector was investigated by solving the continuity equation, momentum equation and energy equation. In the numerical model of the ejector geometry, 215000 mesh volume elements were used. Numerical solutions of the equations were performed with the Fluent 16 commercial package program. Since the flow in the ejector is axially symmetric, the numerically analyzes were performed 2D and time independent. In the calculations, the SST k-ω turbulence model which is suggested in literature for these types of flows was used. The density is obtained with the ideal gas equation and the other thermophysical properties of the fluid are kept constant. Primary fluid pressure kept constant 20 bar(g) and temperature 260 K. Entrainment ratio was also kept constant 0.23. Numerical solutions were obtained by the finite volume method. 
As a result of the carried out parametric calculations, it was seen that the diameter of the diffuser is the most effective parameter on the pressure field in the ejector. Shock wave position after supersonic nozzle determines the nozzle exit position. Best performance is obtained with the ratio of diffuser diameter to nozzle throat diameter 5.6, the ratio of nozzle exit position yo nozzle throat diameter 10.4 and the ration of diffuser length to diffuser diameter 10. For a constant ejector geometry, if secondary fluid temperature increases, pressure of the secondary flow increases. With lower primary flow pressure than optimized pressure (20 bar), ejector performance decrases. Mach number at nozzle exit is quite important for performance. When the Mach number is higher, secondary flow pressure is lower.