Üç farklı tip konik yapının boru giriş akışına olan etkilerinin sayısal yöntemle araştırılması
Investigation of the effects of three different types of conical structures on pipe inlet flow by numerical method
Yazar: OKTAY SERÇE
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HASAN DÜZ
Batman Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Yenilenebilir Enerji Sistemleri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Akış hızı = Flow velocity ; Akışkanlar mekaniği = Fluid mechanics ; Basınç kaybı = Pressure loss ; Enerji = Energy

Özet:
Bir rezervuardan boruya akışkan girişi düşünüldüğünde boru akışı üzerinde etkili parametreler boru girişi ağız yapısı, boru duvarı yüzey pürüzlüğü, boru girişinde hemen başlayan ısıtma ve soğutma işlemi ve Reynolds sayısıdır. Boruya akışkan alımında boru girişinin ağız yapısı, başlayan boru akışı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Uygulamalarda koniksel, çıkıntılı ve keskin kenarlı olmak üzere üç farklı tip boru giriş tipinin olduğu görülür. Çıkıntılı ve keskin kenarlı giriş tipleri türbülans içeren ve bozuk bir hız profiline boru akışını başlatırken trampet ağzı gibi bir yapıya sahip olan koniksel boru giriş tipi ise boru girişinde türbülans içermeyen ve düzgün hız profiline sahip bir akışı başlatmaktadır. Boru girişinde farklı akış davranışına neden olan bu elemanlar boru girişinde başlayan ısı transfer uygulamalarında ısı transferinin artırılması, boru akışında yerel basınç kayıplarının düşürülmesi gibi amaçlar için araştırıldıkları ve kullanıldıkları görülür. Bu çalışmada kanat, eliptik ve basit yarıçap şeklinde üç farklı tipi bulunan koniksel girişin boru aşağı akımı üzerindeki etkileri karşılaştırmalı olarak sayısal yöntemle araştırılmıştır. İmalat ve maliyet açısından birbirinden ayrılan bu üç koniksel tipin boru aşağı akımı üzerindeki etkileri laminer ve türbülans boru akışlarını kapsayacak şekilde 600≤Re≤200000 Reynolds sayı aralığında gerçekleştirilmiştir. Daimi ve izotermal akış özelliklerine sahip hava akışları sayısal çözümle simule edilmiştir. Boru akışlarının sayısal simülasyonu için zaman ortalamalı akış denklemleri ve akışta oluşan türbülansın çözümü için de SST k-omega türbülans modeli kullanılmıştır. Boru yarıçapı, akışkan viskozitesi ve sıcaklığı değiştirilmeden her üç giriş tipinin boru girişinde yarattığı basınç kaybı ve boru girişinde sağladığı hız profili karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. Sonuç olarak her akış için bulunan basınç kayıpları, boyutsuz basınç kayıp katsayısına (Cp) dönüştürülmüş ve Reynolds sayısı ile olan değişimleri gözlemlenmiştir. Reynolds sayısı arttıkça (Cp) değerinin her üç giriş tipi için de düştüğü, en çok basınç kaybı olan giriş tipinin basit yarıçap giriş tipi ve en az basınç kaybı olan giriş tipinin ise eliptik profilli giriş tipi olduğu belirlenmiştir. Üç farklı koniksel giriş tipinin boru girişinde ürettikleri hız profilleri kesit ortalama hız profilinden ortalama mutlak sapma değerleri her Reynolds sayısı için ölçülmüştür. Yapılan analize göre laminer akışın olduğu düşük Reynolds sayılarında basit yarıçap profili daha düzgün bir hız profili oluştururken daha yüksek Reynolds sayılarında diğer iki giriş tipine göre çok çarpık bir hız profiline neden olduğu görülmüştür. Sonuç olarak eliptik profilli giriş tipi ile kanat profilli giriş tipinin ürettikleri hız profilleri tüm Reynolds sayılarında birbirine çok yakın olmalarına rağmen eliptik giriş daha düzgün bir hız profili oluşturmaktadır. Burada üretilen hız profilinin ortalama hız profiline yakınlık derecesi, başlayan aşağı akım için performans artırıcı bir etkiye sahiptir.

Abstract:
Effective parameters for pipe flow when considering fluid intake from a reservoir to the pipe are the mouth structure at the pipe inlet, the surface roughness of the pipe wall, the heating or cooling process that begins immediately at the pipe inlet, and the numbers of Reynolds. İn fluid intake into pipe, the mouth structure of the pipe inlet has a significant effect on the starting pipe flow. İn its applications, it is seen that there are three different types of pipe inlet arrangements: conical, prominent and sharp edges. Prominent and sharp-edged mouth types cause a pipe flow that begins with turbulent and distorted profile at the pipe entrance. Conical pipe inlet type, which has a structure like a snare mouth, initiates a pipe flow starting with a turbulent and smooth velocity profile at the pipe inlet. These elements, which cause different flow behavior at pipe entrance, are investigated and used for purposes such as increasing the heat transfer in heat transfer applications that begin at the pipe entrance, reducing local pressure losses in the pipe flow. İn this study, the effects of tapered inputs on pipe downstream with three different types in the form of wing, elliptical and simple radius were comparatively investigated by numerical method. The effects of these three conical types on pipe flow, separated from each other in terms of manufacturing and cost, have been investigated for a pipe flow with fluid air with permanent and isothermal flow characteristics in the range of 600≤Re≤200000 Reynolds number. Time-averaged flow equations are used for numerical simulation of pipe flows and SST k-omega turbulence model is used to solve turbulence in flow. The pressure loss and velocity profile at the pipe entrance were investigated comparatively by all three types without changing the pipe radius, fluid viscosity and temperature. As a result, the pressure losses found for each flow were converted to the dimensionless pressure loss coefficient (Cp) and the change with the Reynolds number was observed. As the Reynolds number increases, (Cp) value decreases for all three input types, the inlet type with the highest pressure loss is the simple radius entry type and the inlet type with least pressure loss is elliptical profile inlet. The speed profiles produced by three different taper inlet types at the pipe inlet the mean absolute deviation values from the cross-section average speed profile were measured for each Reynolds number. According to analysis, the simple radius profile creates a smoother velocity profile at low Reynolds numbers with Laminar flow, while higher Reynolds numbers cause a very distorted velocity profile compared to the other two input types. As a result, although the speed profiles produced  by the elliptical profiled entry type and the wing profiled entry type are very close each other in all Reynolds numbers, the elliptical entry creates a smoother speed profile. The degree of proximity of the speed profile generated here to the average speed profile has a performance-enhancing effect for the starting downstream.