Yangın monitörlerinde jet ve su şemsiyesi akışının VOF metodu ile sayısal çözümü
Numerical calculation of jet and fog flow in fire monitor
Yazar: GÜLÇİN BİR
Danışman: YRD. DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Akışkanlar dinamiği = Fluid dynamics ; Kararsız akım = Unsteady flow ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic ; Sıkıştırılamayan akışkan = Incompressible fluid ; Yangın söndürme = Fire extinguishing ; İki fazlı akış = Two phase flow

Özet:
Harici yangın söndürme sistemleri açık denizde meydana gelen ya da denizden müdahale edilebilecek yangın durumlarında kullanılan bir yangın söndürme sistemidir. Bir çok deniz aracına kurulumu yapılan bu sistem pompalar aracılığı ile suyun ya da köpüğün yangın mahaline ulaştırılmasını sağlar. Bu sistemin en önemli yangın monitörleridir. Yangın monitörleri suyu yangın mahaline iletmenin dışında suyun debisini ve akış çeşidini (jet ya da su şemsiyesi) belirleyen kısımdır.Bu tezde jet ve su şemsiyesi akışları iki fazlı akış rejimlerinde yaygın olarak kullanılan VOF yöntemi ile analiz edilmiştir. İki fazlı akışlarının sayısal çözümünde kullanılabilecek genel geçer bir çözüm modelinin almaması çözümleri zorlaştırmaktadır. Probleme uygun modelin belirlenebilmesi için literatürde yer alan ve VOF yönteminin kullanıldığı çalışmalar incelenmiştir. Bu çalışmaların ışığında VOF yönteminin kullanımının uygun olduğuna karar verilmiştir.Çalışmalar ilk olarak jet akışının incelenmesiyle başlamıştır. Aynı basınç değerinde diğer nozul geometrilerine nazaran daha az tepki kuvveti oluşturup daha az tepki kuvveti oluşturan ters pelton geometrisine sahip nozulun kullanılmasına karar verilmiştir. İki boyutlu ve üç boyutlu olarak yapılan analiz sonuçlarına göre nozul geometrisinin çıkış hız profilini etkilemediği görülmüştür. İki boyutlu ve üç boyutlu sonuçlarının birbirini desteklediği görülmüş ve çalışmalara iki boyutlu çözümlerle devam edilmesine karar verilmiştir.Su şemsiyesi akışında ise iki farklı yöntem denenmiştir. İlk yöntemde kelebek vana klapesinin farklı açılarda tutulmasının çıkış hız değerlerine ve hız profillerine etkisi incelenmiştir. Sonuçlar klapenin yatayla yaptığı açının artmasıyla çıkış hız değerinin azaldığını göstermiştir. Bu beklenen durumun yanında yayılımın en çok 30° ve 40°'de olduğu görülmüştür. Bu yönteme altenatif olarak da nozul çıkışında çelici kullanılmasına karar verilmiştir. İlk olarak tek kademeli çelici kullanılması düşünülmüş fakat aynı yayılımı sağlan tek kademeli ve çift kademeli çeliciden tek kademeli olanın daha düşük hız değeri sağladığı görülmüş ve bu nedenle iki kademeli çelici kullanılarak analizler devam ettirilmiştir. Çelici açısının arttırılmasının yayılımı arttırdığı görülmüş ve konum olarak ise en iyi yayılımın çelicinin nozul çıkışından 100mm uzaklıkta iken sağlandığı görülmüştür.Kısık debi akışınında istenen debinin sağlanabilmesi için ortası delik klapenin kapalı durumda tutulmasına karar verilmiş ve basınca göre elde edilen debi değerleri hesaplanmıştır.

Abstract:
The external fire fighting system is fully integrated with the vessel. In the external fire fighting system, main engine of the vessel is usually used as power source. In case of fire power is transfered to the pumps by remoted controlled clutch. Fire monitors are the main part of this system. Fire monitors throw jet and fog which is spray pattern. The fire remote control monitors are equipped with non-aspirating type nozzles designed to throw water or foam as per the requirement. Fire monitors are designed for marine and offshore applications and widely used in chemical industrial enterprises, port and dock, large oil storage, large water storage, airport and etc. It operates electrically or hydraulically. It can also be controlled from a safe distance by using a simple operating console. A fire fighter can be stationed in a control cabin that can be located more than two hundred meters away from the monitor. Also to meet the safety standards the monitors have a provision to be manually operated in case of an electric or battery failure. The fire remote control monitors can be erected on a structural platform at a desired height at strategic places where there is a potential hazard of fire.The water jet is created in the fire monitor by pressing water at optimum speed trough the special desinged monitor nozzle. Capacity of the fire monitors and outlet velocity can be adjusted by using different nozul diameters. Due to the velocity difference between inlet and outlet of the nozzle reaction force occurs. This force should be compensated for station keeping. Reaction force also can cause permanent deformation on the foundation system of the fire monitor .A comprehensive literature research showed that, VOF is the most suitable to model jet and fog flow. Calculation in this thesis were made by using VOF method in both two dimensinal and three dimensional.In this section , jet flow of the fire monitor was examined. Two parameters which affect the jet flow of fire monitor were considered. They are the nozzle profile and the butterfly valve in open position. The nozzles are used in fire monitor to adjust water outlet velocity to obtain required throw length. At the beginning, reaction force formulation in one dimension was written but this formulation was not suitable to denote the nozzle profile effect so calculation was proceeded by using computational fluid dynamics methods. Firstly the relation between nozzle profile and the reaction force was defined. Three nozzle profil were used in the calculation. These nozzles are called pelton nozzle, ters pelton nozzle and conic nozzle. Inlet and outlet section of the nozzle were same to make a sensible comparison. The analysis carried out at different presure values. Pressure-reaction force and pressure ?mass flowrate graphs were obtained for all nozzle profiles. The calculation results showed that reaction force which is occured in the nozzle was related to nozzle geometry although the inlet and outlet diameters of the nozzles were same. The nozzle profile which was called ters pelton had minimum reaction force and maxium mass flow rate at same pressure. It?s understood that, ters pelton was the most effective nozzle profile for such a situation.Another topic in this section was to determine the effect of nozzle profile on velocity profile. The calculations were carry out in two dimensional and three dimensional. According to two and three dimensional analyses results, jet velocity profiles were independent of the nozzle geometry. Some optimisation studies were done to improve nozzle performance. The inlet and outlet diameters of the nozzles were keep constant again.In the fire monitor, to obtain jet flow the valve was used in open position. This situation was not arbitrary and had some disturbing effect on jet flow. To measure this effect, three model were runned. Due to the results, when valve was in use (real situation), outlet velocity was decreased. As the outlet velocity was related to throw length of the fire monitor, throw length would decrease in use of valve. This was a disadvantage of using valve in jet flow.In fire monitors, fog flow is used to extinguish the fire which is spreaded over large areas. In this study two method is studied to obtain fog flow. In the first method, a modified butterfly valve was used to spread the water. The angle between the flap of the valve and horizontal line considered as a parameter. The relation between the angle and outlet velocity at a constant inlet pressure studied. As an alternative to fog flow a kind of deflector used to provide fog pattern. The angle and the diameter of the deflector and the distance between nozzle and the deflector considered as parameters.At the end, reduced flow in fire monitors were studied. In this flow, valve was kept in closed position. As the valve had a hole in the middle, flow reduced related with this hole diameter.