Kürenin sınır tabakayla etkileşimiyle oluşan akış yapısı ve kontrolünün deneysel incelenmesi
Experimental investigation of the flow structure and its control between boundary layer and sphere
Yazar: ABDULKERİM OKBAZ
Danışman: DOÇ. DR. MUAMMER ÖZGÖREN
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Akış = Flow ; Akış analizi = Flow analysis ; Akış denetimi = Flow control ; Akış hızı = Flow velocity ; Jet akışı = Jet flow ; Karman girdap caddesi = Karman vortex street ; Türbülans = Turbulence ; Türbülans ölçümü = Turbulence measurement ; Türbülanslı akış = Turbulent flow ; Türbülanslı sınır tabakası = Turbulent boundary layer

Özet:
Akrilik malzemeden yapılan düz bir levha üzerine yerleştirilen pürüzsüz bir küre ve pasif olarak akış kontrolü uygulanmış farklı küreler etrafındaki akış karakteristikleri boya ile görselleştirme ve Parçacık Görüntülemeli Hız Ölçme (PIV) yöntemi kullanılarak kapalı devre açık kanal su akışında incelenmiştir. Düz levha üzerindeki hız dağılımı tetikleyici tel (tripwire) kullanılarak gelişmiş türbülanslı sınır tabaka koşullarında kalırken serbest akım hızına ve küre çapına göre tanımlı Reynolds sayısı 2500 ? Re ? 10000 aralığında değiştirilmiştir. Pasif akış kontrolü için, üzerine farklı açılarda 2 mm ve 3 mm silindirik çapında o-ring yerleştirilmiş küreler, farklı çaplarda pasif jet deliği olan küreler ve pürüzlü yüzeyi olan bir küre kullanılmıştır. Küre çapı 42.5 mm olup kalınlığı 63 mm olan levha yüzeyindeki türbülanslı bir sınır tabaka akışı içinde farklı konumlara yerleştirilmiştir. Küre art izi bölgesindeki anlık ve zaman ortalaması alınmış akış yapıları 0 ? G/D ? 1.50 aralığındaki boşluk oranlarında akış fiziği açısından analiz edilmiştir.Hız çalkantıları, akım çizgileri, girdap eş düzey eğrileri, hız alanları, türbülans kinetik enerji ve Reynolds gerilmesi eş düzey eğrilerinin dağılımları PIV verileri kullanılarak elde edilmiştir. Küre art izi yapısı küre ile levha arasındaki boşluk miktarına bağlı olarak değişen jet akıştan etkilenmektedir. Boşluk oranı art izi ile sınır tabaka etkileşiminin akış yapısında ve bu çalışmada uygulanan akış kontrol yöntemlerinin etkinliğinde güçlü bir etkiye sahiptir. Bu nedenle, o-ringlerle uygulanan pasif akış kontrolünün etkinliği o-ring çapına ve yerleşim açısına bağlı olduğu kadar, kürenin sınır tabaka içindeki yerine de bağlı olmuştur. Üniform akış şartlarına yaklaşıldığı ve küre ile levha arasındaki boşlukta gerçekleşen jet akışın hiç olmadığı G/D=1.50 açıklık oranın ortalama akış yapıları ve türbülans istatistikleri değerlendirildiğinde en etkili o-ringli kontrol şeklinin 55°'ye yerleştirilmiş 2 mm çapındaki o-ringin ve 50°'ye yerleştirilmiş 3 mm çapındaki o-ringin olduğu gözlemlenmiştir. Düşük açıklık oranlarında (G/D=0.10 ve 0.25) çap oranları d/D=0.20 ve 0.25 olan küre durumlarında, küre deliğinden gelen jet akışın art izinde oluşturduğu momentumun, küre ile levha arasındaki jet akış üzerinde çok etkili olduğu bulunmuştur. Serbest akım şartlarına yaklaşıldığında G/D=1.50 açıklık oranında d/D=0.20 ve 0.25 oranlarındaki deliklerden gelen jet akışın küre üst kayma tabakasıyla alt kayma tabaksının etkileşimini engellediği bulunmuştur. Küre art izinde Reynolds gerilmeleri, hız çalkantıları ve türbülans kinetik enerji şiddetleri artan delik çapıyla birlikte azalmıştır. Ancak, delik çap oranları d/D=0.20 ve 0.25 olduğunda küre deliğinden gerçekleşen jet akışın oluşturduğu momentumun artmasıyla jet akışın art izi bölgesine karıştığı bölgede bu akış karakteristiklerinin şiddetleri artmıştır. Delik çapı oranının d/D=0.15 durumunun hem üst ve alt kayma tabakalarındaki değerler hem de jet çıkışındaki değerler birlikte incelendiğinde en iyi akış kontrolü için optimum oran olduğu sonucuna varılmıştır. Delikli kürenin deliğinden çıkan akış, art izi yapısını değişmiş ve akış yapısında küçük ölçekli bir adet girdap çifti oluşmuştur ve akış yapısının simetrikliğe doğru düzelmesine etki yapmaktadır. Akış fiziği yönünden bakıldığında, Reynolds sayısı değerinin Re=5000'in kritik altı olmasına rağmen, art izi bölgesindeki Karman Girdap caddeleri ve Kelvin Helmholtz girdapları pürüzlülük etkisinden dolayı biraz azalmaktadır. Elde edilen sonuçlar sayısal yöntemlerin geliştirilmesi ve doğrulanmasında ve mühendislik tasarımlarındafaydalı olabilecektir.Anahtar Kelimeler: akış, delik, girdap, jet akış, küre, o-ring, pasif akış kontrolü sınır tabaka akışı, PIV, pürüzlülük, türbülans.

Abstract:
Flow characteristics around a smooth sphere and passively flow controlled sphere located over a smooth flat plate made of Plexiglas material were experimentally investigated using dye visualization and PIV technique in close loop open water channel flow. Reynolds numbers were in a range of 2500?Re?10000 based on the free-stream velocity and sphere diameter while the velocity distributions over the plate surface are the developed turbulent boundary layer condition attained by using a tripwire. For passive flow control, the spheres with o-ring in 2 mm or 3 mm diameters located on the sphere surface at various angles, the spheres with passive jet hole in various diameters and a sphere with roughened surface were used. The sphere in diameter of D=42.5 mm was embedded at different locations in a turbulent boundary layer flow with a thickness of 63 mm. Instantaneous and time-averaged flow patterns in the wake region of the sphere were examined from the point of flow physics for different sphere locations in the range of gap ratio 0? G/D?1.50.Distributions of velocity fluctuations, patterns of sectional streamlines, vorticity contours, velocity fields, turbulence kinetic energy and corresponding Reynolds stress correlations are obtained using PIV data. The gap ratio has a strong influence on the flow structure of the wake-boundary layer interaction and the effectiveness of the flow control methods applied in this study. Therefore, the effect of the o-ring on the passive flow control depends on the o-ring diameter and location angle as well as sphere location in the boundary layer flow. Approaching the uniform flow conditions, at the gap ratio G/D=1.50 no jet flow occurs through the gap between the bottom point of the sphere and flat plate and thus, it is observed from the mean flow characteristics and turbulence statistics that the most effective control with the o-ring is the o-ring located at 55° with 2 mm diameter and the o-ring located at 50° with 3 mm diameter. At the lower gap ratios (G/D=0.10 and 0.25) for the cases of diameter ratios d/D=0.20 and 0.25, it is observed that the momentum created by the jet flow through the sphere hole has strong effect on the wake structure of jet flow and through the gap between the sphere and flat plate. At the gap ratio G/D=1.50, it is observed that the jet flows through the sphere holes at the diameter ratios d/D=0.20 and 0.25 prevent the interaction of upper shear layer and lower shear layer of the sphere. For the case at the hole diameter ratio d/D=0.15, the evaluation of these flow characteristics levels at the upper and lower shear layers and jet exit, it is concluded that the sphere hole in d/D=0.15 diameter ratio is the optimum for the best flow control. The modified flow structure of the near wake of the vented sphere causes the occurrence of a pair of counter-rotating ring vortices which have the effect of aerodynamically streamlining the sphere wake. From the point of flow physics, vortex formation lengths of large scale Karman Vortex Streets and Kelvin Helmholtz vortices in the wake slightly decrease due to the roughness effect although the Reynolds number is in the subcritical region. It is demonstrated that both the passive control methods and the increased Reynolds numbers make the wake region size smaller and closer to the base of the sphere. The obtained results from this study can be helpful for developing and validating numerical predictions as well as designing.Keywords: boundary layer, flow, hole, jet flow, o-ring, passive flow control, PIV sphere, turbulence, vortex.