Farklı geometrilerde gözenekli ortam içeren bir kanalda yüksek viskoziteli yavaş akış için arayüzey hızı ve hız alanlarının deneysel ve sayısal olarak tespiti
Determination of interface velocities and velocity fields for highly viscous slow flow in a channel that includes various porous media geometries
Yazar: HASAN BAŞCI
Danışman: PROF. DR. CİHAT BAYTAŞ ; YRD. DOÇ. DR. HAYRİ ACAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering

Özet:
Gözenekli ortamlarda akış ve ısı geçişi olayları günümüzde makine, uçak, uzay, kimya, jeofizik, inşaat ve nükleer gibi pekçok disiplinin ilgisini çeken bir çalışma konusu olarak mühendislik araştırmalarında önemli bir yer tutmaktadır. Konuyu önemli kılan başlıca etken pekçok bilimsel ve teknolojik uygulamada kullanılan gözenekli ortam sistemleri hakkında hala kesin olarak açıklığa kavuşturulamayan noktaların bulunmasıdır.Yapılan bu çalışmada, bir kısmı gözenekli ortam içeren bir kanal içindeki akış olayı deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Yapılan deneysel çalışmada, gözenekli ortam pleksiglas çubukların bir matris halinde dizilmesi ile oluşturulmuştur. Dairesel, kare ve 45o döndürülmüş kare olmak üzere üç farklı çubuk geometrisi kullanılarak üç farklı kanal oluşturulmuş ve geometrinin hız profiline etkileri gözlemlenmiştir. Özellikle gözenekli ortam ve serbest akış bölgesi sınırını oluşturan arayüz hattındaki hızların geometri ile değişimi, çalışmanın en temel konusunu oluşturmuştur. Hız alanının DPIV sistemi kullanılarak elde edildiği deneyler ayrıca bir de sayısal çalışmayla desteklenmiştir. Sayısal çalışma, kanalın eş ölçekte üç boyutlu bir modelinin oluşturulması, bu model üzerinde ızgara yapısının oluşturulması ve çözüm basamaklarını kapsamaktadır. Elde edilen sonuçlar karşılaştırıldığında, sayısal ve deneysel çalışmaların sonuçlarının çok büyük bir uyum içerisinde olduğu görülmüştür. Çalışma sonucunda hız profillerinin ve arayüz hızlarının değişen ortam geometrisi ile ne şekilde değiştiği iyi bir şekilde ortaya konulmuştur.Çalışmanın diğer bir amacı da analitik bir geçirgenlik hesabının oluşturulmasını içermektedir. Geçirgenliğin gözenekli ortam çalışmaları için oldukça önemli bir değişken olması bu çabayı anlamlı kılmaktadır. Çalışmanın bu kısmında inceleme konusu olan dairesel, kare ve 45o döndürülmüş kare geometride çubuklardan oluşan gözenekli ortamlar için analitik geçirgenlik hesapları başarılı bir şekilde elde edilmiştir. Dairesel ve kare çubuklardan oluşan gözenekli ortamlar için elde edilen geçirgenlik bağıntıları, daha önceden kaynaklara girmiş diğer çalışmalarla karşılaştırılmış ve güvenilir sonuçlar sağladıkları görülmüştür. 45o döndürülmüş kare çubuklarla oluşturulmuş gözenekli ortam için geçirgenliği veren bir bağıntı kaynak araştırmasında bulunamamıştır. Bu nedenle, bu çalışmada ortaya konan bağıntı çalışmanın katkısı olarak değerlendirilebilir.

Abstract:
The fluid flow and heat transfer phenomena within porous media is accounted as a significant subject among engineering researches which attracts attention of many disciplines like mechanical, aeronautics, astronautics, chemical, geophysics, civil and nuclear engineering. The chief factor of importance of the subject is that there are still unknown points about porous media systems which have wide area of use in many scientific and technological applications.This study covers the experimental and computational investigation of fluid flow in a channel which partially includes a porous zone. In the experimental part of the study, the porous media is produced using a matrix-like array of plexiglass rods. The study includes three different geometries of porous media which are formed using rods with circular, square and 45o rotated square cross sections. The effect of different geometries on velocity profile is observed at the study. Especially the effect of 3 different geometries on the behaviour of the velocity magnitudes on interface line, which is the boundary between the porous media and free flow region, is aimed as the most significant investigation of the study. During the experiments DPIV system is used for obtaining the velocity field and these results are also supported by a computational analysis. The computational part of the study includes the design stage of an equally sized 3-D model of the experimental channel, the meshing stage of the channel and the solution stage. At the end of the study a good agreement between experimental and computational results is observed. By means of the results of the study the effect of the geometry on the behaviour of the velocity profiles and interface velocities are clearly figured out.The second purpose of the study covers the proposal of an analytical method for the determination of permeability. The importance of the permeability for porous media studies makes this effort meaningfull. In this part of the study, analytical permeability determination methods are successfully obtained for all three investigated geometries which are composed of rods with circular, square and 45o rotated square cross sections. The analytical expressions obtained for geometries with circular and square cross sectioned rods are compared with former studies found in the literature search and a reliable agreement is observed. An analytical expression which calculates the permeability of 45o rotated square rods is not discovered during literature search. For this reason the expression obtained at this current study can be evaluated as contribution of the study.