Bir sıvı içerisine daldırılmış katı cisimlerle akış alanın etkileşiminin deneysel ve sayısal incelenmesi
Experimental and numerical investigation of interaction between solid bodies immersed in a fluid and the flow field
Yazar: EMİR TAHA EREN
Danışman: PROF. DR. GALİP TEMİR ; PROF. DR. HASAN ALPAY HEPERKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu doktora çalışmasında akış iki başlık altında çalışılmıştır. 
Birinci çalışmada, model deneyler ve sayısal simülasyonlar kullanılarak üç boyutlu esnek bir T kirişinin deformasyonu incelenmiştir. Deneyde girişinden sabit ve düzgün su akışının sağlandığı bir devridaim su kanalının içine bir kiriş yerleştirilmiştir. Çapraz akış yönünde esnek T kirişinin deformasyonunu kaydetmek için yüksek hızlı bir kamera sistemi kullanılmıştır (HSC). Bundan başka, esnek T kirişinin deformasyonunu simüle etmek üzere iki yönlü sıvı-yapı etkileşimi (FSI) için bir sayısal yöntem uygulanmıştır. Sıvı ve katı alanı bağlaştırmak için bir ''system coupling'' kullanılmıştır.  Ağın oluşturulmasında dinamik ağ yöntemi kullanılmıştır. Üç boyutlu sayısal ve esnek katı T kirişi HSC sonuçlarıyla doğrulandıktan sonra farklı Reynolds sayıları için deformasyon ve gerilme hesaplanmıştır. Bu çalışma hız 0.25 m/s'den 0.35 m/s'ye yükseldiğinde esnek T kirişindeki deformasyonun nerdeyse %90 arttığını, buna karşılık hız 0.25 m/s'den 0.15 m/s'ye düşürüldüğünde esnek T kirişindeki deformasyonun neredeyse %63 azaldığını göstermiştir. İkinci çalışma da ise, bir tekil dalga ile bir hareketli silindir arasındaki etkileşimi çözmek için bir 2-D sayısal dalga tankı (NWT) kullanılmıştır. Silindir, tankın taban zeminine göre çeşitli pozisyonlarda yerleştirilmiştir. Silindir sabit bir yatay hızda tekil dalgaya doğru hareket edebilmektedir. Toplam ondört örnek durum inecelenmiştir. Beş batıklık derinliği ve iki farklı hareket hızı da dahil olmak üzere on farklı sayısal simülasyon kullanılmıştır. Hareketli ve hareketsiz silindirler arasındaki silindirler arasındaki dalga-yapı etkileşiminin sonuçlarını karşılaştırmak amacıyla silindir, NWT içinde hareketsizken beş farklı simülasyon daha incelenmiştir. Sayısal sonuçlar, Reynolds ortalaması alınmış Navier-Stokes (RANS) denklemleri ve sıvı hacmi (VOF) denklemleri hesaplanarak elde edilmiştir. NWT içinde bir dalga pedalını ve silindiri hareket ettirerek bir tekil dalganın oluşturulması için iki farklı kod (Kullanıcı Tarafından Tanımlana Fonksiyon-UDF) kullanılmıştır. Ağın oluşturulmasında dinamik ağ yöntemi kullanılmıştır. İlkin, CFD kodlarının dalga pedalı hareketi kullanılarak bir tekil dalga oluşturabilmesi ve hareketli bir silindirin hidrodinamik kuvvetleri sayısal sonuçlarla doğrulanmıştır. Ardından çeşitli koşullarda serbest yüzey değerlendirmesi yapılmış ve hidrodinamik kuvvetler incelenmiştir.

Abstract:
In this Ph.D. thesis, flow is studied under two titles.  
At first study, a three-dimensional T-shaped felixible beam deformation was investigated using model experiments and numerical simulations. In the experiment, a beam was placed in a recirculating water channel with a steady uniform flow in the inlet. A high-speed camera system (HSC) was utilized to record the T-shaped flexible beam deformation in the cross-flow direction. In addition, a two-way fluid structure interaction (FSI) numerical method was employed to simulate the deformation of the T-shaped flexible beam. A system coupling was used for conjoining the fluid and solid domain.  The dynamic mesh method was used for recreating the mesh. After the validation of the three-dimensional numerical T-shaped flexible solid beam with the HSC results, deformation and stress were calculated for different Reynolds numbers. This study exhibited that the deformation of the T-shaped flexible beam increases by nearly 90% when the velocity is changed from 0.25 to 0.35 m/s, where as deformation of the T-shaped flexible beam decreases by nearly 63% when the velocity is varied from 0.25 to 0.15 m/s

At second study, a 2-D numerical wave tank (NWT) was applied for solving the interaction between a solitary wave and a moving circular cylinder. The cylinder was placed at various positions from the tank bed floor. The cylinder can move at a constant horizontal velocity towards the solitary wave. A total of fifteen cases were studied. Ten different numerical simulations were used, including five submergence depths and two different moving velocities. The other five different numerical simulations were studied when the cylinder was unmoved in the NWT for comparing wave-structure interaction results between the moving and unmoved cylinders. The numerical were obtained by calculating Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations and the volume of fluid (VOF) equations. Two different codes (User-Define-Function-UDF) were used for the generation of a solitary wave by moving a wave paddle and traveling cylinder in the NWT. The dynamic mesh method was applied for recreating mesh. First, the ability of CFD codes to generate a solitary wave by using wave paddle movement and the hydrodynamic forces of a moving cylinder were validated by numerical results. Further, the free-surface elevation and hydrodynamic forces were considered at various conditions.