Siklon ayırıcılarda iki fazlı türbülanslı akışın modellenmesi ve performans analizi
Modelling of two phase turbulent flows in cyclone separators and performance analysis
Yazar: ALİ SAKİN
Danışman: PROF. DR. İRFAN KARAGÖZ
Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Ters akımlı siklonlar = Reverse flow cyclones ; Teğetsel girişli siklonlar = Tangential inlet cyclones

Özet:
Bu çalışmada ters akışlı klasik siklonlar ile ters ve eksenel akışlı sanal gövdeli siklonlarda iki fazlı türbülanslı akışın sayısal olarak modellenmesi ve performans analizleri gerçekleştirilmiştir. Sürekli faz Eulerian yaklaşımı ile RSM türbülans modeli kullanılarak, ayrık faz ise Lagrangian yaklaşımı ile çözümlenmiştir. Klasik siklonlar ile yapılan çalışmalarda yüzey pürüzlülüğünün ve kısa devre akışın siklon performansına etkisi basınç kaybı ve partikül toplama verimi açısından analiz edilmiştir. Ters akışlı sanal gövdeli siklonlarda, siklon performansı sürtünme yüzeyi yüksekliğine ve girdap durdurucu mesafesinin değişimi etkisinde sayısal olarak incelenmiştir. Bu değişkenlere ilave olarak ayrı bir çalışmada yüzey pürüzlülüğünün ters akışlı sanal gövdeli siklon performansına etkisi teğetsel hız profilleri, basınç kaybı ve partikül toplama verimi açısından irdelenmiştir. Ters akışlı sanal gövdeli siklonlarda ayrıştırma hacmi çapı değişiminin farklı giriş debileri için siklon performansına etkisi sayısal olarak analiz edilmiş ve ayrıştırma hacmi çapı değişiminin siklon performansı üzerindeki etkileri açıklanmıştır. Eksenel akışlı sanal gövdeli siklonlar, düz ve konik çıkış tipi olmak üzere iki farklı geometrik konfigürasyonda, ters akışlı sanal gövdeli siklonlarla performansları karşılaştırmalı olarak basınç kaybı ve partikül toplama verimi açısından değerlendirilmiştir. Ters akışlı sanal gövdeli siklonlarda EOV (end of vortex) oluşumunun hız alanı, basınç kaybı ve partikül toplama verimi üzerindeki etkileri ortaya konmuştur. Çalışmada ayrıca binek araca ait bir hava emiş sisteminde, hava filtresi yerine siklon filtre kullanımı ve araç performansına etkisi deneysel olarak irdelenmiştir. Motorun maksimum tork ve güç çalışma koşulları referans alınarak gerçekleştirilen hesaplamalarla klasik siklon geometrisi boyutlandırılmış ve hızlı prototip olarak imal edilerek şasi dinamometresinde basınç kaybı, güç ve tork kuvveti ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Klasik siklonda basınç kaybı ve partikül toplama verimi sayısal olarak çalışılmıştır. Basınç kayıpları açısından sayısal verilerin deneysel sonuçlarla uyumlu olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca sayısal olarak hesaplanan 2.17 ve 1.57 μm kritik çap değerlerinin, siklon filtrenin geliştirilmesi ile hava filtresi partikül toplama veriminin erişilebilir bir hedef olduğu ortaya konmuştur.

Abstract:
In this study, two phase turbulent flow of traditional cyclone, reverse and axial novel cyclones and their performance were investigated numerically. Eulerian approach was used for flow field by using RSM turbulent model and Lagrangian approach was employed for particle phase. For traditional cyclones, surface roughness and short-cut flow effect on performance were analyzed numerically in terms of pressure drop and particle collection efficiency. For the reverse flow novel cyclones, performance parameters were investigated under influence of surface friction height and vortex limiter distance. In addition to these parameters, another study for the effect of surface roughness on reverse flow novel cyclone performance was interpreted with tangential velocity profiles, pressure drop and particle collection efficiency. Effect of Separation space diameter of reverse flow novel cyclone at the same surface friction height and vortex limiter distance was analyzed numerically and the effect of variation of separation space on performance was explained. Axial flow cyclones of two geometric configurations; flat and conic type entrance was analyzed in comparison with reverse flow novel cyclone in terms of pressure drop and particle collection efficiency. Effect of EOV (end of vortex) presence on flow field, pressure drop and particle collection efficiency was carried out numerically. Also in this study, usage of cyclone separator instead of air filter of an air intake system of a passenger car was investigated experimentally. Maximum torque and power conditions of engine were taken as operating conditions and traditional cyclone geometry was built according to calculations and after rapid prototyping of cyclone geometry, pressure drop, torque force and power were measured on chassis dynamometer. Numerical calculations of traditional cyclone were carried out in terms of pressure drop and particle collection efficiency and from the view point of pressure drop, experimental data shows good agreement with numerical calculations. Cut-off diameter of traditional cyclone was calculated as 2.17 and 1.57 μm for operating conditions and it is clear that cyclone separators can be used as air filters and the particle collection efficiency of 100 % collected particle size can be achieved with the development of cyclones.