Küre serbest yüzey etkileşimiyle oluşan akış yapısı ve kontrolünün deneysel incelenmesi
Experimental investigation of the flow structure and its control between free-surface and sphere
Yazar: SERCAN DOĞAN
Danışman: PROF. DR. MUAMMER ÖZGÖREN
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasının amacı küre etrafındaki akış yapısı ve bu akış yapısının serbest yüzeyle etkileşiminin nicel ve nitel olarak deneysel araştırılmasıdır. Serbest yüzey akışı etkisi altında yerleştirilen pürüzsüz bir küre ve pasif akış kontrolü uygulanmış üç farklı küre modeli için açık bir su kanalı içerisinde deneyler yapılmıştır. Serbest yüzey ile küre art izinin etkileşimi sonucu meydana gelen akış yapısını Parçacık Görüntülemeli Hız Ölçme (PIV) metodu ile nitel ve boya akış görüntüleme yöntemi ile nicel olarak incelemek için Reynolds sayısı 2500?Re?10000 aralığında ve küre alt noktası ile serbest yüzey arasındaki daldırma oranı 0.25?h/D?3.0 arasında 0.25D aralıkla değiştirilmiştir. PIV ve boya görselleştirme deneylerinden elde edilen sonuçlar pürüzsüz küre durumu ve bunun pasif akış kontrolü uygulanmış kürelerle karşılaştırılması olmak üzere iki aşamada  değerlendirilmiştir. Anlık ve zaman ortalaması hesaplanmış hız çalkantıları, akım çizgi yapıları, girdap eş düzey eğrileri, hız alanları, türbülans kinetik enerji ve Reynolds gerilmesi eş düzey eğrilerinin dağılımları PIV verileri kullanılarak elde edilmiş ve karşılaştırılmalı olarak sunulmuştur.  
Pasif akış uygulamalarının etkisini araştırmak için akışa paralel olarak art izini enerjilendirmek için küre merkezine küre çapının %15' i oranında delik açılmış (d/D=0.15) delikli küre, akış ayrılmasını geciktirmek için akışın durma noktasından itibaren küre yüzeyi üzerine 55° de o-ring yerleştirilen o-ringli küre ve küre yüzeyine işlenen 410 adet 3mm çaplı silindirik pürüzlülük elemanına sahip pürüzlü küre modelleri kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar pürüzsüz küre sonuçlarıyla karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. Serbest su yüzeyinin akış yapısına etkisinin daldırma oranına bağlı olarak değiştiğini göstermek için akım çizgileri modelleri incelenmiştir. Küre yüzeyinden ayrılan akışın yüzeyle birleşme noktası R'nin değişimi, art izinde hızların sıfır olduğu S düğüm noktasının daldırma oranının değişmesiyle küre sırtına doğru yaklaşması ve art izinde meydana gelen odak noktalarının boyutundaki değişimler yorumlanmıştır. Pasif akış kontrolü uygulanan 2mm çapa sahip o-ringli küre durumunda art izi boyutunda diğer küre modellerine göre önemli derecede bir azalma meydana gelmiştir. Delikli küre modelinde ise küre üzerindeki delikten gerçekleşen momentum transferi yüksek akış art izi bölgesinde bir hareketlenmeye neden olmuştur. Ayrıca, bu jet akış etkisinden dolayı alt ve üst serbest kayma tabakasındaki odak noktalarından farklı olarak küre sırtına yakın kısımda iki adet odak noktası daha oluşmuştur. Yüzeyi pürüzlü şekilde işlenen küre deneyi sonuçlarının, düşük Reynolds sayısı nedeniyle pürüzsüz küreden çok farklı olmadığı gözlemlenmiştir. Pürüzlü art izi kısalması haricinde önemli bir kontrol etkisi gözlemlenmemiştir.
Serbest su yüzeyi etkisinin h/D=1.5 daldırma oranına kadar devam ettiği PIV deneylerinden elde edilen anlık ve zaman ortalaması alınmış sonuçlardan anlaşılmaktadır. Daldırma oranı h/D=1.1 olduğu duruma kadar kürenin sadece alt kısmından akış ayrılması olmaktadır ve dolayısıyla sadece alt kayma tabakasında akış hareketliliği meydana gelmiştir. Serbest kayma tabakasının yüzeyle birleşme noktası içinde kalan bölgede şiddeti yüksek dönümlü girdaplar oluşmaktadır. Daldırma oranı h/D=2.0 değerine ulaştığında küre art izi akış karakteristiklerinin serbest akım şartlarına benzer bir görünüm elde edilmiştir.

Abstract:
The aim of this thesis study is to experimentally investigate the flow characteristics around a sphere and the interaction between the wake and free-surface, qualitativelly and quantitavelly.  Experiments were conducted in an open water channel for a smooth sphere and three different sphere models to which passive flow control were applied at a location in the effect of free flow surface.  In order to investigate the flow structure occurred by the interaction between the free flow surface and sphere wake qualitatively and quantitatively, Reynolds number were in the range of 2500?Re?10000 and submersion ratio was changed between 0.25?h/D?3.0. Here, ''h'' was the distance between the top point of the sphere and free flow surface and ''D'' was the sphere diameter with 0.25D interval, using Particle Image Velocimetry (PIV) and Dye Visualization. The results from PIV and dye visualization experiments were evaluated in two sections which are the evaluation of the smooth sphere results and comparison of the results of the passive flow control and results of the smooth sphere. Velocity fluctuations, streamline structures, vortex contours, velocity fields, turbulence kinetic energy values and Reynolds stress contour distributions were calculated from PIV data and are comparatively provided.  The ventilated sphere with a hole diameter of 15% of the sphere diameter through the same direction with the flow at sphere center (d/D=0.15) for the purpose of energizing wake region,  to retard the flow separation the sphere with an o-ring that was placed to 55o of the sphere surface from the stagnation point of the flow at the sphere surface and roughened sphere with 410 cylindrical roughness elements with 3 mm diameter were used for studying the effects of passive flow control applications.  The obtained results were compared with the results of the smooth sphere case. Streamlines were examined in order to show the variation of the effect of the free flow surface on free stagnation point and foci depending on the submersion ratio. Variation of the reatachment point (R) of the flow separated from the sphere surface to the free flow surface, the location of the saddle point (S) at which the velocity values are zero in the wake with respect to submersion ratio and changes in the dimensions of the foci points in the wake of the sphere were evaluated and interpreted. A remarkable reduction was occurred in wake of the sphere with 2mm o-ring as a passive flow control comparing to the other cases. The ventilated sphere case, on the other hand, leaded to an activation of flow field at upper wake part due to the momentum transfer from the hole. Additionally, two foci points near to the sphere edge were realized different from the former foci points at the upper and lower side shear layers due to the jet flow effect from the hole.  The results of the roughened sphere was observed to be similar to the smooth sphere due to low Reynolds number except a closer wake region. 
The continuing effect of the free flow surface down to h/D=1.5 was realized by means of instantaneous and time-averaged results of the PIV experiments. Flow separation was observed only down part of the sphere up to h/D=1.1 submersion ratio and hence energetic flow motion was occurred only at lower shear layer.   A high level vortical structure occurs in the confined region between the reattachment point of the free shear layer and bottom section of the sphere. For submersion ratio h/D=3.0, the wake structure becomes similar to the wake region of a sphere exposed to uniform incoming flow.