Dönen dairesel disk akışı
Rotating disc flow
Yazar: ALAATTİN METİN KAYA
Danışman: YRD. DOÇ. DR. İLYAS KANDEMİR
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2005
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu çalışmada, sıcaklık ve hız faktörlerinin, deneysel, teorik ve sayısal olarak, dönen dairesel disk akışına etkileri incelenmiştir. Dönen disk akışı ile ilgili olarak yapılmış olan çoğu çalışmada düzlemsel disk kullanılmıştır. Birkaç çalışma da gözenekli disk üzerine yapılmıştır. Bu çalışmada ise ilk defa konik geometriye sahip bir disk kullanılmıştır. Yüksek devirlere çıkabilecek bir sistem tasarlanmakta olduğundan, dönen milin eksensel simetrisi oldukça önem arz etmektedir. Yatak sürtünmesini en aza indirmek, yüksek daimi hızlara ulaşabilmek ve ısıl izolasyona katkı sağlayabilmek için dönen mil, havalı iki radyal yatak ve alttan bir havalı eksensel yatak ile desteklenmiştir. Düzenek, kararlılığını sağlamak için alttan zemine, yandan duvara çelik dübellerle sabitlenmiştir. Merkezkaç gerilmeler yapılan sonlu elemanlar analizi ile belirlenmiştir. Yüksek hızlara ulaşabilmek için sürtünme katsayısı en düşük olan yatak (havalı yatak) kullanılmıştır. Diskin 3000 d/d'ye çıkabilmesi ve bu değer civarlarındaki hızlarda kendi haline bırakıldığında 30 dakikanın üzerinde bir zaman zarfında durgun hale gelmesi, havalı yatak kullanımının ne denli önemli olduğunun göstergesidir. Hazırlanan deney düzeneğinde diskin tahrik edilmesi dremel, ısıtılması oksijen kaynağı ile yapılmıştır. Bu tip yüksek devirli ve sıcak koşullara maruz sistemlerde, hava yastıklı yatak kullanımının uygun olduğu görülmüştür. Ayrıca, dönen parçanın mümkünse bir defada aynı tezgâhtan eksensel simetrik olarak üretilmesinin balans açısından önemli olduğu gözlemlenmiştir. Teorik ve bu çalışmada yapılan sayısal hesaplarda ortaya çıkan, disk ucundan dışarıya doğru akışkan üflemesi olarak gözlemlenen pompalama etkisi, deneylerde, bu bölgedeki sıcaklığın, dönen sıcak diskin açısal hızıyla artan bir davranış arz etmesine yol açmıştır. Üst ve alt yüzeyler arasındaki sıcaklık farkının akış alanına etkilerini gözlemlemek ise, disk içindeki hızlı ısı transferi nedeniyle sağlıklı bir biçimde gerçekleştirilememiştir.

Abstract:
Rotating disc flow and heat transfer problem is a classical fluid mechanics problem of theoretical and practical importance. Heat transfer from a rotating part is important in various rotating machinery. Disk drives in computers and gas turbine rotors may be shown as examples. In this study, effects of temperature and velocity on the rotating disc flow were experimentally, theoretically, and numerically investigated. Most of the studies on rotating disc focus on planar geometry. Some studies involving porous disk exist, as well. This study, on the other hand, uses a disc with conical shape as a first. Axial symmetricity of the rotating disc is crucial, simply because it is intended to design a high rpm system. In order to minimize the bearing frictions, to achieve high steady speeds, and to contribute on the thermal insulation, the rotating shaft was supported by two radial and one axial air-bearings. The whole assembly was fixed to the ground and side wall using steel pegs, to get a stiff structure. Centrifugal stresses were estimated using a finite element analysis. In order to achieve high speeds, bearing with least friction (air-bearing) was chosen. When left free at 3000 rpm, continuation of the rotation for more than 30 minutes proves how important the use of air-bearings was. In the experimental setup, dremel and oxygen-acetylene welding were used to rotate and heat the disk, respectively. It has been concluded that, use of air cushioned bearing in this kind of high rpm and hot surface systems was suitable. Added to this, if it is possible, for the sake of axial symmetry, manufacturing of the rotating part cut from a whole at once should be achieved for balance. The pumping effect that was observed as outward blowing of the fluid at the tip of the disk in theoretical and numerical calculations done in this study caused a temperature increase at that region as the angular velocity increases. Because of the fast heat conduction through the disk material, it was not possible to conduct a sound investigation on how the temperature difference between the upper and lower surfaces of the disk affects the flow field.