Çapraz akıştaki türbülanslı jet akışlarının deneysel ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi
Experimental and computational fluid dynamics analysis of turbulent jet in crossflow
Yazar: SEYFETTİN BAYRAKTAR
Danışman: PROF. DR. TAMER YILMAZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Akış = Flow ; Akış analizi = Flow analysis ; Akış denklemleri = Flow equations ; Akış hızı = Flow velocity ; Akış modellemeleri = Flow modellings ; Akış performansı = Flow performance ; Akış problemleri = Flow problems

Özet:
Bilindiği üzere doğadaki hemen hemen tüm akışlar türbülanslıdır. Türbülansın görüldüğü akışlardan biri de çapraz akıştaki jet akışları ya da diğer adıyla çapraz jetlerdir. Çapraz akıştaki jet akışları jet akış yönünün içerisine püskürtüldüğü serbest akış yönünden tamamen farklı olduğu bir akış türünü ifade eder. Serbest akış, sahip olduğu momentumun etkisiyle lüleden püskürtülerek sağlanan jet akışını kendi doğrultusunda akmaya zorlayarak yönünü değiştirir. Çapraz akıştaki jetler, düşük hızlı baca dumanlarından, yüksek hızlara sahip jet motorlarının yanma odalarındaki akışa ve hipersonik roket ve füze kontrol sistemlerine, düşük kütle akışlı sınır tabaka kontrol sistemlerinden, dikey olarak inip havalanabilen V/STOL uçaklara kadar pek çok mühendislik olayında kendini göstermektedir.Bu çalışmada çapraz akıştaki jet akışları problemi deneysel ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) kullanılarak ele alınmıştır. HAD ile çapraz akıştaki jet akışlarının incelenmesi amacıyla, gerek endüstriyel uygulamalarda mühendislerce, gerekse de üniversite ve araştırma enstitülerinde bilim adamları ve araştırmacılar tarafından yaygın olarak kullanılan FLUENT 6.3.26 programından yararlanılmıştır. Sayısal kısımda lüle kesit geometrisi, lüle sayısı, hız oranlarının etkisinin yanında ayrıca lüle ile çapraz akış arasındaki eğim açısı da dikkate alınarak, bu gibi değişkenlerin akış yapısı üzerindeki etkileri kapsamlı olarak ele alınmıştır. Bunun için dairesel ve kare kesitli olmak üzere iki farklı lüle kesit geometrisi, bir lüle ve üç tane lüle yan yana olmak üzere iki farklı lüle sayısı, R=0.2, 0.5, 1.0 ve 2.0 olmak üzere dört farklı hız oranı ve a=30°, 45°, 60°, 75° ve 90° olmak üzere beş farklı eğim açısı incelenmiştir. Çapraz akıştaki baskın girdap yapılarından en önemli olan zıt-dönüşlü girdap çiftinin hız oranı, eğim açısı ve lüle kesit geometrisi ile nasıl değiştiği araştırılmıştır. Eğim açısı ve hız oranının artmasıyla zıt-dönüşlü girdap çiftinin ölçek olarak büyüdüğü ve yan yana üç tane lüle kullanılması durumunda oluşan zıt-dönüşlü girdap çiftinin, tek bir lüle kullanılmasına göre daha farklı bir yapıda olduğu görülmüştür. Bunun yanında özellikle gaz türbinlerinin film soğutulmasında büyük öneme sahip film soğutma verimi de en uygun lüle kesit geometrisi, eğim açısı ve hız oranı için araştırılarak sonuçlar irdelenmiştir. Film soğutma veriminin en yüksek değeri, eğim açısı 30° için elde edilmiş ve dairesel kesitli lüle kullanılmasının daha iyi olacağı sonucuna varılmıştır.Deneysel ölçümler 304 mm´304 mm´914 mm test kesidine sahip bir rüzgâr tünelinde değişik hız oranları için farklı yatay ve düşey mesafelerde gerçekleştirilmiştir. Lüleden sağlanan jet akışı ve rüzgâr tünelinde gerçekleştirilen serbest akış hızı sabit sıcaklık hızölçeri (sıcak tel hızölçeri) kullanılarak ölçülmüştür. Jet akışının sağlandığı lüle dairesel kesitli olup, ölçümler 90° eğim açısında R=0.5, 1.0 ve 1.5 için gerçekleştirilmiştir. Elde edilen deneysel veriler Fourier, dalgacık (wavelet) ve uygun ortogonal ayrıklaştırma (POD) metotları kullanılarak incelenmiş, akışa ait güç tayfları (power sprectrum), dalgacık haritaları ve frekans-zaman alanındaki değişimleri sunulmuştur. Fourier analizine göre, bir serbest jette lüle çıkışındaki güç tayfı ilerleyen diğer mesafelere göre laminar karakter göstermiş ve lüle çıkış hızı artırıldığında frekans enerjisi düşmüştür. Üç farklı hız oranı (R=0.5, 1.0 ve 1.5) için yapılan mukayesede daha yüksek hız oranında daha düşük frekans enerjisi saptanmıştır. Bu durum lülenin merkezinde jetin çapraz akış önünde bir engel gibi davranarak çapraz akış etkisini sönümlemesi ve ilerleyen mesafelerde etkisini kaybetmesine bağlanmıştır. Verilerin dalgacık (wavelet) analizinde en düşük hız oranı olan R=0.5'te baskın frekansın 45 Hz'te kendini gösterdiği, ancak R=1.0 olduğunda bu değerin 85 Hz ile 105 Hz arasında olduğu gözlenmiştir. Enerjinin modlara göre dağılımlarının gösterildiği uygun ortogonal ayrıklaştırma (POD) metodunda ise düşük hız oranındaki modların yüksek hız oranındaki modlara nazaran daha fazla enerji taşıdıkları görülmüştür. Lüle çıkışından uzaklaşıldıkça toplam enerjinin daha fazla sayıda moda dağıldığı gösterilmiştir.Akım görüntüleme tekniği kullanılarak çapraz akıştaki jet akışlarında görülen büyük ölçekli yapılar ve akış yapısı gösterilmiştir. Bunun için bir duman üreteci ve dijital video kayıt cihazı kullanılarak rüzgâr tüneli ve jet hızları değiştirilerek akış alanı incelenmiştir. Yüksek jet hızlarında lüleden püskürtülen jet, çapraz akış içerisine daha dik bir şekilde nüfuz ederek akmaya devam etmiştir. Lüle hızı kademeli olarak azaltıldığında ise rüzgâr tünelinden sağlanan çapraz akış daha baskın hale gelmiş ve jet akışını yenerek, kendi doğrultusunda akmaya zorlamıştır. Rüzgâr tüneli yüksek hızda çalıştırıldığında bu baskın özellik daha çok görülmüş ve jet akışı gittikçe düzleşerek test kesidinden akmaya başlamıştır. Rüzgâr tüneli ve lülenin düşük hızlarda aktığında saptanan kayma tabakası girdapları, özellikle çapraz akışın yüksek hızlarında tespit edilememiştir.Anahtar Kelimeler: Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD), türbülans modelleri, çapraz jet, sabit sıcaklık hızölçeri, dalgacık ayrıklaştırması, uygun ortogonal ayrıklaştırma, Fourier ayrıklaştırması, güç tayfı.

Abstract:
As it is well known that, most of the flows in the nature are turbulent. One of the turbulent flows seen in the nature is jet in cross flow or transverse jet. Jet in cross flow expresses the flow at which its direction is completely different from the cross flow. Free stream forces the jet flow to change its direction due to its momentum. Jet in crossflow is encountered from the stack smoke to flow in combustion room and hypersonic misille and rocket control systems, low mass flux boundary layer control systems to V/STOL aircrafts.In this study, jet in cross flow is taken into account by using experimental and computational fluid dynamics (CFD). In computational fluid dynamics calculations a CFD code of FLUENT 6.3.26 which has been used commonly in industry by engineers and in institutions and universities by academicians and researchers are considered. In the numerical section, nozzle geometry, number of nozzles, velocity ratio and inclination angle between the crossflow and nozzle are investigated to explore the effect of these parameters on the flow structure. For this reason two different nozzle section geometries; two different nozzle arrangements; circular and square nozzles, one and three-side by side nozzles, four different velocity ratios; R=0.2, 0.5, 1.0 and 2.0, five different inclination angle; a=0°, 45°, 60°, 75° ve 90° are considered. It was realized that, the high velocity ratio and inclination angle between the channel and nozzle, the more penetration of jet and the enlarge the counter-rotating vortex pair (CRVP) in size. It was also reported that using three nozzles side by side lead to high CRVP in size than the use of one nozzle. Film cooling which is very important for cooling technique was also investigated for different jet inclination angle and blowing ratios. It can be concluded that, the high thermal film cooling efficiency was obtained for the lowest inclination angle of 30°.Experimental measurements are done in a wind tunnel which has 305 mm´305 mm´914 mm test section for different jet-to-crossflow velocity ratios at different stations. Jet in crossflow are measured by using constant temperature anemometer (CTA) which is traditional but most commonly used in the experiments. Nozzles used in the experiments are considered as circular and the inclination angle between the nozzle and crossflow are designed as 90°. All measurements are conducted for R=0.5, 1.0 and 1.5. The results are then decomposed by using Fourier, wavelet and proper orthogonal decomposition (POD) techniques. Besides power spectrums and histograms dealing with the flow, velocity distributions are showed. According to Fourier analysis, the power spectrum at the center of the nozzle are more similar to the laminar character that the streamwise stations. When jet exit velocity was increased, it was seen that the energy of the flow decreased ironically. Comparisons were made for three velocity ratios, (R=0.5, 1.0 and 1.5) and it was seen that, the highest velociy ratio has the lowest energy. At the center of the nozzle, jet acts as an obstacle to the coming crossflow and damps the effect of the crossflow. The most dominant frequency of the flow was detected as 45 Hz at the ratio of R=0.5 by using wavelet technique. At R=1.0, dominant frequencies were seen at 85 Hz to 105 Hz. Energy contribution of the flow was calculated by using proper orthogonal decomposition (POD) technique and it was seen that the lower velocity ratio leads to carry more energy of the flow than the higher velocity ratio.Flow visualization technique was also performed to reveal the flow structure. A fog generator and digital video camera were used for this purpose. The flow field was investigated for different jet to crossflow velocity ratio by changing the velocity of the jet and wind tunnel, respectively. At the highest velocity ratio, jet penetrate directly into the crossflow due to its high momentum and acts as obstacle on the coming crossflow. It was also showed that, when the jet velocity was increased, crossflow become more dominant and sweep the jet flow, bending it to the crossflow direction. Shear layer vortices were detected especially at lower velocity ratio while it could not be seen at high crossflow.Keywords: Computational fluid dynamics (CFD), turbulence models, transverse jet, constant temperature aneometer (CTA), wavelet transform, proper ortogonal decomposition (POD), Fourier decomposition, power sprectrum.