Dikdörtgen kesitli genişleyen bir kanaldaki türbülanslı ve ayrılmalı akışta girdap üretici etkisinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation on effect of vortex generators on turbulent flow with separation in a diverging channel of rectangular cross-section
Yazar: ABDULVAHAP SAVUL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ KENAN KAYA
İstanbul Aydın Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, genişleyen bir dikdörtgen kanalda silindirik girdap üreticilerin türbülanslı akışta akım ayrılması ve buna bağlı olarak kanaldaki basınç kaybı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Sayısal çözümler ANSYS Fluent çözücüsü kullanılarak yapılmış, türbülans modeli olarak ise bir Eddy viskozitesi modeli olan k-epsilon Realizable modeli kullanılmıştır. Bu çalışmada kullanılan sayısal yöntem daha önce yapılmış olan bir deneysel çalışmanın sonuçları kullanılarak doğrulandıktan sonra ilk olarak, kanal girişine tek sıra girdap üretici yerleştirildiği ve genişleme açısının 30°, 45°, 60° ve 90°, girdap üretici/giriş kanalı yükseklik oranının 0.25 ve 0.5 olduğu durumlar için hız ve basınç alanları elde edilmiş, girdap üreticilerin kullanıldığı ve kullanılmadığı durumlar birbirleri ile karşılaştırılarak etkinlikleri tartışılmıştır. Sonrasında ise ek olarak genişleme açısının 45°, girdap üretici/giriş kanalı yükseklik oranının da 0.25 olduğu durumda kanal girişinde çift sıra ve eğimli yüzeyde tek ve çift sıra girdap üretici olmak üzere üç farklı durum incelenmiştir. Her bir durum için girdap üreticilerin akış alanında yarattığı etki akım çizgileri yardımıyla görsel olarak sunulmuş ve bunun üzerinde topolojik bir analiz yapılmış, ayrıca kanal alt duvarı boyunca duvar kayma gerilmesinin değişimi, yeniden tutunma noktasının konumu, kanaldaki toplam basınç kaybı ve statik basınç geri kazanım katsayısı gibi parametrelerle de sonuçlar nicel olarak değerlendirilmiştir. Sonuç olarak, kanal girişine yerleştirilen tek sıra girdap üreticilerin yeniden tutunma noktasını yukarı akım yönünde taşıdığı, buna karşılık kanaldaki basınç kaybını artırdığı görülmüştür. Basınç kaybındaki bu artış girdap üretici/giriş kanalı yükseklik oranının artırılmasıyla daha da artmış, statik basınç geri kazanım katsayısı her iki yükseklik oranı için de negatif olarak elde edilmiştir. Eğimli yüzey üzerine yerleştirilen çift sıra girdap üreticinin basınç kaybını azalttığı ve statik basınç geri kazanım katsayısını da artırdığı tespit edilmiş, sıra sayısının artırılmasıyla kanalın enerji verimliliğinin daha da iyileştirilebileceği ön görülmüştür.

Abstract:
In this study, effect of cylindrical vortex generators on flow separation in turbulent flow and the resulting pressure loss in an expanding rectangular duct is investigated. Numerical calculations are conducted using ANSYS Fluent solver, and the k-epsilon Realizable model, which is an Eddy viscosity model, is used as the turbulence model. Once the numerical method used in this study is validated using the results of a previous experimental study, firstly, a single row of vortex generators is placed at the duct entrance for expansion angles of 30°, 45°, 60° and 90°, while vortex generator/entrance channel height ratios of 0.25 and 0.5 are employed. Velocity and pressure fields are obtained for the cases where vortex generators are used and the cases where they are not used are compared, and their effectiveness is discussed. Additionally, three distinct cases are examined: double rows at the duct entrance, and single and double rows of vortex generators on the slanted surface, where the expansion angle is 45° and the vortex generator/entrance channel height ratio is 0.25. For each case, effect of the vortex generators on the flow field is presented qualitatively with the help of streamlines, and a topological analysis is made on it, also, results are evaluated quantitatively with the parameters such as variation of wall shear stress along the duct bottom wall, the location of the reattachment point, the total pressure loss through the duct, and the static pressure recovery coefficient. As a result, it has been observed that the single row vortex generators placed at the duct entrance move the reattachment point upstream, while increasing the pressure loss throughout the duct. This increase in pressure loss increases further by increasing the vortex generator/entrance channel height ratio, and a negative static pressure recovery coefficient is obtained for both height ratios. It has been determined that the double row vortex generators placed on the slanted surface reduce the pressure loss and increase the static pressure recovery coefficient, and it is predicted that the energy efficiency of the duct can be further improved by increasing the number of rows.