Yarısı gözenekli ortam ile dolu kanalda arayüzey hızının deneysel olarak tespiti
Experimentally determination of the interface velocity of the channel filled with porous medium partially
Yazar: SEMA ARSLAN
Danışman: PROF. DR. A. CİHAT BAYTAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering
Dizin: Akış problemleri = Flow problems ; Akışkanlar mekaniği = Fluid mechanics ; Arayüz özellikleri = Interface properties ; Geçirgenlik = Permeability ; Gözeneklilik = Porosity ; Stokes teoremi = Stokes theorem

Özet:
Bu çalışmada, alt yarısı gözenekli ortam dolu dikdörtgen kesitli bir kanalda daimi, sıkıştırılamaz ve laminar bir akış oluşturularak; berrak akışkan bölgesi ile gözenekli ortam dolu bölge arasındaki kalan sınırda arayüzey hızı DPIV yöntemi kullanılarak deneysel olarak incelenmiştir.Deneysel çalışmadan önce, kısmi gözenekli ortam dolu dikdörtgensel kesitli bir kanalda akış için yapılan daimi, laminar ve uniform akış kabullerinden sonra sınır şartları belirlenmiştir. Matematik model ve analitik çözümler elde edilmiştir. Berrak akışkan bölge için Stokes denklemi kullanılırken gözenekli ortam dolu bölgede Brinkman-Forchheimer düzeltmeli Darcy denklemi kullanılmıştır. Bu iki bölge sınırı olan arayüzey geçiş bölgesinde ise bu denklemlerin ortak çözümü kullanılmıştır. Matematik model ve analitik çözüm üzerinde çalışılırken mühendislik bilgisayar yazılımlarından Fortran ve Matlab programlama dilleri ve Grapher grafik programları kullanılmıştır. Sayısal çözümlemede Gridgen ve Fluent mühendislik bilgisayar programları kullanılmıştır. Sayısal çözümler sonucu elde edilen u-hız bileşeni değer verilerinin aritmetik ortalaması düzlemde belirlenmiş alanlar için alınarak kanalın belirli noktalarında kanal yüksekliği boyunca ortalanmış hız dağılımı bulunmuştur. Deneysel çalışmada arayüzey hızının tespiti farklı debi değerleri için gerçekleştirilip DPIV yöntemiyle veri toplanmıştır. Veriler işlenerek arayüzey hızının tespiti için düzlemsel hız alanları elde edilmiştir. Düzlemsel hız alanlarının maskeleme ve kötü vektörlerden ayrıklaştırma işlemleri sonucunda hız verilerinin ortalaması alınarak hız-kanal yüksekliği grafikleri çizdirilmiştir.Çalışmanın konusu, arayüzey hızının deneysel olarak bulunması ile analitik ve sayısal çalışmalarla bu çalışmanın desteklenmesidir. Çalışmanın önemi, güncel ve gelişime açık olup tam açıklanamayan noktalarının bulunmasıdır. Buna örnek olarak kayma gerilmesi sıçrama koşulu sabiti verilebilir. Bu yüzden gözenekli ortam ile akışkan bölge arasındaki geçiş olaylarının bilimsel açıklaması günümüzde hala tam olarak anlaşılmış değildir. Arayüzeydeki hız dağılımlarının incelenmesi gözenekli ortamlardaki yeni ve temel çalışmalar grubuna girmektedir. Çalışmanın ve konunun önemlerinden bir diğeri ise farklı mühendislik disiplinlerinde olduğu kadar, uçak ve uzay mühendisliğinde özel uygulama alanlara sahip olmasıdır.Deneyler İstanbul Teknik Üniversitesi Trisonik Laboratuarı'nda, sıfırdan tasarlanıp üretilen deney düzenekleri ile gerçekleştirilmiştir. Gözenekli ortam oluşturmak için dairesel kesitli silindirik pleksiglas çubuklar yatay ve dikey olarak belirli aralıklara sahip gridler halinde kanal tabanına düzgün bir şekilde yerleştirilmiştir. Akışkan olarak ise deneylerde su kullanılmıştır. Deneyler debi değerlerinin değiştirilmesi ile tekrarlanmıştır.Çalışma sonucunda, deneysel veriler özetlenmiştir. Arayüzey hız tespitinden sonra sonuçlar bölümünde analitik ve sayısal çalışma ile deneysel veriler tartışılmıştır.

Abstract:
In this study, by creating steady, laminar and incompressible flow in a rectangular cross-sectioned channel which is filled with porous medium located at the bottom, the interface velocity profile on the boundary between the clear fluid region and the porous medium region is observed experimentally using DPIV method.Earlier than experimental study, the boundary conditions are assigned after assuming the flow conditions as steady, laminar and uniform in the partially porous medium filled rectangular cross-sectioned channel. Mathematical model is found out and the analyitical solutions are determined. For the clear fluid region, Stokes equation is used, and for the porous medium region Brinkman-Forchheimer extended Darcy Equation is used. On the boundary of these two regions, the common solution for these equations which are told above are used. During working on the mathematical model and the analytical solution, engineering softwares such as Fortran and Matlab-programming languages and Grapher are used. For the numerical solution of the problem Gridgen and Fluent engineering softwares are used. After the data acquisition of numerical study, by averaging u-velocity component magnitudes arithmetically over a specific area in plane, average velocity profiles is figured out for all channel height in the specific points. In the experimental study, the velocity profile in the interface is examined for different mass flow rates and data acquisition is done by using DPIV method. By data processing, planar velocity maps are found out in order to determine the velocity profile at the interface. After discretization of bad vectors from planar velocity maps and masking, velocity-channel height graphes are plotted by taking the averaged velocity data.The subject of this study is determining the interface velocity experimentally and supporting this work with analytical and numerical solutions. The importance of this study is new and evolving, and there are some points which could not be explained exactly. Shear stress jump condition constant can be given as an example for this argument. That?s why, the scientific explanations to the transition phenomena between the saturated porous medium region and clear fluid region haven?t understood yet fully today. Investigations of the interface velocity profiles are included in the new and basic studies category for porous media. Another importance of the study is that as well as different engineering disciplines, aeronautic and astronautic engineering have specific application areas about this topic.Experiments are done in the Trisonic Research Center at Istanbul Technical University with producing and developing the whole experimental setup from beginning to the end. For preparing the porous medium, circular cross-sectioned cylinderical plexiglass parallel located at the bottom of the channel with specific horizontal and vertical distances like in grid lines homogenously. As fluid, liquid water is used during the flow for the experiments. Experiments are repeated by changing mass flow rates.At the end of the study, the experimental data are summarized. After the determination of interface velocity, experimental data, analytical, and numerical solutions are discussed in the results section.