Ters basınç gradyanı altındaki türbülanslı sınır tabakanın aktif kontrolün deneysel ve sayısal incelenmesi
An experimental and numerical investigation of active control of an adverse pressure gradient turbulent boundary layer
Yazar: ALTAN YÜCEL
Danışman: YRD. DOÇ. DR. DUYGU ERDEM
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering
Dizin: Türbülanslı sınır tabakası = Turbulent boundary layer

Özet:
Akışkanlar mekaniğinde karşılaşılan problemlerin birçoğu katı-akışkan etkileşiminden kaynaklıdır. Hareket halindeki akışkan cismin yüzeyinde cisimle birlikte hareket ederken bu hız cisimden uzaklaştıkça değişmektedir. Oluşan bu hız gradyanıyla birlikte akışkanın viskozitesinden kaynaklı kesme kuvvetleri oluşmaktadır. Bu kuvvetler yoğun olarak cismin yüzeyinde oluşmakta bu durumda sürükleme kuvveti gibi fiziksel ve gözle görülür bir sonuca yol açmaktadır. Nitekim önceleri bu etkinin varlığının bilinmesine karşılık herhangi bir matematiksel model bulunmamaktaydı. Sınır tabaka kavramı işte bu boşluğu doldurma amaçlı olarak Prandtl tarafından ortaya atıldı. Havacılığın gelişmesiyle sınır tabaka kavramının önemi giderek arttı. Sadece yüzey üzerinde oluşan sürükleme kuvvetini değil aynı zamanda taşıma kuvvetini de etkilediği görüldü. Akışkanla katı arasında sıcaklık farkının bulunması katı etrafında hız sınır tabakanın yanında, bir de ısıl sınır tabakanın oluştuğu ve bununda ısı transferini etkilediği fark edildi. Sınır tabakanın öneminin bu derece artması üzerinde yapılan çalışmaların da artmasına neden oldu. Akışkan hareketini laminer ve türbülanslı olarak bölen araştırmacılar sınır tabakayı da bu şekilde bölerek incelemelerini devam ettiler. Bu incelemelerde fark edildi ki akış ister laminer isterse türbülanslı olsun bazı durumlarda katı yüzeyi takip etmeyerek ayrılabiliyor. Bu ayrılma aşağı akım bölgesinde tekrar yapışmayla son bulabildiği gibi yapışmadan da yoluna devam edebiliyor. Akışkanın tekrar yüzeye yapışmaması durumunda ana akım ile yüzey arasında ikincil akış dediğimiz bir bölge oluşur. Bu bölgede sebebiyle sürükleme kuvveti artar taşıma kuvveti azalır. Bu sebeple yüzeyde böyle bir bölgenin olması istenmez veya en az miktarda olması istenir. Ters basınç gradyanı kaynaklı olan bu ayrılmaların önlenmesi için birçok yöntem vardır. Bunlar pasif ve aktif olarak iki başlık altında toplanmışlardır. 
Bu tez çalışmasında aktif kontrol yöntemlerinden biri olan yüzeyden üfleme durumu incelenmiştir. Bu yöntemin temel amacı momentumu azalmış bir akışkana yüksek momentumlu akışkan göndererek yüzeyi takip etmesini sağlamaktır. Yüzeyden gönderilen jet akımlarının türbülanslı sınır tabakanın kontrolünün başarılı olması birçok parametre bağlıdır. Bunlar, üfleme delikleri arasındaki mesafe, jet akımının yüzeyle yaptığı açı (alfa), jet akımının serbest akımı ile yaptığı açı (beta), üfleme hızı, üfleme konumudur. Tüm bu parametreler için deney yapmak oldukça yorucu ve maliyetli olması sebebiyle incelemek istediğimiz parametreleri seçerek sayısal bir grup  analiz yapılmıştır. Analizler Fluent® ticari kodla yapılmıştır. Parametrelerin etkilerini incelemeye başlamadan önce üfleme yapılmayan türbülanslı sınır tabakanın sayısal analizi yapılıp daha önce yapılmış deneysel çalışmayla karşılaştırılarak türbülans modeli belirlenmiştir. Bu çalışmanın sonucunda y+=3 sayısal ağ yapısı için Spalart-Allmaras türbülans modeli y+=35 sayısal ağ yapısı için k-epsilon  türbülans modeli deney sonucu elde edilen hız profillerine oldukça uyumludur. Ancak yüzeyden üfleme durumları için duvar fonksiyonu kullanan bir türbülans modelinin doğru sonuç vermeyeceği düşünülerek Spalart-Allmaras türbülans modeli seçilmiştir. Daha sonra seçilen türbülans modeliyle 3 farklı konumda, 4 farklı alfa açısı ve 3 farklı üfleme hızı kullanılarak en etkin kontrol durumu belirlenmiştir. Çalışmada delik konumları rampanın başından itibaren rampa boyuyla boyutsuzlaştırlarak d1=0.12, d2=0.24, d3=0.35, d4=0.47, d5=0.59, d6=0.71 olarak belirlenmiştir. Ayrılmanın 0.74 konumunda gerçekleştiği göz önüne alındığında d1, d2 ve d3 konumlarından yapılan üflemenin etkisiz olacağı düşünülerek bu noktalarda herhangi bir çalışma yapılmamıştır. Üfleme açısı olan alfa açısı 30o, 45o, 60o, 90o'dir. Üfleme hızları ise b1=10m/s, b1=20m/s, b1=30m/s'dir. Bu çalışma sonucu üfleme konumu ayrılma noktasında yaklaştıkça üfleme etkinliği artmaktadır. Düşük üfleme hızlarında alfa açısı sınır tabaka kontrolünde etkisizdir. Etkili olduğu hızlarda ise alfa açısı artıkça üflemenin etkisi azalmaktadır. Üfleme noktasına yakın noktalarda alınan hız profillerinde alfa açısı değişiminin etkileri daha iyi gözlemlenmektedir. Üfleme noktasında uzaklaştıkça üfleme açılarının arasındaki fark kaybolmaktadır. d6 deliği için b3 üfleme hızında 30o alfa açısında en etkin kontrol yapılmıştır. Tüm üfleme durumlarda ayrılma kabarcığı azalmasının yanında b3 üfleme hızı 30o alfa açısında buna ek olarak ayrılma noktası ötelenebilmiştir. Deneysel çalışmalarda ise   açısının hassas bir şekilde ayarlayamama ihtimaline karşılık  alfa=90o için deneyler yapılmıştır. Bu deneyler sayısal çalışmanın sonuçları desteklemektedir 
Sayısal çalışmalar deneysel çalışmalara göre daha fazla veri almamızı sağlar. Sayısal çalışma sonucu akım çizgileri yardımıyla ayılma kabarcığı çizdirilmiştir b1 üfleme hızında ayrılma kabarcığının boyutları 126.5-22.56mm b2 üfleme hızında 122.21-21mm b3 üfleme hızında 124.3-19.8mm'dir. Üfleme Jeti boyutları ise b1'de 3mm b2'de 5mm b3'de 6.5mm'dir.
Sınır tabakanın ayrılmasının bir başka sonucuda şekil faktöründe gözlenebilir. Laminer sınır tabakada Re sayısı artıkça şekil faktörünü azalır. Ancak ayrılma gerçekleştiğinde bu değer ani bir artış gösterir. şekil faktörü 3 değerlerine ulaştığında akış yüzeyden ayrılmıştır. Yapılan deneysel ve sayısal çalışmalarda şekil faktörü değerinin üflemeyle birlikte azaldığı görülmektedir. 
Bu çalışmanın şonuçları şu şekilde sıralanabilir: 
1.	Sınır tabakanın kontrol edilmediği durum için y+=3 sayısal ağ yapısında Spalart-Allmaras türbülans modeli deneysel çalışmaya yakın sonuç verirken y+=35  sayısal ağ yapısında k-epsilon türbülans modeli deneysel çalışmaya yakın sonuçlar vermektedir.
2.	Sınır tabaka üfleme yoluyla kontrol edilebilmektedir. 
3.	Üfleme noktası ayrılmanın gerçekleştiği noktaya yaklaştıkça kontrol etkinliği artmaktadır. 
4.	Üfleme noktasından uzaklaştıkça üfleme hızı ve açısı belirleyici kriter olmaktan çıkmaktadır. 
5.	Düşük üfleme hızlarında üfleme açısı belirleyici kriter değildir. 
6.	Üfleme açısı azaldıkça ve üfleme hızı artıkça kontrol etkinliği artmaktadır. Ayrılma kabarcığı önce basıklaşmakta sonra küçülmektedir. 
7.	30o üfleme açısı ve 30 m/s hızla üfleme çalışılan parametreler arasında en etki kontrol yöntemi olduğu görülmüştür.
8.	Üfleme hızı artıkça şekil faktörü düşmektedir.

Abstract:
Many of the problems encountered in fluid mechanics are due to solid-fluid interaction. As the fluid in motion moves with the object on the surface of the solid, this velocity changes as it moves away from the object. With this speed gradient formed, shear forces because of the viscosity of the fluid. These forces occur extensively on the surface of the solid, which leads to a result such as drag force. There is no known mathematical model for the existence of this effect. The concept of the boundary layer was introduced by Prandtl to fill this void. With the development of aviation, the concept of boundary layer gradually increased. It was observed that not only the drag force generated on the surface but also the load force. The difference in temperature between the fluid and the solid was found to be near the velocity boundary layer around the solid, and that a thermal boundary layer was formed and affected the heat transfer. This led to an increase in the work done on the increase of the importance of the boundary layer. Researchers who divide fluid motion by laminate and turbulence continue to study the boundary layer by dividing it. It was noticed in these examinations that in some cases the flow can be separated without following the solid surface, whether it is laminate or turbulent. This decoupling can be resumed in the downstream zone as well as continuing without stick to surface. If the fluid does not stick to the surface again, a region of secondary flow between the main flow and the surface forms. Because of this region, drag force increases and lift force decreases. It is undesirable situation. There are many ways to prevent this separation, which are caused by the adverse pressure gradient. They are grouped under two headings: passive and active.
In this thesis study, the blowing situation, which is one of the active control methods, has been investigated. The main purpose of this method is to send a high momentum fluid to the reduced momentum so as to follow the surface. Several parameters depend on the control of the turbulent boundary layer of jet streams sent from the surface. These are the distance between blowing holes, the angle of the jet flow with the surface (beta), the angle of the jet flow with the free flow (alfa), the blowing speed, the blowing position. Because it is very tedious and costly to perform experiments for all these parameters, a numerical group analysis is performed by choosing the parameters we want to study. Before examining the effects of the parameters, the numerical analysis of the uncontrolled turbulent boundary layer was carried out and the turbulence model was determined by comparing with the previously performed experimental work. Before the CFD study, the mesh independency was tested. For this test, 3 different  value mesh was created. It is concluded that the velocity profiles obtained in the Spalart-Allmaras turbulence model in the mesh with low y+ value are more compatible. On the other hand, the velocity profiles obtained in the standard   turbulence model are more compatible with high  values. However, the Spallart-Allmaras turbulence model was chosen to be used in the another analyzes, since it would be wrong to use the wall function for surface blowing situations. According to the results of the Spalart-Allmaras turbulence model, the separation from the surface is about 174 mm ahead of start of the ramp at the x-axis. The size of the resulting separation bubble is 130.7 mm / 22.6 mm. In addition, 3D effects were observed.
After the turbulence model was determined, the most effective control condition was investigated 3 different positions 4 different angles and 3 different blowing speeds. The numerical model has hole positions for 6 different positions. The distance between the holes is 30 mm. The positions of the holes were non-dimensionalized by the ramp size from the start of the ramp. Among them, d4=0.47, d5=0.59 and d6=0.71 were analyzed at the hole positions. Blowing was performed at speeds of 10-20-30 m / s (b1, b2 b3) through holes d4, d5, d6. Measurement points were non-dimensionalized by ramp height. x4.0= 2.44, x4.5=2.73 and x5.0=3.02.
At the blowing position d4, the blowing speeds of b1 and b2 are not influenced on the main flow according to the velocity profile at point x4.0. At b3 blowing speed, the most effective blowing angle is 30o. The worst results at this speed were obtained at 90o blowing angle. At x4.5 point b3 blowing speed 30o 45o and 60o blowing speed speed profiles are close together. At 90o blowing angle, the boundary layer is slightly close to the surface. This situation continues at x5.0. The separation bubble could not be shifted in this blowing position 
At the blowing position d5, the velocity profile from point x4.0 does not show the effect of blowing speeds b1 and b2 on the main flow. At the b3 blowing speed, the momentum increase in the boundary layer with decreases blowing angle.  At x4.5, b3 blowing speed, the effect created by the blowing angles in the velocity profiles is the same. This situation continues at x5.0. The release bubble in this blowing position could not be shifted.
At the blowing position d6, the fluid at the surface is accelerated at the b1 blowing speed and at the blowing angle of 30o. This effect is less in the other blowing angles. At b2 blowing speed, the jet is observed clearly at 30o. At 45o and 60o blowing angles, the jet is seen not clearly, but the fluid near the surface is accelerated. The 90o blowing angle has no significant effect on the velocity profile. At b3 blowing speed, the jet is clearly observed at 45o and 60o besides 30o. At 90o this effect is limited.
Experiments were carried out at blowing speeds of b1, b2, b3 at 90o blowing angle. Experiments results are parallel to CFD results. At all blowing speeds, the separation bubble size shrinks. As you move away from the blowing point, the blowing speed is not a distinguishing feature of boundary layer control. b1 and b2 for x4.25 and x4.5 points, and b1 b2 and b3 at x5.0 are not distinguishing features of boundary layer control of blowing speeds.
Numerical study allows us to obtain more data than experimental results. One of them is the separation bubble size. The dimensions of the separation bubble at the b1 blowing speed are 124.3-19.8 mm at b 2 122.21-21 mm at b3 126.5-22.56 mm.
The jet lengths are 3mm at b1, 5mm at b2, 6.5 mm at b3. 
The shape factor can also be observed as a consequence of the separation of the boundary layer. In the laminar boundary layer, The shape factor is reduced with increasing Re number. However, this value shows a sudden increase when separation occurs. At H> 3 the flow is separated from the surface. It can be seen that the CFD and experimental results value are decreasing with the blowing.
As a result of this study, 
1.            Spalart-Allmaras turbulence model is quite similar to the velocity profiles at  y+=3 in non-controlled boundary layer
2.            k-epsilon turbulence model is quite similar to the velocity profiles at y+=35 in non-controlled boundary layer
3.            Boundary layer can be controlled by blowing.
4.            As blowing position approach the point where separation is taking place, the control activity is increasing.
5.            As you move away from the blowing position, the blowing speed and angle is not the determining criteria.
6.            The blowing angle at low blowing speeds is not a determining criterion.
7.            As the blowing angle decreases and the blowing speed increase control effect increases.
8.            30o blowing angle and 30m / s blowing were found to be the most effective control method among the parameters studied.
9.            As the blowing speed increases, the shape factor decreases