SIĞ SUDA YAN YANA SIRALI İKİ SİLİNDİR ARKASINDA OLUŞAN AKIŞ YAPISININ PASİF YÖNTEMLE KONTROLÜ 1

Transkript

1 SIĞ SUDA YAN YANA SIRALI İKİ SİLİNDİR ARKASINDA OLUŞAN AKIŞ YAPISININ PASİF YÖNTEMLE KONTROLÜ 1 Passive Vortex Control Behind Two Side by Side Cylinders in Shallow Waters Mustafa Atakan AKAR Makine Mühendisliği A.B.D. Hüseyin AKILLI Makine Mühendisliği A.B.D. ÖZET Bu deneysel çalışmada, pasif kontrol yöntem kullanılarak, sığ suda yan yana sıralı iki silindir arkasında meydana gelen kararsız ve düzensiz akış yapısı kontrol edilmeye çalışılmıştır. Silindirler arasındaki akış yapısının kontrolu sadece boya deneyleri kullanılarak anlaşılmaya çalışılmıştır. Pasif kontrol, akışa dışarıdan herhangi bir enerji katılmadan yapılan bir kontrol tekniğidir. Silindir arkasında oluşan akış yapısı, silindirler arasındaki mesafeye bağlı olarak değişmektedir. Bu nedenle, deneyler silindir merkezleri arasındaki mesafenin, silindir çapına oranı olan G/D=1.25, 1.50 ve 1.75 üç değişik değerde yapılmıştır. Kullanılan pasif kontrol yönteminde, silindirler üzerine, su yüksekliği boyunca çapı 4mm olan delikler açılarak silindirler 0.23 geçirgenlik oranına sahip hale getirilmiş ve silindirler arkasında oluşan akış yapısı incelenmiştir. Deneylerde kullanılan silindir çapı 40mm dir. Deneyler su hızının m/s (silindir çapına bağlı Reynolds sayısı=5000) değeri için gerçekleştirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Sığ su, silindir, kontrol, girdap, yan-yana sıralı ABSRACT The flow behavior around two side-by-side cylinders in shallow water was controlled by passive control technique. Passive control techniques control the vortex shedding by modifying the shape of the bluff body or by attaching additional devices in the flow stream. The experiments were carried out in the range 1.0<G/D<2.0 with increment of The passive control technique is perforated cylinders. Cylinders have holes which have 5mm diameters and 0.23 porosity. During all experiment, the water level was (h w ) maintained at the depths 20mm of and the water flow speed is m/s which corresponds to a Reynolds number of approximately Re = 5000 based on the cylinder diameter (D=40mm). The free stream velocity was controlled by an axial flow pump Key Words: Shallow water, cylinder, control, vorticity, side-by-side Giriş Sığ su akışlarda, akışın genişliğinin akışın yapısına etkisi, derin su akışlarına nazaran çok daha fazladır. Sığ sularda, serbest yüzey ile taban arasındaki mesafenin çok az olması, akışı derin sulara göre çok daha karmaşık ve * Doktora Tezi- Ph.D Thesis 20

2 üç boyutlu hale getirmektedir. Sığ suda akış tabanının, tabanda oluşan sürtünmelerin ve akışın serbest yüzeyinin akış üzerinde etkisinin çok fazla olduğu, Akıllı ve ark.,(2004) tarafından, yapılan deneylerde gözlemlenmiştir. Sığ suda, bir cismin arkasında oluşan iz bölgesi, çevresel faktörlere etki etmektedir. Sığ suların neden oldukları problemlerin önlenebilmesi ve oluşabilecek olumsuz gelişmelerin engellenebilmesi için, bu tip akışlarda akış yapısının bilinmesi gerekmektedir. Akıllı ve ark., (2004) düşük G/D oranlarında, jet akışının fazla olması nedeniyle silindirler arasında erozyonun meydana gelebileceğini, ve bu durumun tabandaki parçacıkların taşınmasına sebebiyet vereceğini belirtmişlerdi. Ayrıca G/D=1.25 ile 1.5 arasında, sığ su içerisindeki yan yana dizili silindirler arkasında oluşan belirli bir frekansa sahip daimi olmayan girdapların, gerek cisimler üzerinde gerekse bu silindirler arkasında bulunan başka cisimler üzerinde daimi olmayan yükler oluşturmak suretiyle cisimlerde yorulmalara sebep olabileceğini ve ömürlerini kısaltabileceğini belirtmişlerdir. Sığ suda cisimler arkasında oluşan girdap yapısının neden oldukları problemlerin önlenebilmesi için akış yapısının bilinmesi ve girdapların çevreye olan zararlarının azaltılabilmesi için de daimi olmayan girdapların değişik yöntemlerle kontrol altına alınması gerekmektedir. Bu çalışmada, yan yana sıralı iki silindir arkasında oluşan düzensiz akış, pasif yöntemle kontrol altına alınmaya çalışılmıştır. Bu yöntemde üzerine delikler açılarak 0.23 geçirgenlik oranına sahip silindirler kullanılmıştır ve yan yana sıralı silindirler arasındaki mesafeler değiştirilerek deneyler yapılmış ve kullanılan pasif control tekniğinin akış yapısı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Materyal ve Metot Materyal Bu çalışma, Çukurova Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Akışkanlar Mekaniği Laboratuarında kurulu olan kapalı devre su kanalında gerçekleştirilmiştir. Su kanalı, iki adet su deposu ve bu iki depo arasında bulunan akrilik kısımdan oluşmaktadır. Kanal içerisindeki suyun hızı, bir hız kontrol ünitesi yardımıyla değişik devirlerde çalışan bir pompa ile ayarlanmıştır. Deneylerde, kullanılan silindirler 40mm çapa sahiptir. Pasif kontrol yönteminde, kullanılan 40mm çaplı silindirlere su yüksekliği boyunca çapı 4mm olan delikler açılmış ve 0.23 geçirgenlik oranına sahip hale getirilmiştir. Deney aparatları ise laser süzmesinin cisimlerin yüzeyinden rahatlıkla geçebilmesi ve dolayısıyla akış yapısının incelenmesini sağlamak amacı ile akrilik malzemeden imal edilmiştir. Silindir arkasında oluşan akış yapısı silindirler arasındaki mesafeye bağlı olarak değişmektedir. Bu sebepten dolayı, silindir merkezleri arasındaki mesafenin, silindir çapına oranı G/D=1.25, 1.50 ve 1.75 olmak üzere üç değişik değerde deneyler yapılmıştır. Deneyler boyunca su derinliği 20mm de sabit tutulmuş ve su hızının m/s (silindir çapına bağlı Reynolds sayısı=5000) değeri için yapılmıştır. Metot Deneylerde lazer ışını altında parlayan Rhodamine 6G boyası kullanılarak akış görsellenmeye çalışılmıştır. Akış alanına bir düzenek ile gönderilen boya ile 21

3 silindirler arkasındaki akış yapısı SONY DCR-TRV355E model dijital bir kamera ile kaydedilmiştir. Boya ile akışı görüntüleme deneyinde, boya akıtma düzeneği silindirlerin ön tarafına kurulmuştur. Kanalın yanında suyun akma yönüne dik olarak ve 10mm su yüksekliğinden hüzme gönderen lazer ve kanalın altında kamera bulunmaktadır. Görüntüler dijital kamera yardımıyla bilgisayara aktarılmış ve bir bilgisayar programı yardımı ile analizler yapılmıştır. Araştırma Bulguları Akıllı ve ark., (2004) sığ suda yaptığı deneysel çalışmada, iki silindirin birbirine temas ettiği durumdan (G/D=1), açıklık oranının G/D=1.25 değerine sahip olduğu duruma kadar artırılması durumunda, silindirler arkasında oluşan akışın, tek bir silindir arkasında oluşan akış ile benzer olduğunu, yani silindirler arkasında tek bir Karman girdap caddesi oluştuğunu gözlemlemişlerdir. Açıklık oranı G/D arttıkça, (G/D=1.25, 1.50 ve 1.75 değerlerinde), silindirler arkasında iki farklı akış yapısı gözlemlemişlerdir. Yan yana sıralı iki silindirden birisinin arkasındaki iz bölgesinin, diğeri ile karşılaştırıldığında daha geniş olduğunu, ve bu geniş iz bölgesinin her zaman aynı silindir arkasında oluşmadığını zaman zaman bu geniş iz bölgesine diğer silindirin arkasında rastlandığını göstermişlerdir. Bu duruma, daha önce yapılan ve akışın derin su olarak kabul edildiği deneysel çalışmalarda da rastlanmaktadır (Bearman and Wadcock, 1973). a) b) c) Şekil 1: a)g/d=1.25, b)g/d=1.50, c)g/d=1.75 Şekil 1 de aralarındaki açıklık oranları G/D=1.25, 1.50 ve 1.75 olan yan yana sıralı silindirlerin arkalarında oluşan akışın, herhangi bir kontrol yöntemi kullanılmadığı durum görülmektedir. Şekil 1a da, silindir açıklık oranının 1.25 olduğu durumda silindirlerden birinin arkasındaki iz bölgesinin diğer silindir arkasındaki iz bölgesine baskınlığı net bir şekilde görülmektedir. Açıklık oranı 22

4 arttıkça baskınlık oranı azalmaktadır. Örneğin şekil 1b de açıklık oranının, 1.5 değerindeki silindirler arkasındaki iz bölgelerinin genişliğinin oranı (baskınlık oranı) 1.25 e göre daha az olduğu açıkça anlaşılmaktadır. Ayrıca oluşan girdapların frekansı da açıklık oranına bağlı olarak değişmektedir. Kullanılan Pasif kontrol yönteminde, üzerine su yüksekliği boyunca çapı 4mm olan delikler açılarak 0.23 geçirgenlik oranına sahip hale getirilen silindirler G/D=1.25, 1.50 ve 1.75 açıklık oranlarında yerleştirildiklerinde, silindirler arkasında oluşan iz bölgelerinden birinin diğerine baskın olması durumunun tamamen ortadan kalktığı gözlemlenmiştir. Bu durumlar Şekil 2 de her üç açıklık oranında da (özellikle G/D=1.25 değerinde) açıkça görülmektedir. a) b) c) Şekil 2: Geçirgenlik oranı 0.23, a)g/d=1.25, b)g/d=1.50, c) G/D=1.75 Tartışma ve Sonuçlar Bu çalışmada yan yana sıralı iki silindir arkasında oluşan daimi olmayan akış yapısının pasif yöntem kullanarak kontrol altına alınması amaçlanmıştır. Kullanılan yöntemlerde silindirler, arasındaki açıklık oranları G/D=1.25, 1.50 ve 1.75 olacak şekilde yerleştirilmişlerdir. Üzerine delikler açılarak 0.23 geçirgenlik oranına sahip hale getirilmiş silindirlerin kullanılması ile, yan yana sıralı silindirler arkasında oluşan iz 23

5 bölgelerinden birinin diğerine baskın olması durumu, G/D=1.25, 1.50 ve 1.75 açıklık oranlarında ortadan kalktığı gözlemlenmiştir. Kaynaklar AKILLI, H., AKAR, A., KARAKUS, C Flow characteristics of circular cylinders arranged side-by-side in shallow water, Flow Measurement and Instrumentation, Vol. 15, pp BEARMAN, P.W., ve WADCOCK, A.J., The interaction between a pair of circular cylinders normal to a stream. Journal of Fluid Mechanics, Vol. 61, pp Teşekkür Bu Çalışma, Tübitak Tarafından 105M267 No lu ve Ç.Ü. Bilimsel Araştırma Projeler Birimi Tarafından MMF2004BAP12 No lu Proje Kapsamında Desteklenmiştir. 24