TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR

Transkript

1 ISSN: Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2007 (3) 1-12 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Makale Silindirik Sabit Sıcaklık Konfigürasyonunda Farklı Soğuk Duvar Sıcaklık Etkisi Altında Kararlı Yüzey Gerilimli Akıştan Osilasyonlu Yüzey Gerilimli Akışa Geçişin Araştırılması R. SELVER*, E. KATI*, Ç. ÇIRAK ** *Süleyman Demirel Ünv., Müh.-Mim. Fak., Mak. Müh. Böl., ISPARTA ** Süleyman Demirel Ünv., Fen- Edebiyat Fak., Fizik Böl., ISPARTA Özet Bu araştırmada, yüksek Prandtl sayısına sahip akışkanlarda, yüzey gerilim konveksiyonunda soğuk duvar sıcaklığının sabit ortam sıcaklığı altında etkileri araştırılmıştır. Akışkan, deney silindirinin simetri eksenine yerleştirilen silindirik çubuk tarafından ısıtılmıştır. Deney akışkanı olarak, kinematik viskozitesi 2 cst olan silikon yağı kullanılarak değişik şartlar altında sıcaklık osilasyonları gözlenmiştir. Akışkanın serbest yüzeyinden ortama olan ısı kaybının, osilasyonların başlama noktasına olan etkisi incelenmiştir. Soğuk duvar sıcaklık değeri değiştirildiğinde kritik sıcaklık farkı değerinin değiştiği belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler : Yüzey gerilimli akış, kararlı yüzey gerilimli konveksiyon, periyodik osilasyonlu yüzey gerilimli konveksiyon, soğuk duvar sıcaklık etkisi. 1.Giriş İnsanoğlu varoluşundan bu yana birçok önemli buluş yapmış ve bunları zaman içerisinde geliştirerek bilim tarihine her gün yeni katkılarda bulunmuştur. Yarı-iletken malzemelerin üretimi, insanlık tarihinin en önemli buluşlarından biri olmuştur. 18. yüzyılın ilk çeyreğinde iletkenler ve yalıtkanlar sınıflandırması yapılmaktaydı. Michael Farraday bundan bir yüzyıl sonra yeni bir malzeme sınıfı tanımlayarak, bu sınıfa Yarı-iletken Malzeme adını vermiştir lü yıllardan günümüze, yarı-iletken malzemelerin gelişimi, onu gündelik hayatımızın vazgeçilmezi yapmıştır. Yarı-iletken kelimesi bize çok şey anlatmasa da günümüzde yarı-iletkenler olmadan modern bir dünya düşünülemez. Hayatımızda yarı-iletken malzemeler olmasaydı, günlük hayatımızda önem taşıyan birçok cihazdan bugün yararlanamayacaktık. Nano teknolojiler ve savunma sanayi uygulamaları yarı-iletken malzemelerin gelişmesini hızlandırmıştır. Yarı-iletken malzemelerin en çok kullanıldığı alan bilgisayar teknolojileri alanıdır. Yarı-iletken kristaller kullanılarak diyotlar, transistörler ve entegre devreler üretilmektedir. Entegre devrelerin kullanımı ise ikinci bir endüstri devrimini başlatmıştır. Bir entegre devre; bir tek silisyum kristali üzerinde iç bağlantılar, diyotlar, transistörler, dirençler ve kondansatörlerin bir araya getirilmiş halidir. Entegre devreyi oluşturan çipler, yüzbinlerce devre elemanı bulundurabilmektedir. Bu entegre devreleri bilgisayarın, televizyonların, videoların, saatlerin, kameraların, hesap makinalarının, otomobillerin, uçakların, robotların, uzay araçlarının ve günümüzde kullanılan tüm haberleşme sistemlerinin kalbini oluşturmaktadır. Bilgisayar teknolojileri alanındaki ilk uygulama, kısa adı TRADIC adı verilen (TRAnsistor-DIgital-Computer) ve üzerinde 800 adet transistör ve germanyum diyodu bulunduran dev boyutlardaki hesap makinasıdır. Günümüzdeki bilgisayar teknolojisi ile TRADIC karşılaştırılırsa, yarı-iletken malzemelerin ve teknolojisinin geliştirilmesinin önemi daha iyi anlaşılacaktır [1]. Bu nedenle o günlerden bu günlere kadar yarı-iletken

2 Teknolojik Araştırmalar 2007 (3) 1-12 Silindirik Sabit Sıcaklık Konfigürasyonunda Farklı Soğuk Duvar malzemelerdeki teknolojik gelişmeler birçok araştırmacının ilgi odağı olmuştur. Son zamanlarda ise, akışkanlar üzerine çalışan araştırmacılar, yarı-iletken malzemelerin homojen yapısına ısı ve kütle alışverişinin etkili olduğu sonucuna varmışlardır. Isı ve kütle alışverişi sayesinde akışkan, sadece doğal konveksiyon ve yüzey gerilim konveksiyonunun (Marangoni convection) tesiri altındadır. Akışkanın bölgesel sıcaklık farkının var olduğu durumlarda (yer yüzünde yerçekimi ivmesinin g= 9.81 m/s 2 olduğu) doğal konveksiyon her zaman var olacağına göre; doğal konveksiyon yarı-iletken malzemenin üretimindeki homojen yapıyı bozmaktadır. Sözü edilen zararlı etkiyi azaltıcı konfigürasyonlar üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Araştırmacıların yoğun çalışmaları; yarı-iletken malzemelerin, sadece yüzey gerilim konveksiyon hareketinin tesiri altında iken daha homojen bir yapı sergilediğini ispatlamıştır. Akışkandaki yüzey gerilim hareketi sıcaklığın fonksiyonudur. Akışkan-hava ortak yüzeyi üzerindeki sıcaklık gradyeni, viskozite gradyenini oluşturur. Bu viskozite gradyeni yüzey gerilim gradyenini meydana getirir. Daha önceki analitik, teorik ve deneysel çalışmalarda, yüzey gerilimli akış olarak adlandırılan akışkan hareketinin, özellikle akışkanın sıcaklık farkının bir taraftan diğer tarafa doğru artırılması ile meydana geldiği görülmüştür. Sıcaklık arttıkça akışkanın viskozite değeri azalmaktadır. Böylece akışkan-hava ortak yüzeyi boyunca gerçekleşen sıcaklık gradyeni bölgesel olarak değişeceğinden, akışkanın viskozite gradyeninin de bölgesel olarak değişmesine neden olacaktır. Akışkanın viskozite gradyeninin bölgesel değişmesi ile akışkan yüzeyindeki yüzey gerilim kuvveti de bölgesel olarak değişecektir. Bölgesel olarak değişen yüzey gerilim kuvveti, sıcak bölgeden soğuk bölgeye doğru çekilmiş olacaktır. Böylece sıcaklık farkı var olduğu sürece, akışkan-hava ortak yüzeyi boyunca gerçekleşen akış hareketi, ortak yüzeyi tamamladıktan sonra hacimsel olarak transport fenomenelerin etkisi ile akışkanın sürekliliğini sağlamış olacaktır. Kararlı haldeki yüzey gerilimli akışkan hareketi, ilk olarak 70 li yıllarda değişik şartlar altında analitik olarak Ostrach [2,3] tarafından incelenmiştir. Ostrach [2,3], hem sıcaklık hem de viskozite gradyenlerinin her ikisinin de birbirleri ile bağıntılı olarak bir arada bulunduğu durumlar için kompleks olan yüzey gerilimli akış alanını tanımlamak amacıyla, önemli boyutsuz parametreleri kullanmış ve diğer araştırmacılara da bu parametrelerin kullanılmasını önermiştir. Chun ve Wuest [4] ayrıca Schwabe vd. [5] yarım yüzen bölge konfigürasyonu kullanılarak oluşturulan yüzey gerilim hareketlerinde oluşan sıcaklık ve hız alanlarını incelemişlerdir. Yüzey gerilimli akışın önemli bir özelliği olan kararlı (steady state) yüzey gerilimli akıştan, periyodik osilasyonlu yüzey gerilimli akışa geçiş deneysel olarak incelenmiştir. Akışkan ile temas halinde bulunan sıcak çubuğun yüzey sıcaklığı ile soğuk duvarın yüzey sıcaklığı arasındaki fark belirli bir değeri geçtikten sonra, akışkanın kararlı yüzey gerilimli akıştan, periyodik osilasyonlu yüzey gerilimli akışa geçtiği gözlemlenmiştir. Akışkanın kararlı yüzey gerilimli akıştan, periyodik osilasyonlu yüzey gerilimli akışa tam olarak geçtiği noktadaki sıcaklık farkı ise kritik sıcaklık farkı ( T kr ) olarak tanımlanmıştır. Günümüze kadar farklı konfigürasyonlar altında yüzey gerilim hareketleri ile ilgili değişik deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiş ve farklı sonuçlar elde edilmiştir. Yüzey gerilim hareketi yapan akışkanın hareketi esnasında sadece yüzey gerilim hareketinin gerçekleşmediği, aynı zamanda yerçekimi vektörünün meydana getirmiş olduğu batmazlık (buoyancy) etkisinin de akışkan hareketine tesir ettiği ortaya konulmuştur. Ostrach [6] çalışmasında, düşük yerçekimine sahip olan ortamlardaki yüzey gerilim akış hareketlerini ele alarak, yerçekimi vektörünün batmazlık hareketindeki etkisini ana başlıklar altında incelemiş ve uzay çalışmalarının önemini dile getirmiştir. Dolayısıyla, bu güne kadar farklı zamanlarda toplam olarak iki defa USML uzay laboratuarında, yerçekimi vektörünün yüzey gerilim hareketlerindeki etkilerini incelemek amacı ile deneyler gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmalar literatürde yapılan tüm çalışmalar için önemli bir kaynak niteliğini taşımakla beraber uzay çalışmalarına bir yol çizmiştir. Preisser vd. [7] akışkanın farklı boyutsal oranları ile farklı akışkanlar kullanarak osilasyonlu yüzey gerilim hareketlerinin oluştuğu durumları incelemişlerdir. Bu incelemede, ortak bir parametrenin Marangoni sayısı (Ma) olduğunu ortaya koymuşlardır. Kritik sıcaklık farkından meydana gelen kritik Marangoni sayısı, yüzey gerilim hareketi yapan akışkanın kararlı yüzey gerilimli akıştan, periyodik osilasyonlu yüzey gerilimli akışa tam olarak geçtiği nokta olarak tanımlanmıştır. Kamotani vd. [8,9] deneysel olarak yapmış oldukları çalışmada, yüzey gerilim hareketi yapan akışkanın, kararlı yüzey gerilimli akıştan periyodik osilasyonlu yüzey gerilimli akışa tam olarak geçtiği nokta olarak tanımlanan kritik Marangoni sayısının tek başına yeterli olmadığını göstermişlerdir. Hareketi kontrol eden başka bir faktörün 2

3 Selver,R., Katı, E., Çırak,Ç. Teknolojik Araştırmalar 2007 (3) 1-12 var olduğunu ve bu faktörün de, akışkanın serbest yüzeyinin akış halinde şekil değiştirmesi olabileceğini ortaya koymuşlardır. Yüzey gerilim hareketi yapan akışkanda, sıcaklık ve hız alanlarının, akışkanın serbest yüzeyinin şekil değiştirmesi hareketini etkileyerek osilasyonun başlamasına sebep olduğunu ortaya koymuşlardır. Daha önce yaptığımız bir çalışmada [10] yüzen bölge (floating-zone) konfigürasyonu kullanılarak, farklı soğuk duvar sıcaklık değerlerinde ve akışkanın boyutsal oranını meydana getiren farklı yükseklik değerlerinde, kritik Marangoni sayısının alacağı değerler araştırılmıştır. Yüzen bölge konfigürasyonu kullanılarak; yüzey gerilim hareketinin yönü ile batmazlık hareketine etki eden yerçekimi vektörünün yönünün birbirlerine paralel olduğu konfigürasyondaki, farklı soğuk duvar sıcaklık değerlerinin etkileri araştırılmıştır [10]. Şekil 1. Silindirik Sabit Sıcaklık Konfigürasyonu Deney Bölgesi Bu deneysel çalışmada ise, silindirik sabit sıcaklık konfigürasyonu kullanılarak (şekil 1), soğuk duvar sıcaklık değerinin ortam sıcaklığının altında olduğu bir değerde, yüzey gerilim hareketi yapan akışkanın kararlı yüzey gerilimli akıştan, periyodik osilasyonlu yüzey gerilimli akışa tam olarak geçtiği nokta olarak tanımlanan kritik sıcaklık farkı ( T kr ) değeri araştırılmıştır. Bu nokta yarı-iletken malzemelerin üretimindeki kristal büyütülmesinde, homojen yapının bozulma noktası olarak isimlendirilir. Önceki araştırmacıların yapmış olduğu çalışmalarda soğutucu duvar sıcaklığı deneyin yapıldığı ortam sıcaklığına eşit değerde tutulmuştur. Bu çalışmada ise, soğutucu duvar sıcaklığı oda sıcaklığının altında tutularak, kararlı haldeki yüzey gerilim hareketinde osilasyonlu yüzey gerilim hareketinin başladığı kritik sıcaklık farkı değerinin hangi şartlar altında geciktirilebileceği düşünülerek araştırmalar yapılmıştır. Şekil 1 deki silindirik sabit sıcaklık konfigürasyonu kullanılarak, silindirik kap içerisindeki akışkanın serbest yüzeyi boyunca yatay olarak hareket eden yüzey gerilim hareketinin yönü ile, batmazlık hareketine etki eden yerçekimi vektörünün yönünün birbirlerine dik olduğu konfigürasyondaki soğuk duvar sıcaklığının etkileri araştırılmıştır. 2.Deney Aparatları Ve Prosedürü Deneysel çalışmada kullanılan deney düzeneği Şekil 2 de gösterilmektedir. Silindirik sabit sıcaklık konfigürasyonunda, silindirik kabın simetri ekseni, istenilen sabit sıcaklık değerini veren dairesel kesitli bakır malzemeden içi boş bir çubuk ile ısıtılırken, bu silindirik kabın dış çeperi ise, istenilen sabit sıcaklık değerini vermek üzere içerisinden soğutucu akışkan geçen bir serpantin ile soğutulur. Böylece, silindirik kap içerisindeki sıvı kristalin yatay konumundaki sıvı serbest yüzeyi boyunca, sıcak bölgeden soğuk bölgeye doğru, akışkanın viskozite gradyeni değişimi nedeni ile yüzey gerilim hareketi gerçekleşir. 3

4 Teknolojik Araştırmalar 2007 (3) 1-12 Silindirik Sabit Sıcaklık Konfigürasyonunda Farklı Soğuk Duvar Şekil 2. Silindiriksel Sabit Sıcaklık Konfigürasyonu Deney düzeneği; deney akışkanı, deney bölgesi, ısıtma sistemi, soğutma sistemi, termokupllar, sıcaklık ölçer cihazı, akış görüntüleme sistemi ve silindirik kap içerisindeki akışkan yüksekliğini hassas olarak ayarlayan deney aparatından oluşmaktadır. (şekil 3) Şekil 3. Silindirik Sabit Sıcaklık Konfigürasyonu Şematik Test Alanı Deneysel çalışmalarımızda Dow Corning firmasından ticari olarak alınan 2 cst kinematik viskoziteye sahip silikon yağı (polydimethylsiloxane polimers) kullanılmıştır. Tablo 1 de bu silikon yağının 25 o C sıcaklıktaki fiziksel özellikleri verilmiştir. Deney bölgesi Şekil 2 de gösterildiği gibi olup, akışkanla temas halinde olan silindirik kap saf bakırdan yapılmıştır. Bu silindirik kabın bakır malzeme olarak seçilmesi, bakırın yüksek ısı iletim katsayısına sahip olması ve akışkanla temas halinde olan yüzeylerinin homojen bir sıcaklık değerine sahip olmasıdır. Deneyde kullanılan silindirik kabın akışkan ile temas halindeki iç çapı 31 mm olarak seçilmiştir. 4

5 Selver,R., Katı, E., Çırak,Ç. Teknolojik Araştırmalar 2007 (3) 1-12 Tablo 1. 2 cst Viskoziteye Sahip Silikon Yağının 25 O C deki Fiziksel Özellikleri [11]. Birimler Değerler Yoğunluk ( ρ ) [kg/m 3 ] 872 Dinamik viskozite ( µ ) [Ns/ m 2 ] x10-3 Kinematik viskozite( ν ) [m 2 /s] 2.149x10-6 Isı iletim katsayısı (k) [W/mK] Isısal yayılma katsayısı ( α ) [m 2 /s] 7.962x10-8 Isıl genleşme katsayısı (β) [1/K] Özgül ısı kapasitesi (C p ) [J/kgK] [N/mK] x10-3 T, T Yüzey gerilim sıcaklık katsayısı Prandtl sayısı (Pr) Birimsiz 27.0 Akışkanın kinematik viskozitesinin değişimi, ν [cst] = T x10-4 T x10-6 T x10-9 T 4 şeklindedir [12]. Bu silindirik kabın iç çapı sabit kalmak şartı ile silindirik kabın içerisindeki akışkanın boyutsal oranını (Ar=H/R burada H: silindirik kap içerisindeki akışkan yüksekliği, R: silindirik kabın simetri merkezine dikey vaziyette yerleştirilen ısıtıcı tüp ile silindirik kabın iç duvarı arasındaki mesafe) farklı değerlerde kullanmak amacı ile akışkan yüksekliğini ayarlayabilmek için, silindirik kabın tabanı yükseklik ayarı yapılabilecek bir şekilde teflon malzemeden imal edilmiştir. Silindirik kabın tabanının teflon malzemeden seçilmiş olmasının nedeni; teflonun iyi bir yalıtkan malzeme olması ve böylece silindirik kabın tabanından çevreye olan ısı kaybını azaltmasıdır. Silindirik kabın içerisinde yüzey gerilim hareketi yapan akışkanın; kararlı yüzey gerilimli akıştan, periyodik osilasyonlu yüzey gerilimli akışa tam olarak geçtiği nokta olarak tanımlanan kritik sıcaklık farkı ( T kr ), akışkanın boyutsal oran (Ar=H/R) değerlerine bağlı olarak değişmektedir. Bu parametrenin etkisi daha önceki yapmış olduğumuz çalışmalarımızda (yarım yüzen bölge konfigürasyonunda) araştırılmıştır[13]. Silindirik kabın simetri eksenine (teflon malzemenin de merkezinden geçmek üzere) 4 mm çapında içi boş bakır bir tüp dikey vaziyette yerleştirilmiştir. Silindirik kabın simetri merkezinden geçen bu tüp içerisine 1.0 mm çapında krom-nikel bir rezistans geçirilmiş olup bu rezistansın uçları Phillip Harris firması tarafından üretilen AC-DC akımı veren ve 0-25 volt arasında çalışan güç kaynağına bağlanmıştır. Akışkan ile temas halinde bulunan bu bakır çubuk sayesinde silindirik kabın içerisindeki akışkan simetri merkezinden homojen bir şekilde ısıtılmaktadır. Yüzey gerilim hareketinin var olabilmesi için, silindirik kabın simetri ekseni boyunca ısıtılmasına karşı, bu silindirik kabın dış çeperinin de homojen olarak soğutulması veya sabit sıcaklık değerinde tutulması gerekmektedir. Deney akışkanı ile doldurulmuş olan silindirik kabın dış çeper sıcaklığının istenilen düşük sıcaklık değerinde sabit tutulabilmesi için bir soğutma sisteminin kullanılması zorunludur. Silindirik kabın dış çeperinin soğutulması, C aralığında soğutma ve ısıtma yapabilen Heto HMT 200 model 0.1 C hassasiyetli su sirkülasyon cihazı ile sağlanmıştır. Silindirik konumdaki deney akışkanının, bakır malzemeden yapılmış olan ve simetri eksenine yerleştirilen ısıtıcı tüpün ve deney akışkanı ile temas halinde olan ve soğutulan silindirik kabın sıcaklıkları, 0.25 mm çapında o C hassasiyete sahip bakır-konstant T tipi izoleli termokupllar ile ölçülmüştür. Soğutulan silindirik kabın sıcaklığını ölçen termokupl, soğutulan silindirin en tepe noktasından akışkanın serbest yüzeyine yeterince yakın bir yerde bulunan 0.5 mm çapında ve 1 mm derinliğindeki bir kanala yerleştirilmiştir. Isıtıcı çubuğun sıcaklığını ölçen termokupl ise, soğutulan silindirik kabın sıcaklığını ölçen termokupl ile aynı yükseklikte, simetri ekseninde çubuk üzerinde açılan 0.5 mm çapında ve 0.5 mm derinliğindeki kanala yerleştirilmiştir. Şekil 2 de görüldüğü gibi, kanallara yerleştirilen termokuplların çevresindeki boşluklar Omega firması tarafından üretilen yüksek ısı iletim katsayısına ve yapıştırma özelliğine sahip macun ile doldurulmuştur. Soğutucu duvar ile ısıtıcı çubuk arasındaki sıcaklık değerleri ve bu sıcaklık değerleri arasındaki hassasiyet, akışkanın yüzey gerilim hareketinin başlamasıyla osilasyonlu hale geçmesine kadar ki hassasiyeti belirlediğinden T tipi termokupl kullanılmıştır. Termokupllar yüzeydeki akıştan etkilenmeyecek şekilde rijit bağlanmıştır. 5

6 Teknolojik Araştırmalar 2007 (3) 1-12 Silindirik Sabit Sıcaklık Konfigürasyonunda Farklı Soğuk Duvar Deney bölgesinin çevresindeki ortam sıcaklığı dört farklı noktadan, sıcaklığa karşı çok hassas bakır-konstant T tipi izoleli termokupllar ile ölçülmüştür. Dört farklı noktadan elde edilen değerlerin aritmetik ortalaması alınarak, deneyin yapıldığı ortamın sıcaklık değeri bulunmuştur. Sıcaklıklar, Omega firması tarafından üretilen, 0.1 o C hassasiyete sahip, aynı anda 32 noktadan saniyede 100 sıcaklık datası almamıza yarayan TempScan-1100 adlı sıcaklık ölçme cihazı kullanılarak ölçülmüştür. Bu cihaz yardımı ile okunan sıcaklık değerleri, bilgisayarda windows tabanlı bir software (ChartView) kullanılarak hem data olarak hem de grafik olarak görüntülenmiştir. Silindirik kap içerisindeki deney akışkanının saydam bir akışkan olmasından dolayı, akışkan partikülünün hareketinin izlenebilmesi pek mümkün değildir. Bu nedenle akışkana 3 mikron çapında Al 2 O 3 partikülleri eser miktarda ilave edilmiştir. Dalga boyu nµ olan kırmızı lazer ışığı perdesi, silindirik kap içerisindeki saydam akışkana üstten bakıldığında simetri ekseninden geçecek şekilde uygulanmıştır. Lazer perdesi üzerindeki akış hareketinin rahatlıkla gözlenebilmesi için, lazer perdesine dik konuma yakın olacak şekilde Western Electric firması tarafından üretilen ve büyütme oranı 26 kat olan bir mikroskop yerleştirilmiştir. Bu mikroskop ile lazer perdesi üzerindeki Al 2 O 3 partiküllerinin izleri düşey doğrultuda takip edilerek, akışkanın akış hareketinin kararlı yüzey gerilim hareketinden, periyodik osilasyonlu yüzey gerilim hareketine geçtiği noktaların dikkatle izlenmesi sağlanmıştır. Soğutulan silindirik kabın sıcaklığı, istenilen sıcaklık değerine (bu araştırmamızda soğutucu duvar sıcaklığı, T C =10 o C) ulaştıktan sonra ısıtıcı duvar sıcaklığı T H, kademeli olarak ve her kademede ısısal yayılım zamanı hesaplanarak artırılmıştır. Böylece silindirik kap içerisindeki deney akışkanı kararlı yüzey gerilim hareketini oluşturmaktadır. Kademeli olarak artırılan ısıtıcı duvar sıcaklığının değeri belirli bir değeri geçtiğinde, akışkanın kararlı yüzey gerilim hareketinden, osilasyonlu yüzey gerilim hareketine geçtiği nokta olan kritik sıcaklık farkı ( T kr = T H T C ) değerini tam olarak tespit etmek amacı ile ikinci bir Video-Kamera görüntüleme sistemi kullanılmıştır. Bu ikinci görüntüleme sistemi Edmund Optics firmasından alınan Panasonic GP-KR222 marka bir CCD-Video Kamera, görüntüyü izleme kolaylığı sağlayan bir Sony Trinitron monitör ve bir bilgisayardan oluşmaktadır. Silindirik kabın içerisindeki deney akışkanının serbest yüzeyi tam yatay olmak zorundadır. Bunun için silindirik kabın üzerine konulan su terazisi ile yatay konumu kontrol edilmiştir. Yüzey gerilim hareketlerine etki eden parametrelerden birisi de akışkanın boyutsal oranıdır. Boyutsal oran, silindirik kap içerisindeki deney akışkanının yüksekliğinin, silindirik kabın iç yarıçapına oranı (Ar=H/R) olup, akışkanın akış karakterinin değişim noktasını etkilemektedir. Akışkanın boyutsal oranının değeri hassas olarak ölçülmüş olup, deneysel çalışmamızda bu oran Ar=1.0 olarak sabit tutulmuştur. Akışkanın boyutsal oranı ayarlandıktan sonra, deney sonuçlarının sağlıklı olması ve aynı sonucun tekrar edilebilir olabilmesi için akışkanın ve temas yüzeylerinin çok temiz olması gerekmektedir. Bundan dolayı, deney akışkanının doldurulacağı silindirik kabın iç yüzeyi ile simetri merkezindeki ısıtıcı bakır çubuğun akışkan ile temas yüzeyi etilalkollü pamuk ile hassas olarak temizlenmiş ve kuruması için beklenmiştir. Deney akışkanı silindirik kap içerisine steril cam şırınga ile hassas olarak doldurulduktan sonra akışkanın kapiler etkisinden dolayı (ıslatan akışkanda adhezyon> kohezyon etkisi), tam doldurulan silindirik kabın radyal yöndeki et kalınlığı yüzeyi, akışkan ile ıslandığı için zaman içerisinde bu ıslanan yerlere akışkan yürüyebileceğinden toplam akışkan hacmi değişecektir. Buna neden olmamak için silindirik kap, akışkan ile doldurulmadan önce radyal yöndeki et kalınlığı yüzeyinin cidarına pamuklu kür ile Scotch Guard (akışkan yürümesini önleyici) adı verilen özel bir madde sürülmüş ve sürülen bu maddenin kuruması için beklenmiştir. Son olarak silindirik kaba, bir hava kompresörü ile hava püskürtülerek içerisindeki yabancı partiküllerin uzaklaştırılması sağlanmıştır. Böylece silindirik kap, deney akışkanının şırınga ile yavaş yavaş doldurulması için hazır hale getirilmiş ve sonra deney yapılmaya hazır olmuş olur. Deney için öncelikle, soğutucu duvar sıcaklığının istenilen sıcaklık değerine ulaşması amacı ile soğutmayı sağlayan su sirkülasyon ünitesi açılmış ve istenilen sıcaklık değeri T C = 10 C ye ayarlanmıştır. Video-kamera sistemi, akışkan hareketinin üstten izleneceği yere odaklanırken; bir mikroskop da aynı yerin yatay doğrultusundaki akışkan hareketini izlemek amacıyla odaklanmıştır. Böylece kontrol hacmin, hem üstten görünüşünü hem de yatay görüntüsünü aynı anda izleme imkânı oluşmuştur. Bu kontrol hacim içerisinden düşey vaziyette ve silindirik kabın tam simetri ekseninden geçecek şekilde lazer perdesi de ayarlanmıştır. Isıtıcı çubuğa ısı verecek olan güç kaynağı, video-kamera sistemi, sıcaklık değerlerini ölçen sistem, bilgisayarlar, dataları ekranda gösterecek olan software, trinitron ekran, video-kamera sisteminden gelecek olan görüntüyü kaydedebilecek bilgisayar ve lazer açılmıştır. İstenen deney şartlarının sağlandığından tam emin olduktan sonra, deney akışkanının içerisine cam şırınga ile Al 2 O 3 partikülleri eser miktarda ilave edilmiştir. Bu aşamada, ısıtıcı çubuğa ısı sağlayan güç kaynağına volt ve 6

7 Selver,R., Katı, E., Çırak,Ç. Teknolojik Araştırmalar 2007 (3) 1-12 akım verilmeden, silindirik kap içerisindeki akışkanın yüzey gerilim hareketi yaptığı, deney akışkanının içerisine ilave edilen Al 2 O 3 partiküllerinin hareket etmesinden anlaşılmaktadır. Daha sonra güç kaynağına kademeli olarak voltaj verilmeye başlanmıştır. Bu voltaj, güç kaynağının ısıtıcı çubuğa vermiş olduğu sıcaklık ile bağıntılı olup bunun hassasiyet derecesi ise bilgisayar ekranında görülen sıcaklık değerine göre el ile ayarlama yapılarak kontrol edilmiştir. Voltaj yükseltme kademesi ne kadar küçük değerlerde seçilirse deney anında meydana gelebilecek olan belirsizlikler o derece azalmış olur. Ayrıca güç adım adım artırılırken her adım sonrası bekleme zamanı akışkanın yayılım zamanına ya eşit ya da bundan yüksek olmalıdır. 2 Akışkanın yayılım zamanı ise, t = R / α ifadesi ile tanımlanır. Isıtıcı duvar sıcaklığı kademeli olarak artırılırken silindirik kabın içerisindeki deney akışkanı kararlı yüzey gerilim hareketini gerçekleştirmektedir. Bu anda ısıtıcı çubuk sıcaklığı (T H ) ve soğutucu duvar sıcaklığı (T C ) ölçülmüş ve ölçülen bu sıcaklıklar arasındaki fark T= T H - T C ile belirlenmiştir. 3. Önemli Boyutsuz Parametreler Silindirik sabit sıcaklık konfigürasyonu kullanılarak deneysel olarak gerçekleştirilen yüzey gerilim hareketlerinin karakterlerini aşağıdaki boyutsuz sayılar belirlemektedir. Bunlar: Boyutsal oran, Prandtl sayısı, H Ar = R Pr = ν α Yüzey gerilim Reynolds sayısı, Re = T ( T) νµ R Marangoni sayısı, Ma Pr Re = = T ( T) αµ R Grashof sayısı, ( T) βg Gr = ν 2 R 3 dır. Yukarıdaki ifadelerde: H akışkanın dikey derinliği, R ısıtıcı duvar ile soğutucu duvar arasındaki yatay mesafe, ν akışkanın kinematik viskozitesi, α akışkanın ısısal yayılma katsayısı, µ akışkanın dinamik viskozitesi, T akışkanın yüzey gerilim sıcaklık katsayısı, T akışkana uygulanan sıcaklık farkı değeri ( T= T H -T C ), β akışkanın hacimsel genleşme katsayısı, g ise yerçekimi ivmesi değeridir. Prandtl sayısı, Yüzey gerilim Reynolds sayısı, Marangoni sayısı ve Grashof sayısı akışkanın fiziksel özelliklerini içeren boyutsuz parametrelerdir. Bu boyutsuz parametreler yüzey gerilim hareketi yapan akışkan için akış karakterini etkileyen en önemli parametrelerdir. Marangoni sayısı, akışkanın kararlı yüzey gerilim hareketinden, periyodik osilasyonlu yüzey gerilim hareketine geçişinde önemli bir rol oynamaktadır. Literatürde, yüzey gerilim akış hareketi Marangoni konveksiyon olarak bilinmektedir. 4.Sonuçlar Ve Tartışma Akışkanın boyutsal oranı akışkan yüksekliği ile doğru orantılı olup; boyutsal oran arttıkça akışkan yüksekliği (H) artmaktadır. Bu sebepten dolayı akışkanın kararlı yüzey gerilim hareketinden, periyodik osilasyonlu yüzey gerilim hareketine geçişindeki kritik sıcaklık farkı ( T kr = T H -T C ) değeri azalmaktadır. Bu şöyle ifade edilir; Marangoni sayısının değişkenlerine bakıldığında, akışkan yüksekliği (H) ve kritik sıcaklık farkı ( T kr ) değeri ters orantılıdır. Yüzey gerilim hareketinde Marangoni sayısı sabit olacağından dolayı, akışkan yüksekliği (H) ve kritik sıcaklık 7

8 Teknolojik Araştırmalar 2007 (3) 1-12 Silindirik Sabit Sıcaklık Konfigürasyonunda Farklı Soğuk Duvar farkı ( T kr ) değişkenlerinden birisi artarken diğeri azalmaktadır. Akışkanın boyutsal oranına bağlı olarak kritik sıcaklık farkları arasındaki değişimden önceki çalışmalarımızda bahsetmiştik [11,13,14]. Serbest Yüzey δ δts U0 Termal Sınır Tabakası Isıtıcı Viskoz Sınır Tabakası δτη V (Dikey Hız) Termal Sınır Tabakası Şekil 4. Silindirik Sabit Sıcaklık Konfigürasyonunda Sıcak Bölge Akış Alanı Şekil 4 de görüldüğü gibi, yüzey gerilim kuvveti genel olarak ısıtıcı çubuğa yakın bölge ile soğutucu duvara yakın bölgelerde gelişmiş olsa da ısıtıcı çubuğa yakın bölgede etkisini göstermektedir. Sıvının serbest yüzeyinde oluşan ince termal sınır tabaka (δ TS ); ısıtıcı çubuğa yakın bölgede, akışkan yüzeyinde yüksek mertebede radyal sıcaklık gradyenlerinin ( T / r ) oluşmasına neden olur. Bunun sonucu olarak da bu bölgede yüzeysel hız (U o ) oldukça yüksektir. Yine bunun sonucu olarak akış alanı ikiye bölünmüş olur. Akışkan serbest yüzeyindeki radyal sıcaklık gradyeninin ve hızın yüksek olduğu ısıtıcı-akışkan temas noktasındaki bölge, sıcak bölge (köşe); bu bölgenin dışında kalan kısım ise hacimsel bölge olarak anılır. Yüzey gerilim değeri oldukça yüksek değerlere ulaştığında serbest yüzeyde sıcak bölgeyi de içine alan belirli bir kısımda viskoz sınır tabakası (δ) oluşur. Daha sonrasında ince bir sınır tabakaya sınırlandırılan kütle akışı, hacimsel bölgeye kıyasla oldukça düşük olacak ve sıcak bölgedeki yüzey gerilim kuvveti tüm akış için süreklilik sağlayacaktır. Akışkanın serbest yüzey bölgesinde gelişen termal ve viskoz sınır tabakalarının bulunduğu üst sınır tabaka bölgesinde gelişen yüzey gerilim kuvvetinin momentumu sayesinde akışkan, hareketine soğuk duvar bölgesinden aşağıya doğru ivmelenerek devam edecektir. Aşağı tarafa doğru ivmelenen akışkanın, üst sınır tabaka kalınlığının altındaki hacimsel tabaka olarak isimlendirilen bölgede batmazlık tesiri altında hızı azalacaktır. Isıtıcı çubuğun bulunduğu yerdeki bölgede akışkan etkin olarak batmazlık tesiri altındadır. Dolayısıyla, sıcak bölgede ısıtıcı çubuk boyunca termal sınır tabaka (δ TH ) içerisinde, akışkan batmazlık etkisi ile serbest yüzeye doğru ivmelenerek hareket edecektir. Yukarıya doğru ilerleyen akışkanın yerini ise biraz önce bahsedilen soğuk duvara yakın bölgede (hacimsel tabaka içerisinde) aşağıya doğru ivmelenen akışkan alacaktır. Şekil 4 de görüldüğü gibi, sıcak bölgede yukarıya doğru hareket eden akışkanın hızı V olup batmazlık ile doğru orantılıdır. Yüzey gerilim hareketinin hacimsel tabakanın tamamını etkilemesi ise 3. bölümde bahsedilen boyutsuz parametrelerin oranı ile ortaya çıkacaktır. Kararlı yüzey gerilim hareketi şematik olarak Şekil 5 de görüldüğü gibidir. Şekil 5. Silindirik Sabit Sıcaklık Konfigürasyonunda Şematik Kararlı Akış 8

9 Selver,R., Katı, E., Çırak,Ç. Teknolojik Araştırmalar 2007 (3) 1-12 Silindirik sabit sıcaklık konfigürasyonu kullanılarak, silindirik kap içerisindeki düz serbest akışkan yüzeyine sahip yüzey gerilim hareketi yapan akışkana uygulanan sıcaklık farkı ( T) değeri kritik değere ulaşırsa, kararlı yüzey gerilim hareketi, osilasyonlu yüzey gerilim hareketine girecektir. Silindirik kap içerisindeki akış alanında osilasyon oluşarak üç boyutlu zaman periyotlu değişimler ortaya çıkar. Silindirik kap içerisindeki düz serbest akışkan yüzeyine sahip yüzey gerilim hareketi yapan akışkanda, yerçekimi ivmesine sahip ortamda yapılan deneylerde gözlemlenen osilasyonlu akış şematik olarak Şekil 6 da görülmektedir. Şekil 6. Silindirik Sabit Sıcaklık Konfigürasyonunda Şematik Osilasyonlu Akış Bu deneysel çalışmada deneyin yapıldığı ortam sıcaklığı T R = +23 C de ve akışkanın boyutsal oranı Ar= H/R= 1.0 de sabit tutulduğunda kritik sıcaklık farkı değerinin, ısıtıcı çubuk sıcaklık değerinin ve T M =1/2(T H +T C ) değerinin soğuk duvar sıcaklığına göre değişimi Şekil 7 de verilmektedir. Deneyde akışkan ile temas halindeki soğutucu duvar sıcaklığı T C = +10 C de deney tamamlanana kadar sabit tutularak, ısıtıcı çubuk sıcaklığı yavaş yavaş kademeli olarak artırılmaktadır. Bu esnada ısıtıcı çubuk sıcaklığı ile soğutucu duvar sıcaklığı arasındaki sıcaklık farkından dolayı, akışkan kararlı yüzey gerilim hareketinin tesiri altındadır. Bu kararlı yüzey gerilim hareketi esnasında sıcaklık farkı, kritik sıcaklık farkı değerinden düşük olduğundan dolayı kararlı yüzey gerilim hareketine devam eder. Kararlı yüzey gerilim hareketi şematik olarak Şekil 5 de gösterilmiştir. Isıtıcı çubuğun sıcaklığı yavaş yavaş kademeli olarak artırılırken, sıcaklık değeri yaklaşık olarak T H = C ulaştığında kararlı haldeki yüzey gerilim hareketi, osilasyonlu yüzey gerilim hareketine geçmektedir. Bu durumdaki yüzey gerilim hareketi Şekil 6 da şematik olarak görülmektedir. Şekil 7. Isıtıcı Çubuk Sıcaklığı (T H ), Kritik Sıcaklık Farkı ( T kr ) ve Akışkan Yüzeyinin Ortalama Sıcaklık (T M ) Değerinin Soğuk Duvar Sıcaklığına (T C ) Göre Değişimi 9

10 Teknolojik Araştırmalar 2007 (3) 1-12 Silindirik Sabit Sıcaklık Konfigürasyonunda Farklı Soğuk Duvar Deney anında sabit tutulan soğuk duvar sıcaklığı ( T C = +10 C) ile ısıtıcı çubuk sıcaklığı (T H = C) arasındaki fark bu deney anındaki şartlara göre kritik sıcaklık farkı T kr = T H T C = = C değerini vermektedir. Periyodik osilasyonlu yüzey gerilim hareketinin başladığı nokta ( T kr ) tespit edildikten sonra, ısıtıcı çubuk sıcaklığı kademeli olarak artırıldığında yine periyodik osilasyonlu yüzey gerilim hareketi devam etmektedir. Fakat belirli bir sıcaklık farkından sonra periyodik osilasyonlu yüzey gerilim hareketi, kaotik osilasyonlu yüzey gerilim hareketine geçmektedir. Bu kaotik osilasyonlu yüzey gerilim akış hareketinde, akışkan yüksek sıcaklık değerine sahip olduğundan dolayı silindir içerisindeki akışkan bir miktar buharlaşmakta ve akışkanın boyutsal oranı değişmektedir. Dolayısıyla, boyutsal oran da kritik sıcaklık değerinin bir fonksiyonu olduğundan dolayı yüzey gerilim hareketi yapan akışkan akış hareketini ani olarak değiştirmektedir. Bu durum belirlendiğinde, deney durdurulur ve bir sonraki soğutucu duvar sıcaklığı T C = +14 C için deney düzeneği tamamen temizlenerek, deney düzeneğine taze akışkan yerleştirilir. Prosedür yeniden sırası ile bir öncekinde olduğu gibi tekrarlanır. Bu deney, diğer T C = +18 C, T C = +22 C ve T C = +23 C değerlerinin her birisi için tekrarlanarak Şekil 7 deki sayısal değerler elde edilir. Genel olarak, Şekil 7 incelendiğinde, soğutucu duvar sıcaklığı azaldıkça kararlı yüzey gerilimli akış hareketinden, periyodik osilasyonlu yüzey gerilimli akış hareketine geçiş noktasını belirleyen T kr değeri artmaktadır. Bu artış değeri şu şekilde izah edilir; akışkan yüzey sıcaklığı deney başlangıcında akışkan sıcaklığı olarak seçilen ve sabit tutulan soğutucu duvar sıcaklığı ile, ısıtılmaya başlanmış olan ısıtıcı çubuk sıcaklığı (deneyin yapıldığı ortam sıcaklığı ile dengede yani T H TR ) arasındaki aritmetik ortalama değerindedir. Bu sıcaklık değeri T M =1/2(T H +T C ) ile ifade edilir. Karşılaştırma için, akışkanın ortalama sıcaklığı (T M ) ile deneyin yapıldığı ortam sıcaklığının (T R ) başlangıçta dengede (sıcaklık farkının olmadığı) olduğunu düşünürsek; ısıtıcı çubuğa verilen ısı sayesinde akışkanın ortalama sıcaklığı (T M ) deneyin yapıldığı ortam sıcaklığından yüksek olacaktır. Bu nedenle ısı transferi, yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa doğru kendiliğinden gerçekleşeceğinden akışkanın serbest yüzeyinden deneyin yapıldığı ortama doğru ısı geçişi olacaktır. Böylece akışkan serbest yüzeyi ısı kaybedeceğinden; kaybedilen ısı miktarı arttıkça, akışkanın kararlı yüzey gerilim akış hareketinden, periyodik osilasyonlu yüzey gerilim akış hareketine geçişteki kritik sıcaklık farkı ( T kr ) değeri düşecektir. Bu ifadeye göre; soğutucu duvar sıcaklığının düşük olmasıyla meydana gelen ısı kaybı, soğutucu duvar sıcaklığının yüksek olmasıyla meydana gelen ısı kaybından daha düşük olmaktadır. Matematiksel olarak ifade edecek olursak; T o = (TM TR ) T o o = (T T ) TC =+ 10 C TC =+ 10 C M o T 23 C T 23 C R C =+ C =+ [ ] ve [ ] karşılaştırıldığında görülecektir ki T o < T o T = + 10 C TC = 23 C [ C + ] olacaktır. Isı kaybı, akışkanın serbest yüzeyinin ortalama sıcaklığı ile deneyin yapıldığı ortamın sıcaklığı arasındaki sıcaklık o Q o TC 10 C TC 23 C farkı değerine bağlı olacağından, matematiksel olarak [ Q < = + = + ] olacaktır. Dolayısıyla; sıcaklık farkı değerinin küçülmesiyle ısı transferi azalacak, soğutucu duvar sıcaklığının küçülmesiyle de, akışkan yüzeyinden deneyin yapıldığı ortama geçen ısı miktarı azalacaktır. Kararlı yüzey gerilimli akış hareketinin, periyodik osilasyonlu yüzey gerilimli akış hareketine geçiş noktası olan kritik sıcaklık farkı değeri, Marangoni konveksiyon hareketinin kendisini meydana getiren boyutsuz Marangoni T ( T) Kr R Ma Kr = sayısına dönüştürüldüğünde elde edilen kritik Marangoni sayısının ( α µ ) ve kritik şartlardaki ν Pr Kr = boyutsuz Prandtl sayısının ( α ) soğuk duvar sıcaklıkları ile değişimi Şekil 8 de gösterilmiştir. Boyutsuz Marangoni sayısı, Tablo 1 de verilen silikon yağının kinematik viskozitesinin değişimini veren formül kullanılarak ve ortalama akışkan sıcaklığı (T M ) ile hesaplanmıştır. Şekil 8 de görüldüğü gibi soğuk duvar sıcaklığı arttıkça boyutsuz Marangoni sayısı ve kritik şartlardaki Prandtl sayısı azalmaktadır. 10

11 Selver,R., Katı, E., Çırak,Ç. Teknolojik Araştırmalar 2007 (3) 1-12 Şekil 8. Kritik Marangoni Sayısının ve Kritik Şartlardaki Prandtl Sayısının Soğuk Duvar Sıcaklığına Göre Değişimi. Sonuç olarak; silindiriksel sabit sıcaklık konfigürasyonu kullanılarak yüksek Prandtl sayısına sahip akışkanın kararlı marangoni taşınımından, periyodik osilasyonlu marangoni taşınımına geçiş noktası olan kritik sıcaklık farkı değerlerinin, akışkanın serbest yüzeyinden deneyin yapıldığı ortama olan ısı kaybı değerlerine bağlı olduğu ve bu ısı kaybı değerlerinin soğuk duvar sıcaklığına bağlı olduğu araştırma sonucunda ortaya çıkartılmıştır. Kaynaklar 1. Ringer. C.,1995, Eine Fachbereits aus Physik, Master Tezi, Graz Uni., Ostrach S., 1977, Motion Induced by Capillarity, Physicochem. Hydrodyn., Ostrach S., 1979, Convection Due To Surface-Tension Gradients, (COSPAR) Space Research, Chun C.H., Wuest W., 1978, A Micro Gravity Simulation of Marangoni Convection, Acta Astronautica, Schwabe D., Scharmann A., Preisser F., Oeder R., 1978, Experiments on Surface Tension Driven Flow in Floating Zone Melting, Jour. of Crystal growth, Ostrach S., 1982, Low-Gravity Fluid Flows, Ann. Rev. Fluid Mech., vol. 14, pp Preisser F., Schwabe D., Scharmann A., 1983, Steady and Oscillatory Thermocapillary Convection in Liquid Columns with Free Cylindrical Surface, Jour. of Fluid Mech., Kamotani Y., Lee J. H., Ostrach S., Pline A., 1992, An Experimental Study of Oscillatory Therrnocapillary Convection in Cylindrical Containers, Physics of Fluids, Kamotani Y.,Ostrach S., Lin J., 1995, An Experimental Study of Free Surface Deformation in Oscillatory Thermocapillary Flow, Acta Astronautica, Sağlam A., Özek N. ve Selver R., 2004, Yüzen Bölge Konfigürasyonunda Kararlı Marangoni Konveksiyondan Osilasyonlu Marangoni Konveksiyona Geçişi Üzerine Deneysel Bir Çalışma, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. J., Cilt 19, No 2,

12 Teknolojik Araştırmalar 2007 (3) 1-12 Silindirik Sabit Sıcaklık Konfigürasyonunda Farklı Soğuk Duvar 11. Kamotani Y., Wang L., Hatta S., Selver R., Yoda S., 2001, Effect of Free Surface Heat Transfer on Onset of Oscillatory Thermocapillary Flow of High Prandtl Number Fluid, J. Jpn. Soc. Microgravity Appl., Vol. 18, No. 4, p Masud J., 1997, The Influence of Gravity on Thermocapillary Flows in High Prandtl Number Fluids, Doktora Tezi, Department of Mechanical & Aerospace Engineering, Case Western Reserve University, Cleveland, Ohio. 13. Selver R., 2005, Experiments on the Transition from the Steady to the Oscillatory Marangoni Convection of a Floating-Zone under Various Ambient Air Temperature Effects, Microgravity Science and Technology, Vol.17, (4), pp Selver R. ve Uguz N., 2004, Esnek Bölge Konfigürasyonunda Yüzey Gerilimi ile Meydana Gelen Taşınımlı Akışın Deneysel İncelenmesi, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. J., Cilt 19, No 3, Kamotani Y., Chang A., Ostrach S., 1996, Effects of Heating Mode on Steady Axisymetric Thermocapillary Flows in Microgravity, Journal of Heat Transfer, Kamotani Y., Ostrach S., Masud J., 2000, Microgravity Experiments and Analysis of Oscillatory Thermocapillary Flows in Cylindirical Containers, Journal of Fluid Mech.,