Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 10, No: 1, 2013 (35-42) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 10, No: 1, 2013 (35-42) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR www.teknolojikarastirmalar.com e-issn:1304-4141 Makale (Article) Mehmet KÜÇÜK *, Mustafa Atakan AKAR * * Mersin Üniversitesi, Tarsus Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitim Bölümü, 33400, Tarsus/TÜRKİYE aakar@mersin.edu.tr Geliş Tarihi: 10.04.2013 Kabul Tarihi: 18.06.2013 Özet Bu çalışmanın amacı, silindir arkasında meydana gelen akış yapısını silindir etrafına yerleştirilen delikli silindirle kontrol etmektir. İç silindir D i =50mm ve dış silindir D d =100mm çapa sahiptir. Delikli dış silindir =0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7 olmak üzere altı farklı geçirgenlik oranına sahiptir. Silindir üzerine d=10mm çapta altıgen delikler açılmıştır. Deneyler süresince su yüksekliği h w =400mm de sabit tutulmuştur. Suyun hızı U=100mm/s ve buna karşılık dış silindir çapına bağlı Reynolds sayısı Re D =10000 olarak kullanılmıştır. Silindir arkasında meydana gelen akış yapısı PIV tekniği kullanılarak incelenmiştir. PIV deneyleri platform yüzeyinden h L =200mm yükseklikte orta düzlemde gerçekleştirilmiştir. Farklı geçirgenlik oranlarına sahip delikli silindirin, D i =50mm çaplı iç silindirin arkasında meydana gelen akış yapısını değiştirdiği gözlenmiştir. Yüksek geçirgenlik oranında 0.6 delikli silindir kontrol üzerindeki etkinliği azalmaktadır. =0.5 geçirgenlik oranı silindir arkasında meydana gelen daimi olmayan akış yapısının kontrolünde en etkili geçirgenlik oranı olarak belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Pasif kontrol, akış kontrolü, delikli silindir, girdap kontrolü, PIV Passive control of the flow structure behind the cylinder with perforated cylinder Abstract The aim of this study was to control of the flow around cylinder surrounding perforated outer cylinder having d=10mm holes on surface. The diameter of inner cylinder D i =50mm and outer cylinder D d =100mm was used. Perforated outer cylinder having =0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7 six different porosities. Depth of the water was kept constant h w =400mm throughout the experiments. Free stream velocity was taken as U=100mm/s corresponding to a Reynolds number as Re D =10000 based on the outer cylinder diameter. Flow occurring behind the cylinder investigated using particle image velocimetry technique. PIV experiments were carried out at the mid-section of the water as h L =200mm height. It has been observed that the perforated outer cylinders having various porosities change the vortex structure of the inner cylinder of D i =50mm diameter. For higher porosities 0.6 outer cylinder loses its effectiveness on the control. β=0.5 value of porosity, unsteady vortices formed in the near wake region of the inner cylinder are controlled for the most effective case. Keywords: Passive control, flow control, perforated cylinder, vortex control, PIV Bu makaleye atıf yapmak için Küçük, M., Akar, M.A.,, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2013, (10) 35-42 How to cite this article Küçük, M., Akar, M.A., Passive control of the flow structure behind the cylinder with perforated cylinder, Electronic Journal of Machine Technologies, 2013, (10) 35-42
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2013 (10) 35-42 1. GİRİŞ Mühendislik uygulamalarında akış içerisinde bulunan katı cisim etrafındaki akış yapısının kontrolü üzerine çok sayıda çalışma bulunmaktadır. Akış yapısının kontrolünde amaç; cisim üzerinde istenmeyen titreşimler ve dinamik yükler oluşturarak yapısal hasarlara ve rezonansa neden olan girdap kopmalarını önlemektir. Akış içerisine yerleştirilmiş bir cisim arkasında oluşan akış yapısının sebep olduğu problemlerin önlenebilmesi için daimi olmayan akış yapısının kontrol edilmesi ve cisim arkasında oluşan Reynolds gerilme değerlerinin azaltılması gerekmektedir. Akış yapısının kontrol edilmesinde, aktif ve pasif yöntemler olarak iki grupta toplanabilecek çok sayıda yöntem ortaya konmuştur. Aktif yöntemler sisteme dışarıdan enerji verilerek akış yapısını kontrol etmeyi amaçlarken, pasif yöntemlerde cisimler üzerinde ya da akış ortamında yapısal değişiklikler yapılarak akış yapısını kontrol etmeyi amaçlamaktadır. Silindir arkasında oluşan akış yapısını pasif yöntemle kontrolü ile ilgili olarak [2 13] çok sayıda çalışma bulunmaktadır. [7] Özkan ve diğ. (2011), yaptıkları çalışmada d=50mm çaplı silindir etrafına =0.4, 0.5, 0.6, 0.7 dört farklı geçirgenlik oranında ve D=60, 70, 80, 90, 100mm beş farklı çapta ağ yapılı ikinci bir silindiri eş merkezli olarak yerleştirmişler ve sığ suda incelemişler. [8] Özkan ve diğ. (2012), sığ suda d=50mm çaplı silindir etrafına D=60, 70, 80, 90, 100mm beş farklı çapta ve =0.4, 0.5, 0.6, 0.7 dört farklı geçirgenlik oranında delikli silindirler yerleştirerek incelemişler. [9] Paydaş ve diğ. (2007a), sığ suda D=90mm çaplı silindir üzerine d=2.5, 5, 10mm olmak üzere üç faklı çapta delikler açarak =0.14-0.61 aralığında yedi farklı geçirgenlik oranında incelemişler. [11] Pınar ve diğ. (2011a), yaptıkları çalışmada sığ su içerisine yerleştirdikleri dokuz farklı çapta (D i =25 90) silindir dışına geçirgenlik oranı =0.5 olan D d =100mm çaplı yüzeyine delik açılmış silindir yerleştirerek silindir arkasında oluşan akış yapısını kontrol etmeye çalışmışlar. Silindir arkasında oluşan akış yapısının kontrolü için D i /D d =0.25 0.7 aralığının uygun aralık olduğunu ifade etmişler. [12] Pınar ve diğ. (2011b), yaptıkları deneysel çalışmada, sığ suda çap oranı D i /D d =0.5 oranında ve β=0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 geçirgenlik oranlarına sahip delikli silindirleri kullanarak pasif kontrol yöntemle kontrol etmeye çalışmışlar. Deneyler sonucunda; farklı geçirgenlik oranlarına sahip dış silindirlerin akışı kontrol ettiğini, 0.3 β 0.6 aralığında iz bölgesindeki türbülans yoğunluğunda azalma olduğunu ifade etmişler. Deneylerde Kelvin-Helmholtz girdapların Karman girdaplarından daha baskın olduğunu gözlemlemişler. β>0.65 değerinden sonra dış silindirin etkinliğini kaybettiğin bundan dolayı β=0.65 değerini üst kritik sınır olduğunu belirtmişler.[13] Pınar ve diğ. (2012), yaptıkları çalışmada derin suda 60mm çaplı silindir etrafına farklı geçirgenlik oranlarında delikli ikinci bir silindir yerleştirerek kontrol sağlamaya çalışmışlar. Çalışmalarında D i /D d =0.6 çap oranında silindirleri Re Dd =10000 değerinde U=100mm/s hızda PIV tekniğini kullanarak incelemişler, =0.5 geçirgenlik oranını kontrol sağlanan en iyi oran olarak belirlemişler. Sunulan bu çalışmada, D i =50mm çaplı silindir arkasında meydan gelen akış yapısı pasif yöntemle kontrol edilmeye çalışılmıştır. Delikli silindir yüzeyine d=10mm çapta altıgen delikler açılmıştır. D d =100mm çapa sahip delikli silindir, =0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7 olmak üzere altı farklı geçirgenlik oranına sahiptir. Delikli silindir, içteki silindir etrafına eş merkezli olarak yerleştirerek akış yapısında kontrol sağlanmaya çalışılmıştır. PIV tekniği kullanılarak detaylı incelemeler gerçekleştirilmiştir. 2. MALZEME ve METOT 2.1. Deney Düzeneği Bu deneysel çalışma Çukurova Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Akışkanlar Mekaniği Laboratuarında kurulu bulunan kaplı devre açık su kanalında gerçekleştirilmiştir. Su kanalı iki adet depo ve bu iki depo arasında bulunan boyutları 750mm-8000mm-1000mm olan pleksiglas malzemeden yapılmış deney kısımdan oluşmaktadır. Girişteki su deposu ile deney kesiti arasında 2:1 oranında daralma kısmı mevcuttur. Kanal içinde bulunan suyun akışı, bir hız kontrol ünitesi aracılığıyla değişik devirlerde çalışan pompa ile sağlanmaktadır. Şekil 1 de deney kanalı şematik olarak gösterilmiştir. 36
Küçük, M., Akar, M.A. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2013 (10) 35-42 Şekil 1. Su Kanalı Geçirgenlik oranına bağlı olarak silindirler üzerindeki altıgen deliklerin yerleri AutoCAD programı kullanılarak belirlenmiştir. Yapılan çizimlere göre lazer makinesinde kesim işlemi sonunda delikli levhaların imalatı yapılmıştır. Levhalar delik açma işleminden sonra D d =100mm çaplı silindir haline getirilmiştir. Silindirlerin imalatında kullanılan levhalar t=1.5mm kalınlığa sahip paslanmaz çelik malzemedir. Açılan delikler d=10mm çapa sahiptir. Deneylerde kullanılan iç silindir çapı D i =50mm olarak seçilmiş böylece D i /D d =0.5 çap oranı sağlanmıştır. Şekil 2 de kullanılan silindirler sunulmuştur. Şekil 2. Deneylerde kullanılan delikli dış silindir ve iç silindirin şematik gösterimi. Deneylerde kullanılan delikli silindirler =0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7 olmak üzere altı farklı geçirgenlik oranına sahiptir. Silindirler Şekil 3 de görülebileceği gibi kanal içine yerleştirilen bir platform üzerine yerleştirilmiştir. Platformun kullanılmasının nedeni istenilen Reynolds değerinin sağlayacak akış hızının bu şekilde elde edilmesidir. Bu platformun uzunluğu 2300mm, genişliği 980mm ve platformun üst yüzeyinin kanalın tabanından olan yüksekliği 220mm olarak ayarlanmıştır. Platform yüzeyi ile su yüzeyi arasındaki mesafe 400mm olarak ayarlanmış ve deneyler süresince sabit tutulmuştur. Lazer kaynağından gönderilen lazer hüzmesi platform yüzeyinden h L =200mm yükseklikte gönderilmiştir. Deneyler süresince 350 tane anlık görüntü kayıt edilmiş ve bu işlem her deneyde üç kez tekrarlanmıştır. Elde edilen görüntülerin prosesleri gerçekleştirilerek hız vektörleri hesaplanmıştır. Bu verilerden yararlanılarak akış yapısının karakteristikleri belirlenmiştir. 37
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2013 (10) 35-42 (a) (b) Şekil 3. Deney düzeneğinin (a: yan görünüş, b: üst görünüş) şematik gösterimi. Parçacık görüntülemeli hız ölçme (PIV) tekniği akış içerisine akış ile aynı hızda hareket eden gümüş kaplı partiküller hızının ölçülmesi ile akış yapısı hakkında anlık ve ortalama bilgi elde edilmektedir. Bu teknik ile iki boyutlu hız ölçümü yapabilmek için su içerisine 10 20 mikrometre çapında, yoğunluğu suyun yoğunluğuna yakın gümüş kaplı partiküller eklenmektedir. Partiküllerin yoğunlukları suyun yoğunluğundan nispeten büyük olmasına rağmen (1100kg/m 3 aralığında değişen) boyutları mikron mertebesinde olduğu için su ile aynı hızda hareket etmektedir. Çift darbeli 120mJ gücündeki Nd:YAG lazer kaynağı tarafından üretilen lazer ışınları optik araçlar kullanılarak istenilen kalınlıkta ve genişlikte lazer hüzmesi halinde gönderilmektedir. Lazer kaynağı saniyede en fazla 15 lazer çifti gönderilebilmektedir. Lazer hüzmesi ile aydınlatılan akış alanı içinde hareket eden partiküllerin mili saniye boyutunda ( t) zaman aralıklarında dijital kamera (Sony DRC -TR355E) aracılığı ile çekilen iki adet fotoğraf piksel piksel küçük alt bölgelere bölünerek her bir alt bölgedeki partiküllerin çekilen iki 38
Küçük, M., Akar, M.A. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2013 (10) 35-42 fotoğraf arasındaki yer değiştirmeleri bulunmaktadır. Bilgisayara aktarılan fotoğrafların prosesi sonucunda anlık hız vektörleri belirlenmektedir. Lazer kaynağı darbeli olduğu için lazerle kamera eş zamanlı olarak çalışması senkronizer (eş zamanlayıcı) ile sağlanmakta ve bilgisayar yardımıyla kontrol edilmektedir. Bilgisayara aktarılan bu fotoğraflar 32x32 piksel küçük alt bölgelere bölünmekte ve Hızlı Fourier dönüşümü kullanılarak her bir alt bölgedeki partiküllerin çekilen iki görüntü arasındaki yer değiştirmeleri bulunmaktadır. Vektör sayısını arttırmak ve Nyquist kriterini sağlamak için hızı vektörü hesaplanarak ağ yapısı %50 üst üste bindirilerek kaydırılmıştır. Bilgisayara aktarılan bu fotoğrafların prosesi neticesinde anlık hız vektörleri hesaplanmaktadır. Bu ölçme yönteminde kullanılan matematiksel ifadeler ve gerekli bilgiler [1] Adrian ve diğ. (1991) ve [14] Westerweel ve diğ. (1993) in çalışmalarında verilmiştir. 3. BULGULAR ve TARTIŞMA Bu çalışmada, iç silindirin çapın dış silindir çapa oranı D i /D d =0.5 olan ve geçirgenlik oranında β=0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7 altı farklı değere sahip silindir çifti arkasında oluşan akış yapısı incelenmiştir. İç silindir arkasındaki akış yapısı delikli dış silindir ile kontrol edilmeye çalışılmıştır. PIV tekniği kullanılarak araştırılmıştır. Şekil 4 de dış silindirin bulunmadığı durumda silindir arkasında meydana gelen akış yapısı gösterilmiştir. Şekil 5 de iç silindir ile kontrol elemanı olarak kullanılan altıgen delikli silindir durumunda oluşan akış yapısı gösterilmiştir. Şekil 4. ve Şekil 5. de birici sütunda ortalama girdap konturları <w> minimum değeri 1 ve artım oranı 1 ve ikinci sütunda Reynolds gerilme <uv> konturları minimum değeri 0.001 ve artım oranı 0.001 olarak çizilmiştir. Üçüncü sütunda ise zaman ortalama hız alanları <v> gösterilmiştir. Deneylerde sonucunda Y1 ve Y2 çekim alanların birleştirilerek tek bir çekim alanı olarak sunulmuştur. Şekil 4. ve Şekil 5. deki kesikli çizgiler negatif yönlü girdapları, düz çizgiler pozitif yönlü girdapları göstermektedir. Şekil 4. D i =50mm olan iç silindir arkasında oluşan akış yapısı. Şekil 4. de dış silindirin bulunmadığı durum için D i =50mm çaplı iç silindir durumu gösterilmiştir. Birinci sütunda pozitif ve negatif girdapların silindirin iki yanında birbirine simetrik bir şekilde akış doğrultusunda iki küme ve birbirlerine yönelmiş olarak görülmektedir. İkinci sütundaki Reynolds gerilmeleri maksimum değerleri silindire yakın alanında görülmektedir. Üçüncü sütunda hız alanına bakıldığında silindir arkasında meydana gelen iz bölgesi birinci çekim alanında görülmektedir. Şekil 5. de iç silindir ve kontrol elemanı olarak belirlenen delikli silindirin birlikte bulunduğu durumda meydana gelen akış yapısı gösterilmiştir. Şekil 5. birinci sütunda delikli silindirin bulunduğu durumunda, silindirin bulunmadığı duruma göre (Şekil 4. de birinci sütun) girdap çifti silindir arkasında akış doğrultusunda uzadığı gözlenmiştir. 0.4 geçirgenlik oranlarında pozitif ve negatif girdap çiftlerinin bir birine yöneldikleri görülmektedir. 0.6 oranı için delikli silindirin girdap kontrol üzerinde etkisinin azaldığı belirlenmiştir. İkinci sütunda Reynolds gerilmelerine bakıldığında maksimum gerilmelerin ikinci çekim alanında oluşmaktadır. Geçirgenlik oranının artmasıyla birlikte gerilmelerin yoğunluğu azalmaktadır. oranında delikli silindirin akış yapısını kontrol üzerindeki etkinliğinin azaldığı 39
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2013 (10) 35-42 gözlenmiştir. Silindir yakın bölgede iç silindirden kaynaklana gerilmeler oluşmuştur. Üçüncü sütunda hız alanların bakıldığında silindir arkasındaki iz bölgesi akış doğrultusunda uzadığı görülmektedir. Şekil 5. Farklı geçirgenlik oranlarına sahip silindirlerin için D i /D d =0.5 değerinde silindir arkasında oluşan akış yapısı. Altıgen delikli silindir, iç silindirin tek bulunduğu duruma göre tüm geçirgenlik oranları için akış yapısının kontrolü üzerinde etkili olduğu gözlenmiştir. =0.5 değerinin D i /D d =0.5 çap oranında silindir arkasında meydana gelen daimi olmayan akış yapısının kontrolünde en ideal değer olduğu belirlemiştir. 40
Küçük, M., Akar, M.A. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2013 (10) 35-42 4. SONUÇ VE ÖNERİLER Bu çalışmada, silindir arkasında meydana gelen akış yapısı silindir etrafına yerleştirilen delikli silindirle kontrol edilmeye çalışılmıştır. D i =50mm çapa sahip olan iç silindir çevresine eş merkezli olarak D d =100mm çaplı delikli silindir yerleştirilmiştir. Delikli silindir üzerine açılan altıgen deliklerin çapı d=10mm dir. Delikli silindir =0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7 olmak üzere altı farklı geçirgenlik oranına sahiptir. Silindirler arkasındaki akış yapısı PIV tekniği kullanılarak deneysel olarak incelenmiştir. Deneyler süresince su yüksekliği h w =400mm sabit tutulmuştur. Lazer kaynağından gönderilen lazer hüzmesi platform yüzeyinden 200mm yükseklikte orta düzlemden gönderilmiştir. Suyun hızı U=100mm/s ( t=1750 ve dış silindir çapına bağlı Reynolds sayısı Re Dd =10000) olarak belirlenmiştir. Delikli silindirin, tüm geçirgenlik oranlarında kontrol üzerinde etkili olduğu gözlenmiştir. Geçirgenlik oranının artmasıyla 0.6 dış silindirin kontrol üzerindeki etkinliğinin azalmaktadır. =0.5 geçirgenlik oranı, D i /D d =0.5 çap oranı için akış yapısı kontrolü üzerinde en ideal geçirgenlik oranı olarak belirlenmiştir. SİMGELER DİZİNİ t d D d D i D i /D d h L h w Re D U <uv> <v> <w> Y1 Y2 :Geçirgenlik oranı :Zaman :Delik çapı :Dış silindir çapı :İç silindiri çapı :İç silindir çapının dış silindir çapına oranı :Lazer yüksekliği :Su yüksekliği :Dış çapa bağlı Reynolds sayısı :Suyun hızı :Reynolds gerilme :Zaman ortalama hız alanları :Ortalama girdap konturları :Birinci çekim alanı :İkinci çekim alanı TEŞEKKÜR Bu çalışma, Mersin Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri (BAP) Birimi tarafından BAP-FBE MEEE (MK) 2012-3 YL nolu proje tarafından desteklenmiştir. Çalışmadaki deneylerin yapılmasına imkan sağlayan Çukurova Üniversitesine Makine Mühendisliği Bölümü Akışkanlar Mekaniği Laboratuarına teşekkür ederiz. 5. KAYNAKLAR [1] Adrian, R. J., Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics, Annual Review of Fluid Mechanics, Vol. 23, pp. 261-304, (1991). [2] Gözmen B., Akıllı, H., Şahin, B., Sığ Suda Silindir Arkasındaki Akışın Değişik Yükseklikteki Plakalar Yardımı ile Kontrolü, 18. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, Zonguldak, 88 93, (2011a). [3] Gözmen, B., Akıllı, H., Şahin, B., Control of circular cylinder wake via splitter plate in shallow flow, 6. Ankara International Aerospace Conference, Ankara, (2011b). 41
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2013 (10) 35-42 [4] Kumar, R, A, Shon, C, ve Gowda, B. H. L., Passive Control of vortex-induced vibrations: An Overview, Recent Patents on Mechanical Engineering, 1: 1-11, (2008). [5] Kunze, S., Brücker, C., Control of vortex shedding on circular cylinder using self-adaptive hairy-flaps, C. R. Mecanique, 340:41 56, (2012). [6] Özkan, G. M., Sığ Suda Ağ Yapılı Silindir Vasıtasıyla Dairesel Silindirin Akış Kontrolü, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 99 s., (2011). [7] Özkan, G. M., Pınar, E., Akıllı, H., Şahin, B., Silindir Etrafındaki Akış Yapısının Ağ Yapılı Silindir ile Kontrolü, 18. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, Zonguldak, 94 98, (2011). [8] Özkan, G.M., Oruç, V., Akıllı, H., Şahin B., Flow around a cylinder surrounded by a permeable cylinder in shallow water, Experiment in Fluids, (2012). [9] Paydaş, K., Akar, A., Karakuş, C., Akıllı, H., Şahin, B., Delikli Silindir Arkasında Oluşan Akış Yapısının Sığ Suda İncelenmesi, 16. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, Kayseri, (2007a). [10] Paydaş, K., Akıllı, H., Şahin, B., Flow Structure Behind a Perforated Circular Cylinder in Shallow Water, 4. Ankara International Aerospace Conference, Ankara, (2007b). [11] Pınar, E., Özkan, G. M., Akıllı, H., Şahin, B., Sığ Suda Silindir Arkasında Oluşan Girdabın Delikli Silindir Yardımıyla Kontrol Edilmesi, 18. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, Zonguldak, 76 81, (2011a). [12] Pınar, E., Özkan, G. M., Akıllı, H., Şahin, B., Flow Control Downstream of a circular cylinder via a surrounding perforated cylinder, 6. Ankara International Aerospace Conference, Ankara, (2011b). [13] Pınar, E., Özkan, M., G., Aksoy, M., M., Akıllı, H., Şahin, B., Derin suda silindir arkasında oluşan girdabın delikli silindir yardımıyla kontrol edilmesi, 4. Ulusal Havacılık ve Uzay Konferansı, İstanbul, (2012). [14] Westerweel J., Digital particle image velocimetry, Theory and Application, Delft University Press, (1993). 42