Özet:
Mikro ve nano ölçüdeki sistemlerin gelişmesi ve özellikle mikroakış cihazlarının uygulama
alanlarının artması ile mikro ölçekteki akışkanlar dinamiğinin incelenmesine olan ilgi de
artmıştır. Bu inceleme çalışmalarında kullanılan tanecik görüntülemeli hızölçerler (PIVparticle
image velocimetry), akış görüntüleme ve analizi için kullanılan güçlü bir aygıttır.
Ancak endüstriyel PIV sistemleri, hantal ve çok pahallıdır. Bu yüzden de araştırma merkezleri
için kolayca ulaşılabilir değildir.
Bu çalışmada, mikro kanallarda metrolojik akış araştırmaları için, ekonomik şekilde mikro-
PIV kurulması amaçlanmıştır. Sistemin maliyetini en çok arttıran bileşenlerden biri, yüksek
hızlı kameradır. Bu nedenle çalışmada, hızlı kamera yerine çift çekimli CCD kamera
kullanılmıştır. Böylece, kameranın binning özelliği ile PIV sisteminin dinamik hız aralığını
arttırabilecek ve çift-çekim özelliği ile de mekânsal çözünürlüğü koruyacak bir metot
düşünülmüştür.
Yukarıda bahsedilen binning işlemi, dikey, yatay veya her iki yönde de piksel yüklerini
birleştirerek daha büyük tek bir yük haline getirme işlemidir. Binning özelliği, seçilen alan
boyunca mekânsal çözünürlüğü azaltmasına rağmen, kamera hızını arttırmaktadır. Deneylerle,
çözünürlük kaybına rağmen ihmal edilebilir hatalar ile, PIV sisteminin dinamik hız aralığını 2
katına çıkarmanın mümkün olduğu gösterilmiştir. Bu çalışmadaki deney koşullarında, 2×1 ve
2×2 binning modlarında, sistemin normal modda maksimum ölçülebilen hız değeri 1,5 katına,
3×1 modunda ise 2 katına çıkmıştır. Sistemin doğruluğu, çeşitli mikrokanallardaki akış
görüntüleri kullanarak değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, aynı zamanda geleneksel
analitik çözümler ile de karşılaştırılmış ve uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. Ayrıca binning
özelliği mekânsal çözünürlüğü azalttığı için, izleme taneciklerinin boyutunun sistematik hata
dağılımına etkisi incelenmiştir. Eğer tanecik boyutu süper pikselin iki katı ise, çözünürlük
kaybından gelen hatanın ihmal edilebilir düzeyde olduğu bulunmuştur. Bu bulgu, deney
düzeneğini kurarken, yol gösterici olacaktır.
Bu çalışmada binning moduyla beraber çift çekim modunun kullanılması, mekânsal
çözünürlüğün iyileştirilmesini sağlamıştır. Öncelikle geçerli hız vektörlerinin toplam
hesaplanan hız vektörlerine oranının arttığı görülmüştür. Şöyle ki; CCD kameradan normal
modda elde edilen görüntü çiftlerinin karşılıklı ilinti hesaplamalarının istatiksel analizi,
geçerli hız vektörlerinin toplam hesaplanan hız vektörlerine oranının %80 civarlarında
olduğunu göstermiştir. Bu değer aynı aydınlatma seviyesinde, 1×2 ve 2×1 binning modundaki
görüntüler için artmıştır. Bu iki binning modu için, geçerli hız vektörlerinin toplam
hesaplanan hız vektörlerine oranı sırasıyla, %90 ve %92’ye yükselmiştir. Son olarak 2×2
binning modu için bu oranlar % 95-96 olarak elde edilmiştir. Bu sonuçlar, çift çekimli CCD
kameralarda binning modu kullanımının, en düşük aydınlatma şartlarında bile PIV görüntü
kalitesini iyileştirebileceğini göstermektedir. Ayrıca, çift çekim özelliği kullanıldığında, 2×2
binning modu ile çıkılabilen yüksek hızlara normal modda da ulaşılabildiği görülmüştür.
Yine bu çalışmada, Mikro-PIV sistemi ile çıkarılan hız profillerinden basınç düşüşü
hesaplamaları yapılmıştır. Bu çalışma için kanalda farklı derinliklerde hız profilleri
çıkarılmıştır. Bu değerler, Fluent yazılımı ve analitik denklemden hesaplanan ve basınç farkı
ölçerden alınan verilerle karşılaştırılmıştır. Sonuçlar mikro-PIV sisteminin basınç düşüşü
hesaplamalarında düşük hatalar ile kullanılabileceğini göstermiştir. Ancak bu hesaplamalar,
uzun uğraş gerektiren ölçümler ve analizler gerektirmektedir.
Son olarak, suya katılan tanecik oranlarının, değişik tanecik çapı ve kanal kesitlerinde, akış
hızı profilini ne ölçüde etkilediği, sayısal analiz programı (Fluent) ile simülasyon yapılarak
incelenmiştir. Bu çalışmada yapılan deneylerde kullanılan su-partikül karışımları için tanecik
konsantrasyonlarından ve çaplarından gelen hataların ihmal edilebilir olduğu görülmüştür.