Çapraz akıştaki türbülanslı jet akışlarının deneysel ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi

Abstract

Bilindiği üzere doğadaki hemen hemen tüm akışlar türbülanslıdır. Türbülansın görüldüğü akışlardan biri de çapraz akıştaki jet akışları ya da diğer adıyla çapraz jetlerdir. Çapraz akıştaki jet akışları jet akış yönünün içerisine püskürtüldüğü serbest akış yönünden tamamen farklı olduğu bir akış türünü ifade eder. Serbest akış, sahip olduğu momentumun etkisiyle lüleden püskürtülerek sağlanan jet akışını kendi doğrultusunda akmaya zorlayarak yönünü değiştirir. Çapraz akıştaki jetler, düşük hızlı baca dumanlarından, yüksek hızlara sahip jet motorlarının yanma odalarındaki akışa ve hipersonik roket ve füze kontrol sistemlerine, düşük kütle akışlı sınır tabaka kontrol sistemlerinden, dikey olarak inip havalanabilen V/STOL uçaklara kadar pek çok mühendislik olayında kendini göstermektedir.Bu çalışmada çapraz akıştaki jet akışları problemi deneysel ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) kullanılarak ele alınmıştır. HAD ile çapraz akıştaki jet akışlarının incelenmesi amacıyla, gerek endüstriyel uygulamalarda mühendislerce, gerekse de üniversite ve araştırma enstitülerinde bilim adamları ve araştırmacılar tarafından yaygın olarak kullanılan FLUENT 6.3.26 programından yararlanılmıştır. Sayısal kısımda lüle kesit geometrisi, lüle sayısı, hız oranlarının etkisinin yanında ayrıca lüle ile çapraz akış arasındaki eğim açısı da dikkate alınarak, bu gibi değişkenlerin akış yapısı üzerindeki etkileri kapsamlı olarak ele alınmıştır. Bunun için dairesel ve kare kesitli olmak üzere iki farklı lüle kesit geometrisi, bir lüle ve üç tane lüle yan yana olmak üzere iki farklı lüle sayısı, R=0.2, 0.5, 1.0 ve 2.0 olmak üzere dört farklı hız oranı ve a=30°, 45°, 60°, 75° ve 90° olmak üzere beş farklı eğim açısı incelenmiştir. Çapraz akıştaki baskın girdap yapılarından en önemli olan zıt-dönüşlü girdap çiftinin hız oranı, eğim açısı ve lüle kesit geometrisi ile nasıl değiştiği araştırılmıştır. Eğim açısı ve hız oranının artmasıyla zıt-dönüşlü girdap çiftinin ölçek olarak büyüdüğü ve yan yana üç tane lüle kullanılması durumunda oluşan zıt-dönüşlü girdap çiftinin, tek bir lüle kullanılmasına göre daha farklı bir yapıda olduğu görülmüştür. Bunun yanında özellikle gaz türbinlerinin film soğutulmasında büyük öneme sahip film soğutma verimi de en uygun lüle kesit geometrisi, eğim açısı ve hız oranı için araştırılarak sonuçlar irdelenmiştir. Film soğutma veriminin en yüksek değeri, eğim açısı 30° için elde edilmiş ve dairesel kesitli lüle kullanılmasının daha iyi olacağı sonucuna varılmıştır.Deneysel ölçümler 304 mm´304 mm´914 mm test kesidine sahip bir rüzgâr tünelinde değişik hız oranları için farklı yatay ve düşey mesafelerde gerçekleştirilmiştir. Lüleden sağlanan jet akışı ve rüzgâr tünelinde gerçekleştirilen serbest akış hızı sabit sıcaklık hızölçeri (sıcak tel hızölçeri) kullanılarak ölçülmüştür. Jet akışının sağlandığı lüle dairesel kesitli olup, ölçümler 90° eğim açısında R=0.5, 1.0 ve 1.5 için gerçekleştirilmiştir. Elde edilen deneysel veriler Fourier, dalgacık (wavelet) ve uygun ortogonal ayrıklaştırma (POD) metotları kullanılarak incelenmiş, akışa ait güç tayfları (power sprectrum), dalgacık haritaları ve frekans-zaman alanındaki değişimleri sunulmuştur. Fourier analizine göre, bir serbest jette lüle çıkışındaki güç tayfı ilerleyen diğer mesafelere göre laminar karakter göstermiş ve lüle çıkış hızı artırıldığında frekans enerjisi düşmüştür. Üç farklı hız oranı (R=0.5, 1.0 ve 1.5) için yapılan mukayesede daha yüksek hız oranında daha düşük frekans enerjisi saptanmıştır. Bu durum lülenin merkezinde jetin çapraz akış önünde bir engel gibi davranarak çapraz akış etkisini sönümlemesi ve ilerleyen mesafelerde etkisini kaybetmesine bağlanmıştır. Verilerin dalgacık (wavelet) analizinde en düşük hız oranı olan R=0.5'te baskın frekansın 45 Hz'te kendini gösterdiği, ancak R=1.0 olduğunda bu değerin 85 Hz ile 105 Hz arasında olduğu gözlenmiştir. Enerjinin modlara göre dağılımlarının gösterildiği uygun ortogonal ayrıklaştırma (POD) metodunda ise düşük hız oranındaki modların yüksek hız oranındaki modlara nazaran daha fazla enerji taşıdıkları görülmüştür. Lüle çıkışından uzaklaşıldıkça toplam enerjinin daha fazla sayıda moda dağıldığı gösterilmiştir.Akım görüntüleme tekniği kullanılarak çapraz akıştaki jet akışlarında görülen büyük ölçekli yapılar ve akış yapısı gösterilmiştir. Bunun için bir duman üreteci ve dijital video kayıt cihazı kullanılarak rüzgâr tüneli ve jet hızları değiştirilerek akış alanı incelenmiştir. Yüksek jet hızlarında lüleden püskürtülen jet, çapraz akış içerisine daha dik bir şekilde nüfuz ederek akmaya devam etmiştir. Lüle hızı kademeli olarak azaltıldığında ise rüzgâr tünelinden sağlanan çapraz akış daha baskın hale gelmiş ve jet akışını yenerek, kendi doğrultusunda akmaya zorlamıştır. Rüzgâr tüneli yüksek hızda çalıştırıldığında bu baskın özellik daha çok görülmüş ve jet akışı gittikçe düzleşerek test kesidinden akmaya başlamıştır. Rüzgâr tüneli ve lülenin düşük hızlarda aktığında saptanan kayma tabakası girdapları, özellikle çapraz akışın yüksek hızlarında tespit edilememiştir.