Taylor - Couette - Poiseuille akışı ve akım ayrılmasının etkileri

Abstract

Taylor-Couette-Poiseuille (TCP) akımı, pek çok mühendislik uygulamasında karşılaşılan akış yapısının temelini oluşturan akım sistemidir. Bu sebeple, niteliğinin anlaşılması ve doğru hesaplanması, söz konusu mühendislik uygulamalarının dizayn ve işletme güvenliği acısından önem arz etmektedir. Ayrıca, eksenel akım ve teğetsel hız gibi farklı dinamik parametrelerce şekillendirilen karmaşık bir akım yapısına sahip olması nedeniyle TCP sistemi türbülans teorisi alanındaki ilgi çeken bir konudur. Bu tez çalışmasında, akım ayrılması sebebiyle TCP akımındaki hidrodinamik alan ve türbülans yapısında oluşan etkiler araştırılmıştır. Bu amaçla, bilinen TCP geometrisi ile ayrılma akımlarını modellemek amacıyla başvurulan bir temel problem olan step akımı geometrileri birleştirilerek yeni bir akım sistemi oluşturulmuştur. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yardımıyla, geniş bir eksenel akım ve Taylor sayısı aralığı için yeni oluşturulan akım geometrisinin sayısal çözümü gerçekleştirilmiş ve sonuçlar iki dinamik bileşenin de etkilerini ayrı ayrı içerecek biçimde iki farklı bakış açısıyla yorumlanmıştır. Söz konusu sonuçlar, ana akım hız bileşenleri, türbülasn yoğunlukları, sınır tabaka yapısı ve Reynolds gerilme tensörü bileşenlerinin dengesi gibi incelemeler üzerinden raporlanmıştır. Daha sonra, akım ayrılmasını incelemek üzere oluşturulmuş yeni akım alanı geometrisi sayısal olarak çözülmüş ve çözümler aynı geniş eksenel akım ve Taylor sayısı aralığı için tekrarlanmıştır. Çalışma sonucunda, uygulanan eksenel akımın TCP akımındaki iç silindir dönüşünün stabiliteyi bozucu yöndeki etkisini baskıladığını ve dönüş etkisinin akım alanının iç bölgelerine doğru penetrasyonunu azalttığı gözlenmiştir. İç silindir dönüşü kaynaklı teğetsel hızın akım alanını şekillendiren baskın parametre haline geldiğinde ise eksenel akım etkilerinin neredeyse hiç görülmemesine yol açtığı gözlenmiştir. Sınır tabaka yapısının evrensel profile uyum davranışının tersine döndüğü ve akım alanındaki türbülans gerilmeleri dengesinin değiştiği bölgeler olduğu tespit edilmiştir. Böylelikle, akım üzerindeki eksenel-teğetsel hız dengesi, sınırlı da olsa bir şablona oturtulmaya çalışılmıştır. Ayrılma etkisi de çalışmaya dahil edildiğinde, akım ayrılmasının siteme yeni bir stabilite bozucu etki getirdiği saptanmıştır. Ayrılma bölgesi büyüklüğünün ve dinamiklerinin eksenel ve teğet hızların dengesine göre değiştiği, oldukça karmaşık bir türbülans yapısı ortaya çıktığı ve akım ayrılmasının TCP sistemi içerisindeki akışın mekanik kaybını arttırarak hidrodinamik alanda önemli değişimlere neden olduğu gözlenmiştir. Ayrıca, iç silindir dönüşünün ayrılma akımlarında karşılaşılan vorteks oluşum mekanizmasını tamamen değiştirdiği saptanmıştır. Böylelikle, TCP akımındaki yeni bir kayıp mekanizması tanımlanarak nitelikleri araştırılmıştır.