İki fazlı düşey akımların modellenmesi

Abstract

Hidroelektrik santrallerin şaft tipi dolu savaklarında, termik ve nükleer santrallerin soğutma suyu sistemlerinde, binaların kullanılmış ve yağmur suyu tesisatlarında, serbest yüzeyli akışa sahip bir akımın düşey bir boru boyunca serbest düşüşü, bugüne kadar çoğunlukla amprik karakterde izah edilmeye çalışılmıştır. Bu akım yapısı incelendiğinde, akışın serbest düşüşü esnasında içerdiği hava ile birlikte çift fazlı bir karakter taşıdığı görülmektedir, Kullanılmış suların akışında ise bu akım yapısı içereceği katılarla üç fazlı bir karaktere sahip olacaktır. Düşey sistemlerdeki bu kısmi serbest yüzeyli akım, yaratabileceği kavitasyon ve yapı ile etkileşime girerek oluşturacağı vibrasyon, bu tip sistemlerde önemli problemlere neden olmaktadır. Düşey boru akışları, slug akımı ile kesikli bir yapı gösterebilmektedir. Slug akımı eksenel simetriye sahip büyük mermi şeklinde gaz kabarcıkları veya Taylor kabarcıkları ile karakterize edilen kesikli akımların bütünü olarak tanımlanmaktadır. Taylor kabarcıkları borunun hemen hemen tamamını kaplayarak üniform bir yapıda hareket etmektedirler. Taylor kabarcığı ile boru cidarı arasında ince bir film şeklinde akış söz konusu olmaktadır. Ancak burada dikkate alınacak atam alanı iki ucu atmosfere açık düşey bir boruya, yanal bir borudan akışın olması halidir. Bu durumda oluşan kısmi dolu akış, kabarcıklı bir akım yapısına sahip olduğu gibi, borunun kalan kısmında hava akışı meydana gelecektir. Akım yerçekimi etkisindedir ve borunun belirli bir yüksekliğine kadar hızlanacak ancak hava ve boru cidarıyla olan sürtünme direnci nedeniyle, sabit bir değere ulaşacaktır. Hızdaki bu değişim borunun tam dolu olması haline göre belirgin olarak farklılık gösterecektir. Kısmi dolulukta düşen akışın, düşey boru boyunca ve boru enkesitlerinde hava-su oranları değişmektedir. Borunun büyük bir kısmında slug atanıma benzer kesikli akışlar söz konusu olabilecektir, böylece üniform olmayan bir düşey atam alanı meydana gelecektir. Bu çalışmada dairesel kesitli bir akış yolunda serbest yüzeyli atam düşüşü sırasında akış yolu boyunca hız ve basınç alanındaki değişim, hava-su fazlan birlikte düşünülerek modellenecektir. Atam tamamiyle türbülanslı karakter taşımaktadır, bu nedenle çok iyi bilinen RNG k-8 modeli, problemin çözümünde ele alınacaktır ve sonlu hacimler yaklaşımı kullanılarak problem modellenecektir. Ancak model, problemin fiziğinin sahip olduğu geometri, hesap alanında dikdörtgen koordinat sistemiyle dönüştürülerek çalıştırılacaktır. Elde edilen sonuçlar konu ile ilgili deneysel verilerle karşılaştırılarak yorumlanmaya çalışılacaktır. Elde edilen veriler yardımıyla, düşey akış sırasında gerek hava, gerekse su akımının hız dağılımı ile basınç dağılımlarının her kesit içinde ve düşey boyunca değişimleri belirlenecektir. Ayrıca akış hızının hangi düşey mesafeden sonra sabit değer ulaştığı ve yine sistemin ne kadar hava çektiği belirlenecektir. Böylece düşey boyunca her bir kesitteki hava- su karışım yüzdeleri de bulunabilecektir.