ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DOKTORA TEZİ Ahmet Alper ÖNER ...

157 Pages·2007·5.69 MB·Turkish

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

DOKTORA TEZİ

Ahmet Alper ÖNER

DAİRESEL KESİTLİ YATAY ELEMANLAR
ETRAFINDAKİ AKIMIN DENEYSEL İNCELENMESİ

İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI

ADANA, 2007
ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

DAİRESEL KESİTLİ YATAY ELEMANLAR ETRAFINDAKİ AKIMIN
DENEYSEL İNCELENMESİ

Ahmet Alper ÖNER

DOKTORA TEZİ

İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI

Bu tez 07/09/2007 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği /
Oyçokluğu İle Kabul Edilmiştir.

İmza:……………………....... İmza:…………………… İmza:………...…...………….
Prof.Dr. M. Salih KIRKGÖZ Prof.Dr. Recep YURTAL Doç.Dr. Mehmet ARDIÇLIOĞLU
DANIŞMAN ÜYE ÜYE

İmza: ………………………………... İmza:…………………...….…….…
Yrd.Doç.Dr. Zeliha SELEK Yrd.Doç.Dr. M. Sami AKÖZ
ÜYE ÜYE

Bu tez Enstitümüz İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalında hazırlanmıştır.
Kod No:

Prof. Dr. Aziz ERTUNÇ
Enstitü Müdürü

Bu Çalışma Çukurova Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi Tarafından
Desteklenmiştir.
Proje No: MMF2004D4

Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak
gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.
ÖZ

DOKTORA TEZİ

DAİRESEL KESİTLİ YATAY ELEMANLAR ETRAFINDAKİ AKIMIN
DENEYSEL İNCELENMESİ

Ahmet Alper ÖNER

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI

Danışman : Prof. Dr M. Salih KIRKGÖZ
Yıl : 2007, Sayfa: 142
Jüri : Prof. Dr M. Salih KIRKGÖZ
Prof. Dr. Recep YURTAL
Doç. Dr. Mehmet ARDIÇLIOĞLU
Yrd. Doç. Dr. Zeliha SELEK
Yrd. Doç. Dr. M. Sami AKÖZ

Akım içerisine batmış iki boyutlu dairesel silindirler yapı elemanı olarak
mühendislik uygulamalarında yaygın olarak kullanılırlar, bu nedenle bu tür küt
cisimlerin akışkan akımı ile etkileşimi konusundaki araştırmalar tasarım amaçları
bakımından önem arz etmektedir. Yatay silindir ile kanal tabanı arasındaki düşey
boşluk mesafesi, silindir etrafındaki akımı etkileyen en önemli parametrelerden
biridir. Bu çalışmada, bir açık kanal içerisindeki D=50 mm çapındaki yatay dairesel
bir silindir etrafındaki akımın hız alanı, yedi farklı boşluk oranı, G/D=0.0, 0.1, 0.2,
0.3, 0.6, 1.0, 2.0, ve Reynolds sayısı Re =4150 ve 9500 değerlerinde, parçacık
D
görüntülemeli hız ölçüm tekniği ile deneysel olarak ölçülmüştür. Farklı Reynolds
sayısı durumları için boşluk oranlarının, hız dağılımı, duvar sınır tabakası ayrılması,
silindir yüzeyindeki durma ve ayrılma noktası pozisyonları ve vorteks kopması
frekansı gibi akım özelliklerine etkisi incelenmiştir. Deneysel bulgular, G/D≥1.0
durumunda silindir etrafındaki akıma tabanın etkisinin ihmal edilebilecek boyutta
olduğunu göstermiştir. Ayrıca, G/D=0.3 ve Re =9500 için silindir etrafındaki akım
D
alanı ANSYS paket programı ile sayısal olarak modellenmiş ve hız dağılımları için
elde edilen bulguların deneysel bulgularla uyumlu olduğu görülmüştür.

Anahtar kelimeler: Düzenli Akım, Dairesel Silindir, Parçacık Görüntülemeli Hız
Ölçüm Tekniği, Duvar Etkisi, Hız Alanı.

I
ABSTRACT

Ph. D. THESIS

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF FLOW AROUND
HORIZANTAL CIRCULAR CYLINDERS

Ahmet Alper ÖNER

DEPARTMENT OF CIVIL ENGINEERING
INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES
UNIVERSITY OF ÇUKUROVA

Supervisor : Prof. Dr. M. Salih KIRKGÖZ
Year : 2007, Pages: 142
Jury : Prof. Dr. M. Salih KIRKGÖZ
Prof. Dr. Recep YURTAL
Assoc. Prof. Dr. Mehmet ARDIÇLIOĞLU
Asst. Prof. Dr. Zeliha SELEK
Asst. Prof. Dr. M. Sami AKÖZ

Two-dimensional submerged circular cylinders are widely used structural
elements in engineering practices, and therefore the studies on the interaction of such
bluff bodies with the fluid flow are important for design considerations. The vertical
gap distance between the horizontal cylinder and a plane boundary is the major
parameter that affects the disturbed flow structure around cylinder. In this study,
using particle image velocimetry technique, experiments are conducted to measure
the velocity field of flow around a horizontal circular cylinder having a diameter of
D=50 mm with seven different gap ratios, G/D=0.0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.6, 1.0, 2.0, and
for two Reynolds number conditions, Re =4150 and 9500. Using the experimental
D
results, the effect of gap ratios for different Reynolds number conditions on the
various properties of the affected flow field such as the velocity distribution around
cylinder, wall boundary layer separation, position of stagnation and separation points
on the cylinder, and the Strouhal number for the vortex shedding frequencies are
investigated. The experimental results indicate that the wall proximity effect on
velocity fields is almost negligible for G/D≥1.0. Additionally, using the ANSYS
program package, numerical analysis is also carried out to compute the velocity field
of flow at G/D=0.3 and Re =9500. The results show that the numerical velocity field
D
is quite in agreement with the experiment.

Keywords: Steady Flow, Circular Cylinder, Particle Image Velocimetry, Wall
Effect, Velocity Field.

II
TEŞEKKÜR

Doktora eğitimim süresince, bilgi ve yardımlarını esirgemeyen ve bana her
türlü desteği sağlayan, değerli hocam, sayın Prof. Dr. M. Salih KIRKGÖZ’e en derin
saygılarımı ve teşekkürlerimi sunarım.
Birlikte çalışma imkanı bulmaktan büyük mutluluk duyduğum, sayın Yrd.
Doç. Dr. M. Sami AKÖZ başta olmak üzere, Ç.Ü. İnşaat Mühendisliği Bölümü
öğretim üye ve yardımcıları ile deneysel çalışmalarım süresince gösterdikleri ilgiden
ötürü Prof. Dr. Beşir ŞAHİN, Doç. Dr. Hüseyin AKILLI ve Yrd. Doç Dr. N. Adil
ÖZTÜRK’e teşekkür ederim.
Manevi desteklerini benden hiçbir zaman esirgemeyen, varlıkları ile bana güç
ve kuvvet katan sevgili aileme minnet dolu teşekkürlerimi sunarım.
III
İÇİNDEKİLER SAYFA

ÖZ.................................................................................................................................I
ABSTRACT.................................................................................................................II
TEŞEKKÜR...............................................................................................................III
İÇİNDEKİLER..........................................................................................................IV
ÇİZELGELER DİZİNİ..............................................................................................VI
ŞEKİLLER DİZİNİ...................................................................................................VII
SİMGELER VE KISALTMALAR............................................................................XI
1. GİRİŞ.......................................................................................................................1
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR........................................................................................6
3. DENEY DÜZENEĞİ ve YÖNTEM......................................................................16
3.1. Deney Düzeneği.............................................................................................16
3.2. Parçacık Görüntülemeli Hız Ölçüm (PIV) Tekniği ile Akım
Hızının Ölçülmesi..........................................................................................20
4. SİLİNDİR ETRAFINDAKİ AKIMIN CFD MODELLEMESİ............................24
4.1. Temel Denklemler..........................................................................................24
4.2. Türbülans Modelleri.......................................................................................25
4.3. Çözüm Bölgesi ve Sınır Şartları.....................................................................27
4.4. Sonlu Elemanlar Hesap Ağı...........................................................................28
5. BULGULAR VE TARTIŞMA..............................................................................30
5.1. Deneysel Bulgular..........................................................................................30
5.1.1. Hız Vektörleri ve Akım Çizgileri Deseni.............................................31
5.1.1.1. Silindir Etrafındaki Sınır Tabakası Ayrılma Açıları................33
5.1.1.2. Durma Noktası Açıları............................................................61
5.1.2. Yatay Hız Dağılımları..........................................................................62
5.1.3. Silindir Üzerinde Teğetsel Hız Profilleri.............................................78
5.1.4. Tabanda ve Silindir Üzerinde Sınır Tabakası ve Kayma Gerilmesi..104
5.1.5. Silindir Arkasında Anlık Akım Çizgileri ve Vorteks Kopması.........114
5.2. Sayısal Model Bulguları ve Deneylerle Karşılaştırma.................................119
5.2.1. Akım Çizgileri Deseni........................................................................119
IV
5.2.2. Hız Dağılımları...................................................................................124
5.2.3. Anlık Akım Çizgileri ve Vorteks Kopması........................................129
6. SONUÇLAR........................................................................................................136
KAYNAKLAR........................................................................................................139
ÖZGEÇMİŞ.............................................................................................................143
V
ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA

Çizelge 1.1. Silindir etrafındaki akım karakteristik özellikleri....................................3
Çizelge 5.1. Silindir etrafındaki sınır tabakası ayrılma açıları (θ )............................34
a
Çizelge 5.2. Vorteks merkezlerinin koordinatları....................................................123
Çizelge 3.3. Deney düzeneğinin şematik gösterimi...................................................18
Çizelge 3.4. Test alanının şematik görünümü............................................................19

VI
ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA

Şekil 1.1. Akım alanı içerisindeki silindirden etkilenen farklı bölgeler......................2
Şekil 3.1. Deney kanalının genel görünümü..............................................................16
Şekil 3.2. Deney kanalının şematik görünümü..........................................................17
Şekil 3.3. Deney düzeneğinin şematik gösterimi.......................................................18
Şekil 3.4. Test alanının şematik görünümü................................................................19
Şekil 3.5. PIV deney düzeneği...................................................................................21
Şekil 3.6. Silindir üzerinde (a) anlık kamera görüntüsü ve (b) kros-
korelasyon işleminden sonraki ham vektör alanı......................................22
Şekil 3.7. İşlenmiş vektör alanı..................................................................................23
Şekil 4.1. Sayısal hesaplama bölgesi ve sınır şartları................................................27
Şekil 4.2. Silindir etrafındaki sonlu elemanlar ağı ile eleman sayıları......................28
Şekil 4.3. Uygulanan ağ yapıları ve silindir etrafındaki minimum eleman
boyutları....................................................................................................34
Şekil 5.1. Silindirin Olduğu Noktada, Silindir Olmadan Elde Edilen
Hız Dağılımları..........................................................................................31
Şekil 5.2. G/D=0.0 için silindir membasındaki hız vektörleri ve akım çizgileri.......35
Şekil 5.3. G/D=0.0 için silindir mansabındaki hız vektörleri ve akım çizgileri........36
Şekil 5.4. G/D=0.0 için silindir üzerindeki hız vektörleri ve akım çizgileri..............37
Şekil 5.5. G/D=0.1 için silindir membasındaki hız vektörleri ve akım çizgileri.......38
Şekil 5.6. G/D=0.1 için silindir mansabındaki hız vektörleri ve akım çizgileri........39
Şekil 5.7. G/D=0.1 için silindir üzerindeki hız vektörleri ve akım çizgileri..............40
Şekil 5.8. G/D=0.2 için silindir membasındaki hız vektörleri ve akım çizgileri.......41
Şekil 5.9. G/D=0.2 için silindir mansabındaki hız vektörleri ve akım çizgileri........42
Şekil 5.10. G/D=0.2 için silindir üzerindeki hız vektörleri ve akım çizgileri............43
Şekil 5.11. G/D=0.2 için silindir altındaki hız vektörleri ve akım çizgileri...............44
Şekil 5.12. G/D=0.3 için silindir membasındaki hız vektörleri ve akım çizgileri.....45
Şekil 5.13. G/D=0.3 için silindir mansabındaki hız vektörleri ve akım çizgileri......46
Şekil 5.14. G/D=0.3 için silindir üzerindeki hız vektörleri ve akım çizgileri............47
Şekil 5.15. G/D=0.3 için silindir altındaki hız vektörleri ve akım çizgileri...............48
VII
Şekil 5.16. G/D=0.6 için silindir membasındaki hız vektörleri ve akım çizgileri.....49
Şekil 5.17. G/D=0.6 için silindir mansabındaki hız vektörleri ve akım çizgileri......50
Şekil 5.18. G/D=0.6 için silindir üzerindeki hız vektörleri ve akım çizgileri............51
Şekil 5.19. G/D=0.6 için silindir altındaki hız vektörleri ve akım çizgileri...............52
Şekil 5.20. G/D=1.0 için silindir membasındaki hız vektörleri ve akım çizgileri.....53
Şekil 5.21. G/D=1.0 için silindir mansabındaki hız vektörleri ve akım çizgileri......54
Şekil 5.22. G/D=1.0 için silindir üzerindeki hız vektörleri ve akım çizgileri............55
Şekil 5.23. G/D=1.0 için silindir altındaki hız vektörleri ve akım çizgileri...............56
Şekil 5.24. G/D=2.0 için silindir membasındaki hız vektörleri ve akım çizgileri.....57
Şekil 5.25. G/D=2.0 için silindir mansabındaki hız vektörleri ve akım çizgileri......58
Şekil 5.26. G/D=2.0 için silindir üzerindeki hız vektörleri ve akım çizgileri............59
Şekil 5.27. G/D=2.0 için silindir altındaki hız vektörleri ve akım çizgileri...............60
Şekil 5.28. Farklı boşluk oranları için, durma noktası açısının değişimi...................61
Şekil 5.29. Yatay hız dağılımlarının verildiği kesitler...............................................62
Şekil 5.30. G/D=0.0 ve Re =4150 için yatay hız dağılımları....................................64
D
Şekil 5.31. G/D=0.0 ve Re =9500 için yatay hız dağılımları....................................65
D
Şekil 5.32. G/D=0.1 ve Re =4150 için yatay hız dağılımları....................................66
D
Şekil 5.33. G/D=0.1 ve Re =9500 için yatay hız dağılımları....................................67
D
Şekil 5.34. G/D=0.2 ve Re =4150 için yatay hız dağılımları....................................68
D
Şekil 5.35. G/D=0.2 ve Re =9500 için yatay hız dağılımları....................................69
D
Şekil 5.36. G/D=0.3 ve Re =4150 için yatay hız dağılımları....................................70
D
Şekil 5.37. G/D=0.3 ve Re =9500 için yatay hız dağılımları....................................71
D
Şekil 5.38. G/D=0.6 ve Re =4150 için yatay hız dağılımları....................................72
D
Şekil 5.39. G/D=0.6 ve Re =9500 için yatay hız dağılımları....................................73
D
Şekil 5.40. G/D=1.0 ve Re =4150 için yatay hız dağılımları....................................74
D
Şekil 5.41. G/D=1.0 ve Re =9500 için yatay hız dağılımları....................................75
D
Şekil 5.42. G/D=2.0 ve Re =4150 için yatay hız dağılımları....................................76
D
Şekil 5.43. G/D=2.0 ve Re =9500 için yatay hız dağılımları....................................77
D
Şekil 5.44. Silindir etrafında teğetsel hız bileşeni (u )..............................................78
T
Şekil 5.45. G/D=0.0 ve Re =4150 için silindir etrafındaki farklı açlarda, teğetsel
D
hız bileşeni dağılımları............................................................................80
VIII