Experimental and numerical investigation of roughness and temperature effects on drag reduction and mean velocity profiles in pipes
Pürüzlülük ve sıcaklığın borularda sürtünme azalması ve ortalama hız profilleri üzerindeki etkilerinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
- Tez No: 1022497
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET SORGUN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Sürtünme azalması, polimer çözeltileri, türbülanslı boru akışı, pürüzlü boru, sürtünme faktörü, ortalama hız profili, OpenFOAM, Drag reduction, polymer solutions, turbulent pipe flow, rough pipe, friction factor, mean velocity profile, OpenFOAM
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İzmir Katip Çelebi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasında, suyun ve polimer bazlı Newtonyen olmayan akışkanların pürüzsüz ve pürüzlü borulardaki türbülanslı akışı, farklı sıcaklık koşulları altında sürüklenme azalması, sürtünme faktörü ve ortalama hız profillerinin belirlenmesine odaklanılarak incelenmiştir. Polimer türü, konsantrasyon, sıcaklık, debi ve boru pürüzlülüğünün etkileri deneysel ölçümler ve sayısal simülasyonlar yoluyla değerlendirilmiştir. Deneysel çalışma, polimer katkı maddeleri olarak Kısmen Hidrolize Poliakrilamid (PHPA), Ksantan Gam (XG) ve Karboksimetil Selüloz (CMC) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Deneyler, 25°C, 45°C ve 55°C sıcaklıklarda, 20-80 m³/h debi aralığında, 80 mm düz boruda ve 50 mm ile 80 mm pürüzlü borularda yürütülmüştür. Deneysel sonuçlar, polimer ilavesinin hem pürüzsüz hem de pürüzlü borularda basınç kaybını ve sürtünme faktörünü azalttığını göstermiştir. Bununla birlikte, sürüklenme azalması pürüzsüz borularda daha etkili olmuş, boru pürüzlülüğü ise duvar yakınındaki hız dağılımını etkileyerek performansı azaltmıştır. Test edilen polimerler arasında PHPA en yüksek sürüklenme azalması performansını göstermiş, bunu XG ve CMC izlemiştir. Polimer türüne ve boru koşuluna bağlı olarak, artan polimer konsantrasyonu ve sıcaklık genel olarak sürüklenme azalmasını iyileştirmiştir. Sonuçlar ayrıca, viskoz alt tabaka kalınlığı ile pürüzlülük yüksekliği arasındaki ilişkinin pürüzlü borularda sürüklenme azalması verimliliğinin belirlenmesinde önemli bir rol oynadığını göstermiştir. Basınç kaybı ve sürtünme davranışının deneysel değerlendirilmesine ek olarak, sürüklenme azalması davranışının yorumlanmasını desteklemek ve sonuçları Virk'in Maksimum Sürüklenme Azalması asimptotu ile karşılaştırmak için sayısal simülasyonlardan ortalama hız profilleri elde edilmiştir. Sayısal simülasyonlar OpenFOAM kullanılarak gerçekleştirilmiş ve model, hem su hem de Newtonyen olmayan polimer çözeltileri için deneysel ölçümlerle yapılan basınç gradyanı karşılaştırmaları yoluyla doğrulanmıştır. Sayısal modelden su için elde edilen boyutsuz ortalama hız profilleri ayrıca teorik duvar kanunu ile karşılaştırılmıştır. Sayısal model, %10.38 AAPE değeri ile deneysel sonuçlarla iyi bir uyum göstermiştir. Simüle edilen boyutsuz hız profilleri, deneysel sürüklenme azalması eğilimleriyle tutarlı olmuş ve profillerin pürüzsüz borularda pürüzlü borulara kıyasla Virk asimptotuna daha belirgin şekilde yaklaştığını göstermiştir. Sürtünme faktörünü etkileyen boyutsuz parametreleri belirlemek amacıyla boyutsal analiz yapılmıştır. Bu çalışma, Herschel–Bulkley akışkanları için sıcaklık, pürüzlülük ve konsantrasyon etkilerini içeren ampirik bir sürtünme faktörü korelasyonu geliştiren ve 680'den fazla deneysel veri noktasını kullanan ilk çalışma olmuştur. Önerilen korelasyon, sürtünme faktörünü kabul edilebilir doğrulukla tahmin etmiş ve R² değeri 0.88, AAPE değeri ise %7.09 olarak elde edilmiştir. Genel olarak, bu tez türbülanslı boru akışında sürüklenme azalmasının polimer türü, konsantrasyon, sıcaklık, debi ve duvar pürüzlülüğü etkileri tarafından yönetildiğini göstermiştir. Bulgular, polimer bazlı akışkanların pürüzsüz ve pürüzlü boru sistemlerindeki davranışını anlamak ve tahmin etmek için deneysel ve sayısal bir temel sağlamıştır.
Özet (Çeviri)
In this thesis, the turbulent flow of water and polymer-based non-Newtonian fluids in smooth and rough pipes was investigated, focusing on the determination of drag reduction, friction factor, and mean velocity profiles under various temperature conditions. The effects of polymer type, concentration, temperature, flow rate, and pipe roughness were examined through experimental measurements and numerical simulations. The experimental study was carried out using Partially Hydrolyzed Polyacrylamide (PHPA), Xanthan Gum (XG), and Carboxymethyl Cellulose (CMC) as polymer additives. Experiments were conducted at 25°C, 45°C, and 55°C over a flow rate range of 20-80 m³/h in an 80 mm smooth pipe and in 50 mm and 80 mm rough pipes. The experimental results showed that polymer addition reduced pressure loss and friction factor in both smooth and rough pipes. However, drag reduction was more effective in smooth pipes, whereas pipe roughness reduced the performance by affecting the velocity distribution near the wall. Among the tested polymers, PHPA showed the highest drag reduction performance, followed by XG and CMC. Increasing polymer concentration and temperature generally improved drag reduction, depending on polymer type and pipe condition. The results also indicated that the relationship between viscous sublayer thickness and roughness height plays an important role in determining drag reduction efficiency in rough pipes. In addition to the experimental evaluation of pressure loss and friction behavior, mean velocity profiles were obtained from numerical simulations to support the interpretation of drag reduction behavior and to compare the results with Virk's Maximum Drag Reduction asymptote. The numerical simulations were performed using OpenFOAM, and the model was validated through pressure gradient comparisons with the experimental measurements for both water and non-Newtonian polymer solutions. The dimensionless mean velocity profiles obtained from the numerical model for water were also compared with the theoretical law of the wall. The numerical model showed good agreement with the experimental results, with an AAPE of 10.38%. The simulated dimensionless velocity profiles were consistent with the experimental drag reduction trends and showed that the profiles approached Virk's asymptote more clearly in smooth pipes than in rough pipes. Dimensional analysis was performed to determine the dimensionless parameters affecting the friction factor. This was the first study to develop an empirical friction factor correlation including temperature, roughness and concentration effects for Herschel-Bulkley fluids using more than 680 experimental data points. The proposed correlation predicted the friction factor with acceptable accuracy, giving an R² value of 0.88 and an AAPE of 7.09%. In general, this thesis demonstrated that drag reduction in turbulent pipe flow is governed by the effects of polymer type, concentration, temperature, flow rate, and wall roughness. The findings provided an experimental and numerical basis for understanding and predicting the behavior of polymer-based fluids in smooth and rough pipe systems.
Benzer Tezler
- Farklı yüzeyler ve eğim açılarında durgun damlacık buharlaşmasının deneysel, sayısal ve analitik olarak incelenmesi
Experimental, numerical and analytical investigation of sessile droplet evaporation on different surfaces and inclination angles
ATALAY YILDIRIM
Doktora
Türkçe
2025
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZDEN AĞRA
- Numerical and experimental investigation of boundary layer transition with active and passive flow control methods
Sınır tabaka geçişinin aktif ve pasif akış kontrol yöntemleriyle sayısal ve deneysel incelenmesi
ABDUSSAMET SUBAŞI
Doktora
İngilizce
2017
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN GÜNEŞ
- Inconel 625 süperalaşımın ısı destekli işlenmesinde kesme performansının deneysel istatistiksel ve nümerik olarak araştırılması
Experimental statistical and numerical investigation of cutting performance in heat assisted machining of inconel 625 superalloy
HAFIZ ŞENER
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Makine MühendisliğiAksaray Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MAHİR AKGÜN
- CaCO3 çökelmesinin çatlaklı ortamda akış davranışına etkilerinin incelenmesi
Investigation of CaCO3 precipitation's impact on flow behavior in fractured models
EDA AY DİLSİZ
Doktora
Türkçe
2023
Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPetrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İBRAHİM METİN MIHÇAKAN
- Lineer keçelerde u-ring dudak geometrilerinin sürtünme kuvvetine olan etkisinin numerik analiz ile incelenmesi
Numerical investigation of effect of the linear u-ring lip seal geometry on friction force
BERKEM KOŞMA
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. VEDAT TEMİZ