Microscale cavitating flow patterns and spray characteristics with applications
Mikro boyutlu kavitasyon akış modelleri ve sprey özellikleri ile uygulamaları
- Tez No: 459043
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİ KOŞAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Mechanical Engineering, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 172
Özet
Kavitasyon olayı nedeniyle kısa mikro / mini deliklerin çıkışında oluşan püskürtme oluşumu, biyomedikal ve mühendislik uygulamalarında büyük önem taşımaktadır. Son zamanlarda yapılan çalışmalar, mikro alanlarda oluşturulan kavitasyon kabarcıklarının çökmesinden çıkan enerjinin hedeflenen yüzeylerde tahrip edici etkisini göstermektedir. Kavitasyon olayı, akış sınırlayıcı unsurlar içindeki düşük yerel basınçlarda ortaya çıkar ve mikro kanallardaki sıvı akış rejimlerini sprey oluşumuyla sonuçlanan şiddetle etkiler. Mikro kanalın çıkışına doğru uzatılmış kavitasyon kabarcıkları, damla gelişimi ve sprey parçalanması, sprey yapısında dikkate alınması gereken önemli mekanizmalardır. Bu çalışmada, kısa mikro / mini kanalların çıkışında sprey oluşumu ve atomizasyon, kabarcık ve damlacık gelişimi, parçalanma ve bunlara karşılık gelen kavitasyon akışı, farklı fiziksel ve termodinamik koşullarda tartışılmıştır. Mikro / mini kanal konfigürasyonlarındaki kavitasyon olayı sayısal olarak ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Bu çalışmanın sonuçları, mikro kanallarda statik basıncın çok düşük bir gerilime (çekme gerilmesi) düştüğünü, mini kanallardaki minimum statik basıncın buhar doyum basıncına eşit olduğunu ve özellikle de mikro kanal çıkışında daha yüksek hız büyüklüklerine sahip olduğunu göstermektedir. Daha yukarı akış basınçlarında kavitasyon akışı, mikro / mini kanalın uzunluğu boyunca uzanır ve böylece çıkışta çökme olasılığı artar. Türbülans ile ilişkili enerjinin etkisi üzerine ayrıntılı bir çalışma, mikro / mini kanallar için yüksek Reynolds sayılarıyla araştırılmış ve etkileri, kanalların çeşitli yerlerinde, duvar kayması gerilmesi, türbülans kinetik enerjisi ve ortalama hız kullanılarak analiz edilmiştir. Mikro ve mini / makro ölçeklerde kanalların çıkışında ortaya çıkan spreyler arasındaki akış rejimi üzerinde önemli bir fark olduğunu buluyoruz. Püskürtme ağzı çıkışındaki püskürtme, ayrılmış damlacık / kabarcıklarla konik bir şekle sahiptir; ancak ilginç bir şekilde, püskürtme şekli, aynı termo-fiziksel koşullarda püskürtme jeti akış rejimini sunan makro ölçekte tamamen farklıdır. Düşük maliyetli ve temiz bir sistemdeki hidrodinamik kavitasyonun yardımıyla püskürtme jetinin, soğutma uygulamalarında püskürtme jetinin ortak kullanımından farklı olarak ısı üretme kabiliyetine sahip olduğunu gösterdik. Ortaya çıkan sprey, mikro / mini kanallardaki mikro boyuttaki kavitasyon akışının etkisindedir ve makro ölçekte yazışmalara kıyasla çok daha şiddetlidir. Sprey uygulanan siyah kaplı bir alüminyum plakadaki sıcaklık ölçümleri ilginç bir şekilde belirli bir mikro kanal için önemli bir artış göstermektedir. Bu sıcaklık artışı, potansiyel olarak basit bir enerji dönüştürme cihazı ile minyatür elektrikli cihazlarda bir güç kaynağı olarak kullanılabilir. Burada, mikro / mini ölçekli kavitasyon akışı, sprey ortaya çıkışı ve katı cisim ile etkileşimi ile mikro / mini kanaldaki kavitasyon akışının fiziği ve ortaya çıkan sprey yapısı ile olan ilişkisi hakkındaki bulgularımızı artıracak olan sayısal ve deneysel sonuçların eksiksiz bir dizisi sunulmaktadır.
Özet (Çeviri)
Spray formation occurring at the outlet of short micro/mini-ori ces due to the cavitation phenomenon is of great importance in biomedical and engineering applications. Recent studies show the destructive effect of the energy released from the collapse of cavitation bubbles, which are generated in micro domains, on the targeted surfaces. The cavitation phenomenon occurs at low local pressures within ow restrictive elements and strongly affects uid ow regimes inside micro-channels which results in spray formation. Extended cavitation bubbles toward the outlet of the micro-channel, droplet evolution, and spray breakup are among crucial mechanisms to be considered in spray structure. In this study, spray formation and atomization, bubble and droplet evolution, break-up, and corresponding cavitating ow at the outlet of short micro/mini-channels are discussed at different physical and thermo-dynamical conditions. Cavitation phenomenon inside micro/mini-channel configurations are numerically investigated in detail. The results of this study show that the static pressure drops down to a very low magnitude (tensile stress) in microchannels while the minimum static pressure in mini-channels is found to be equal to vapor saturation pressure, and higher velocity magnitudes particularly at the outlet are visible in the micro-channels. It is shown that for higher upstream pressures, the cavitating ow extends over the length of the micro/mini-channel thereby increasing the possibility of collapse at the outlet. A detailed study on the effect of energy associated with turbulence is investigated at high Reynolds numbers for both micro/mini-channels and its impact is analyzed using wall shear stress, turbulence kinetic energy and mean velocity at various locations of the channels. We find that there is a considerable difference on the ow regime between the emerging sprays at the outlet of the channels in micro and mini/macro scales. The spray at the outlet of nozzle has a conical shape with separated droplet/bubbles, however, interestingly the spray shape entirly differs in macro scale presenting spray jet ow regime at the same thermo-physical conditions. We showed that with the aid of the hydrodynamic cavitation in a low-cost and clean system, the spray jet has the capability of heat generation in contrast to the common use of spray jet in the cooling applications. The emerging spray is under the effect of the micro scale cavitating ow inside the micro/mini-channels which is much more intense in comparison to its correspondence at macro scale. The temperature measurements on a black-covered aluminum plate subjected to the spray interestingly show a considerable increase for a specific micro-channel. This temperature rise would be potentially utilized as a power source in miniature electric appliances with a simple energy conversion device. Herein, we present a complete set of numerical and experimental results on the micro/mini scale cavitating ow, spray emergence and its interaction with a solid body which will increase our understanding about the physics of the cavitating ow inside the micro/mini-channel and its relation with the emerging spray structure.
Benzer Tezler
- Flow evolution of hydrodynamic cavitation on chip concept
Hidrodinamik kavitasyonun çip üzerindeki akış evrimi
FARZAD ROKHSAR TALABAZAR
Doktora
İngilizce
2023
Bilim ve TeknolojiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ KOŞAR
DR. ÖĞR. ÜYESİ MORTEZA GHORBANI
- Design and engineering of slippery liquid-infused porous surfaces by LbL technique for icephobic surfaces and hydrodynamic cavitation
Buzfobik yüzeyler ve hidrodinamik kavitasyon için LbL tekniği ile kaygan sıvı doldurulmuş gözenekli yüzeylerin tasarımı ve mühendisliği
ARAZ SHEIBANI AGHDAM
Doktora
İngilizce
2020
Mühendislik BilimleriSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FEVZİ ÇAKMAK CEBECİ
- Acoustic and pressure signature of hc-on-a-chip devices
Çip üstü hidrodinamik kavitasyon cı̇hazlarının akustı̇k ve basınç ı̇mzası
ERÇİL TOYRAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMühendislik ve Doğa Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ KOŞAR
- Microscale hydrodynamic cavitation and its biomedical applications
Mikro ölçekte hidrodinamik kavitasyon ve biyomedikal uygulamaları
OSMAN YAVUZ PERK
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ KOŞAR
- Spray formation under the effect of micro scale cavitation and its biomedical applications
Mikro ölçekli kavitasyon etkisi altında sprey oluşumu ve biyomedikal uygulamaları
TAHER ABBASIASL
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Makine MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. ALİ KOŞAR
Dr. MORTEZA GHORBANI