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
- Tez No: 467187
- Danışmanlar: PROF. DR. HASAN GÜNEŞ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 160
Özet
Kara, hava ve deniz taşıtlarından binalara ve akım makinalarına kadar birçok mühendislik uygulamasında cisimlerin bir akış ortamı içinde bulunması nedeniyle akış kaynaklı titreşimler ve cismin akış içerisinde ilerlemesine karşı gösterilen direnç gibi çeşitli akış kaynaklı problemlerle sıkça karşılaşılmaktadır. Bu nedenle akış kaynaklı problemlerin ortadan kaldırılması ya da etkilerinin azaltılması sürekli geliştirme ihtiyacı duyulan önemli bir mühendislik problemidir. Ayrıca dış akışın daha iyi anlaşılması da çoğu mühendislik sisteminin tasarımında önemlidir. Örneğin; herhangi bir hava taşıtının özgül yakıt tüketimi, ona etki eden direnç ile doğrudan ilgilidir ve direnç kuvvetinin artması yakıt tüketiminde neden olduğu artıştan dolayı istenmeyen bir durumdur. Ayrıca bir taşıta etki eden direnç kuvvetinin azaltılması sadece o taşıtın yakıt tüketiminin ve dolayısıyla maliyetin azalmasına neden olmaz aynı zamanda taşıtın performansını da arttırır ve taşıt tarafından atmosfere salınan emisyonların da azalmasına neden olur. Bu nedenle direncin azaltılması günümüzün önemli araştırma konularından biridir ve küresel iklim değişikliği ve sınırlı petrol kaynakları ile ilgili endişelerden dolayı önemi de her geçen gün artmaktadır. Bu konunun önemini bazı istatistiksel veriler ışığında daha iyi anlamak mümkündür. Küresel CO2 emisyonlarının yüzde otuzu sivil havacılık, karayolu ve denizyolu taşımacılığından kaynaklanmaktadır. Ayrıca 2002 yılında küresel yakıt tüketimi sadece havacılık sektöründe yaklaşık 155 milyon ton olarak gerçekleşmiştir ve bu değerin 2030 yılında yaklaşık 400 milyon tona ulaşacağı tahmin edilmektedir. Yakıt tüketiminde meydana gelen bu denli bir artış, atmosfere salınan 1250 milyon ton CO2 emisyonuna tekabül etmektedir. Bununla birlikte seyir koşullarındaki bir jet uçağına etki eden direncin %1 oranında azaltılması ile yakıt tüketiminde yaklaşık %0.75'lik ve dolayısıyla da atmosfere salınan CO2 emisyonunda da 9 milyon tonluk bir azalma meydana gelmektedir. Ayrıca 2020 yılına kadar CO2 emisyonlarının 2000 yılındaki seviyesine göre %50 oranında azaltılması da Avrupa Birliği'nin gerçekleştirmeyi son derece arzu ettiği hedefleri arasındadır. Modern bir uçağın toplam direnci çeşitli bileşenlerden oluşsa da toplam direncin yaklaşık %60'ını oluşturan sürtünme direnci diğer bileşenler arasında toplam direncin azaltılmasında en büyük potansiyele sahip olan bileşendir. Ayrıca akışın laminardan türbülansa geçişinin geciktirilmesiyle ortalama sürtünme direncinde bir azalma sağlamak da mümkündür. Çünkü türbülanslı sınır tabakada oluşan yoğun karışımdan dolayı yüzey sürtünmesi; türbülanslı akışta, laminar akışta olduğundan çok daha büyüktür yani toplam yüzey sürtünmesi laminar akıştan türbülanslı akışa geçiş noktasının yerinden büyük ölçüde etkilenmektedir. Akışın laminardan türbülansa geçişi farklı uygulamalarda farklı şekillerde gerçekleşmekle birlikte; akışın temas ettiği yüzeyin pürüzlülüğü, kötü huylu basınç gradyeni ve serbest akımın türbülans şiddeti geçişe etki eden en önemli faktörler arasındadır. Bu faktörleri temel teşkil eden akış kontrol yöntemleri kullanılarak türbülansa geçişin geciktirilmesi ve dolayısıyla sürtünmenin azaltılması da mümkündür. Ayrıca laminardan türbülansa geçiş mekanizmasının doğasının bilinmesi, türbülansa geçiş noktasının önceden belirlenebilmesi ve geçisin kontrol edilebilmesi çoğu mühendislik uygulamasında önem taşımaktadır. Bununla birlikte bilinen süreçlerin altında yatan birçok sebep hâlâ tam olarak anlaşılamadığından, laminardan türbülansa geçiş ve akış ayrılması mekanizmaları halen detaylı olarak incelenmektedir. Sonunda laminar bozulmaya neden olan kararsızlık mekanizmalarının anlaşılması, laminardan türbülanslı akışa geçişi engellemek ve laminar akış bölgesini uzatmak için geliştirilmiş akış kontrol teknikleri için de temel teşkil etmektedir. Akış kontrol yöntemleri, aktif ve pasif olmak üzere iki gruba ayrılmaktadır. Pasif yöntemlerde ilave bir güç kullanılmaksızın sisteme çeşitli düzeneklerin ilave edilmesi söz konusu iken, aktif yöntemlerde ise harici bir enerji girdisi gereklidir. Ayırıcı plaka, küçük bir kontrol çubuğu, yüzey pürüzlülüğünün değiştirilmesi ve yivli (veya çıkıntılı) yüzeyler pasif akış kontrol yöntemlerine; akış içine yapılan üfleme ve emme, ısıtma ve soğutma, mikro-kabarcık ya da parçacık gönderme, akustik uyarma, dönen veya salınım yapan cisim, hareketli duvar ve elektromanyetik kuvvetlerin oluşturulması ise aktif akış kontrol yöntemlerine örnek olarak verilebilir. Pasif akış kontrolünde, ilave güç gereksinimi olmaması, kullanılan düzeneklerin basit olması ve üretimlerinin düşük maliyetle gerçekleştirilebilmesine karşın bazı önemli dezavantajları vardır. Örneğin, pasif akış kontrol elemanları çoklu uçuş koşullarına (yere inme, kalkış, manevra vb.) göre optimize edilemezler ve ihtiyaç duyulmadıkları daimi seyir koşullarında ilave sürüklenme etkisi meydana getirirler. Aktif kontrol ile daha pahalı ve karmaşık yapılar kullanılarak bu olumsuzlukların üstesinden gelinebilir ve uçuşun genel performansı arttırılabilir. Bu çalışmada biri aktif diğeri de pasif olmak üzere iki farklı akış kontrol yöntemi düz bir plaka üzerindeki akışa uygulanmıştır. Çalışmanın ilk kısmında, aktif akış kontrol yöntemlerinden biri olan cidar ısıtması ve soğutmasının 2 m uzunluğundaki düz bir plaka üzerindeki akışın laminardan türbülansa geçişine ve toplam sürtünmenin azaltılmasına olan etkileri iki ve üç boyutlu Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) simülasyonları ile parametrik olarak incelenmiştir. Cidar ısıtması ve soğutması düz plaka yüzeyinde çeşitli konumlara gömülerek yerleştirilen ısıtıcı/soğutucu şeritler tarafından sağlanmıştır. Simülasyonlar sonlu hacimler tabanlı ANSYS-FLUENT yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Nihai simülasyonları yapmadan önce ağdan bağımsız ve yeterli hassasiyette sahip sonuçlar elde edebilmek için çözüm ağı optimizasyonu yapılmıştır. Ayrıca Reynolds ortalamalı Navier-Stokes denklemlerine (RANS) dayalı çeşitli türbülans modellerinin sonuçlara olan etkileri de incelenmiş ve nihai simülasyonlarda laminardan türbülansa geçişi belirleyebilmedeki üstünlüğü nedeniyle Menter'in SST türbülans-geçiş modeli tercih edilmiştir. Elde edilen sonuçlar literatürdeki deneysel, sayısal ve ampirik ifadelerle karşılaştırılarak bu çalışmada kullanılan sayısal yöntemin geçerliliği gösterilmiştir. Serbest akımın türbülans şiddeti, yüzey sıcaklığı, ısıtıcı/soğutucu şeritlerin uzunluğu gibi seçilen tasarım ve akış parametrelerinin ve kısmi ısıtma, ikili ısıtma, çoklu ısıtma ve kısmi soğutma durumlarının akışın türbülansa geçişine ve sürtünmenin azaltılmasına olan etkileri parametrik olarak incelenmiştir. İncelen durumlar arasında akışın laminardan türbülansa geçişi çeşitli oranlarda geciktirdiği ve dolayısıyla toplam sürtünme direncinin azaltıldığı uygulamalar çoğunlukta olsa da türbülansa geçişi tetikleyen ve daha önce gerçekleşmesine sebebiyet veren durumlarla da karşılaşılmıştır. Ayrıca bazı durumlarda daha az enerji girdisi ile daha etkili sonuçlar elde edilebileceği de tespit edilmiş ve bu nedenle akış kontrol parametrelerinin, kontrolünün uygulanacağı duruma göre optimize edilmesi gerekliliği ortaya konmuştur. Sonuç olarak aktif akış kontrol yöntemlerinden olan cidar ısıtması ve soğutmasının sürtünmenin azaltılmasında etkili birer yöntem olduğu fakat ilave enerji girdisi gerektirdiği için ek bir maliyete neden olduğu ve dolayısıyla maliyetin ikinci planda olduğu uygulamalarda kullanılabilecekleri gösterilmiştir. Çalışmanın ikinci kısmında ise pasif akış kontrol yöntemlerinden biri olan pürüzlülük elemanı kullanımının akışın kararlılığına olan etkileri deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Bu bağlamda, düz bir plaka üzerine yerleştirilen üç boyutlu dikdörtgenler prizması şeklindeki bir pürüzlülük elemanı tarafından uyarılan sınır tabaka akışının kararlılığı bir dizi BiGlobal Doğrusal Kararlılık analizi ile parametrik olarak araştırılmıştır. Simülasyonlarda pürüzlülük elemanının en-boy oranı ve Reynolds sayısı değiştirilerek kararsızlık mekanizmasına ve oluşan modlara olan etkileri incelenmiştir. Kararlılık analizini gerçekleştirmek için gerekli olan baz akış sonlu hacimler tabanlı ANSYS-FLUENT yazılımı kullanılarak elde edilmiştir. Baz akış hesaplamaları zamandan bağımsız ve laminar olarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen baz akış çözümlerini ağdan bağımsız olarak elde edebilmek için farklı eleman sayısına sahip ağlar için analizler yapmak suretiyle geniş bir çözüm ağı analizi yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar Stuttgart Üniversitesi Aerodinamik ve Gaz Dinamiği Enstitüsü'nde bulunan Laminar Su Kanalı'nda gerçekleştirilen bir dizi hız ölçümü ve hidrojen kabarcığı ile yapılan akış görüntüleme deneyleri kullanılarak doğrulanmıştır. Deneysel ve sayısal sonuçlar arasında bir uygum elde edildikten sonra pürüzlülük elemanlarının arkasında meydana gelen kararsızlık mekanizmalarını incelemek için BiGlobal Doğrusal Kararlılık analizleri yapılmıştır. Kararlılık analizlerini gerçekleştirmeden önce baz akışta olduğu gibi çözüm ağı optimizasyonu yapılmıştır. Kararlılık analizi simülasyonları Aerodinamik ve Gaz Dinamiği Enstitüsü'nde geliştirilen kod ile gerçekleştirilmiştir. İncelenen durumlar için elde edilen baz akış sonuçları dikkate alındığında pürüzlülük elemanının en-boy oranının, elemanının önünde ve arkasında meydana gelen ters akış bölgelerinin şeklinde ve uzunluğunda kayda değer bir etkiye neden olduğu, Reynolds sayısındaki değişimin ise çok fazla etki etmediği görülmüştür. Ayrıca at nalı şeklindeki vortekslere bu çalışma kapsamındaki tüm incelemelerde rastlanmıştır. Bu at nalı vortekslerin bacakları kaldırma etkisi olarak adlandırılan bir mekanizma ile düşük ve yüksek hızlı streaklerin oluşumuna neden olmaktadır. Oluşan bu yapıların paternlerinin incelenen her durumda aynı olduğu fakat bu yapıların genlikleri ve akış yönünde ne kadar uzadığı pürüzlülük elemanının en-boy oranına ve Reynolds sayısına bağlı olarak değişim gösterdiği gözlenmiştir. BiGlobal Doğrusal Kararlılık analizi sonucunda düz bir levha üzerine yerleştirilen üç boyutlu dikdörtgen pürüzlülük elemanının akışa dik doğrultudaki durumlarına göre simetrik ve asimetrik olarak adlandırılan çeşitli kararsızlık modlarının oluşumuna yol açtığı görülmüştür. Bu modların akış yönündeki gelişiminin ise Reynolds sayısına ve pürüzlülük elemanının en-boy oranına göre değişiklik gösterdiği belirlenmiştir. BiGlobal Doğrusal Kararlılık analizleri neticesinde en-boy oranı bire eşit olan pürüzlülük elemanları için simetrik mod baskın iken en-boy oranı iki olan elemanlar için asimetrik modun baskın olduğu bulunmuştur. Ayrıca incelenen tüm durumlar için oluşan kararsızlık modlarının hesaplama alanının bitimine kadar kararlı hale geldiği ve dolayısıyla da parametrelerin incelenen değerleri için tüm durumlarda akışın kararlı olduğu sonucuna varılmıştır. Bulunan modların zamanla gelişimi de BiGlobal Doğrusal Kararlılık analizlerinin sonuçları kullanılarak elde edilmiş ve Laminar Su Kanalı'nda gerçekleştirilen bir dizi hidrojen kabarcığı ile yapılan akış görüntüleme deneyleri ile desteklenmiştir.
Özet (Çeviri)
Drag reduction is one of the important research topics of today, and its prominence is increasing day by day due to the concerns about limited oil resources and global climate change. A modern airliner's total drag is composed of various components, but the friction drag, which accounts for about 60% of total drag, is the component having the largest potential in drag reduction among the other components. Moreover, a reduction in overall friction drag can be achieved by delaying laminar-to-turbulent transition. Application of a suitable flow control method may help to delay transition-to-turbulence and thus reduces friction drag. Therefore, in this study, two flow control methods, one active and the other passive, are separately applied to a parallel flow over a flat plate for the purpose of delaying laminar-to-turbulent transition and reducing the total drag. In the first part of the study, the effects of wall heating and cooling, one of the active flow control methods, applied to the flow over a 2 m long flat plate on laminar-to-turbulent transition and the drag reduction are parametrically investigated through two- and three-dimensional Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. The simulations are performed using a finite volume based flow solver ANSYS-FLUENT. A grid sensitivity study is conducted to obtain grid independent and accurate results before performing the final simulations. Furthermore, the effects of various Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) based turbulence models on the results are examined, and Menter's four equations Transition SST turbulence model is preferred for the final simulations due to its superiority in determining the laminar-to-turbulent transition. The simulation results are validated against the well-known correlations and experimental data available in the literature. Effects of various flow and design parameters such as free stream turbulence intensity, surface temperature, heater strip length and various heating/cooling combinations such as discrete heating, multiple heating, dual heating and discrete cooling on laminar-to-turbulent transition and drag reduction are parametrically investigated. It is found that drag acting on a flat plate can be reduced at certain rates by wall heating and cooling provided that their design parameters are carefully determined. However, these methods require an energy supply and therefore these active flow control methods can be used as an alternative method in drag reduction applications where the cost is not so important. In the second part of the study, the effects of the use of a roughness element, which is one of the passive flow control methods, on the stability of the flow over a flat plate are investigated both experimentally and numerically. In this context, the stability of a boundary layer induced by a three-dimensional rectangular prism shaped roughness element placed on a flat plate is parametrically investigated by means of a series of the BiGlobal Linear Stability Theory (LST) simulations. In the simulations, the aspect ratio of the roughness element and the Reynolds number are changed to investigate their effects on the instability mechanism behind the roughness element. The base flow required to perform the stability analysis is obtained using a finite volume based flow solver ANSYS-FLUENT. A comprehensive grid sensitivity analysis is carried out to obtain grid independent and accurate results before the ultimate computations. The simulation results are validated using a series of velocity measurements and hydrogen bubble flow visualization experiments in the Laminar Water Channel at the University of Stuttgart. The BiGlobal Linear Stability analyses are carried out to investigate the instability mechanisms behind the roughness elements using the in-house developed stability analysis code at the Institute of Aerodynamics and Gasdynamics (IAG) after obtaining an agreement between experimentally and numerically obtained base flow results. A grid optimization study is conducted before performing the stability analysis as did for the base flow. It is concluded considering the base flow results obtained for the investigated cases that the change in the Reynolds number did not appear to have a significant effect on the shape and length of the reversed flow regions emerged in front of and behind the roughness element whereas the effect of aspect ratio is significant. In addition, horseshoe vortex system whose legs are responsible for the formation of low- and high-speed streaks are observed in all the cases investigated within the content of this study. Furthermore, the BiGlobal LST results revealed that presence of the roughness element leads to the formation of several instability modes called sinuous and varicose, which are asymmetric and symmetric with respect to the spanwise direction. It is found that the streamwise evolution of these unstable modes differs depending on the Reynolds number and the aspect ratio of the roughness element. It is also concluded that the varicose mode is dominant for thin roughness elements whereas the sinuous mode is dominant for large elements. For the cases investigated, the flow is found to be stable within the range of the parameters studied. Furthermore, temporal evolution of the sinuous and the varicose is numerically obtained using the BiGlobal LST results and then these results are consolidated with a series of hydrogen bubble flow visualization experiments.
Benzer Tezler
- Düz ve girintili yüzeylerde havuz kaynamasının sayısal modellenmesi
Numerical investigatinon of pool boiling on flat and patterned surface
TUĞÇE KARATAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEYHAN ONBAŞIOĞLU
- Investigation of transition flow over S809 airfoil using infrared thermography and numerical methods
S809 kanat kesiti üzerindeki geçiş akışının kızılötesi termografi ve sayısal yöntemlerle incelenmesi
NECLA ECENAZ AYKUT
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Havacılık ve Uzay MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT KÖKSAL
- Çeşitli deniz boyalarında yüzey pürüzlülüğünün gemi direncine etkilerinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of the effect of surface roughness on ship resistance due to marine paints
UTKU CEM KARABULUT
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BARIŞ BARLAS
DR. ÖĞR. ÜYESİ YAVUZ HAKAN ÖZDEMİR
- Uçaklarda buzlanmanın nümerik olarak incelenmesi ve uçuş profili boyunca hava tahmin modeli uygulaması
Numerical investigation of aircraft icing and practice of weather forecast model along flight profile
ÖMER AKBAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Meteorolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET DURAN ŞAHİN
- Analytical modeling, perturbation analysis and experimental characterization of guided surface acoustic wave sensors
Başlık çevirisi yok
ONURSAL ÖNEN