Experimental investigation of Newtonian and non-Newtonian fluid flows in rough pipes and modeling using computational fluid dynamics
Newtonyen ve Newtonyen olmayan akışkanın pürüzlü borudaki akışının deneysel olarak incelenmesi ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği kullanılarak modellenmesi
- Tez No: 666886
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET SORGUN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İzmir Katip Çelebi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 114
Özet
Boru akışlarındaki basınç kayıpların tahmini, mühendislik uygulamalarında büyük önem taşımaktadır. Akışkanların verimli bir şekilde taşınımı için pompalama gereksinimlerinin belirlenmesi ve doğru pompa sistemlerinin seçimi basınç kaybının hassas bir şekilde tahminine dayalıdır. Bu çalışmada, Newtonyen ve Newtonyen olmayan akışkanların pürüzlü galvanizli borulardaki akışları üç farklı akışkanla (su ve bunun yanında farklı kontranstrasyon ve viskoz karakteristiğine sahip iki polimerik solüsyon), çeşitli debiler ve akışkan sıcaklık koşulları için, farklı çaplara sahip galvanizli borularda deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Bu inceleme için, İzmir Kâtip Çelebi Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Akış Düzeneği'nde kapsamlı deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Hem su hem de Newtonyen olmayan akışkan deneyleri, 20°C ile 60°C aralığındaki akışkan sıcaklıkları, 3.2x103 ile 8.6x104 arasında değişen Reynolds sayıları ve dört farklı göreceli pürüzlülük değerleri için gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışma boyunca, debiler, basınç kayıpları ve akışkan sıcaklıkları kaydedilmiştir. Öncelikle, boru pürüzlülüğünün boru çapına göre değişip değişmediğini incelemek için, deneysel sürtünme faktörleri ve Colebrook sürtünme faktörleri karşılaştırılmıştır. Deneysel çalışmada kullanılan her bir galvanizli boru için farklı pürüzlülük yüksekliği değerleri elde edilmiştir. Newtonyen akışkanın oda sıcaklığı ve çeşitli sıcaklıklara sahip olduğu durumlar göz önüne alınarak tam gelişmiş türbülanslı akımında basınç kayıplarını hangi boyutsuz parametrelerin etkilediğini belirlemek amacıyla bir boyut analizi gerçekleştirilmiş ve bu boyutsuz parametrelerin Reynolds sayısı, göreceli pürüzlülük ve Prandtl sayısı olduğu belirlenmiştir. Deneysel çalışmadan elde edilen veriler rehberliğinde, göreceli pürüzlülüğe, Reynolds sayısına ve Prandtl sayısına bağlı bir sürtünme faktörü denklemi önerilmiştir. Newtonyen olmayan akışkanların basınç kayıplarının tahmini de önemli bir konudur. Bu yüzden, Newtonyen olmayan akışkanların boru içi akımlarının sürtünme faktörü denklemleri analiz edilmiştir. Detaylı bir deneysel çalışma yapılarak, Newtonyen olmayan akışkanların reolojik incelemeleri gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmadan elde edilen verilere göre, akışkanların sahip olduğu oda sıcaklığı ve diğer sıcaklıkların etkisi altında, pürüzlü borulardaki Newtonyen olmayan akışkanların tam gelişmiş tübülanslı akışları için, genelleştirilmiş Reynolds sayısı ve göreceli pürüzlülüğün bir fonksiyonu olarak yeni bir sürtünme faktörü korelasyonu önerilmiştir. Ayrıca, Newtonyen akışkanın, akışkan sıcaklığı etkileri altındaki pürüzlü borulardaki türbülanslı akımını modellemek için matematiksel bir model geliştirilmiştir. Bunun için, silindirik koordinatlardaki Navier-Stokes denklemleri sonlu farklar yöntemiyle akışkan sıcaklığı etkileri dahil edilerek çözülmüştür ve ilgili hesaplama süreçleri MATLAB programında bir kod geliştirilerek gerçekleştirilmiştir. Türbülans modellemesi sırasında ortaya çıkan kapatma problemi, karışım uzunluğu teoremi kullanılarak çözülmüştür. Pürüzlü yüzeyler üzerindeki türbülans sınır tabakaları, Krogstad tarafından van Driest sönümleme fonksiyonun genişletildiği bir sönümleme fonksiyonuyla belirlenmiştir. Önerilen matematiksel modelin hassasiyeti, model sonuçlarının deney sonuçlarıyla doğrulanmasıyla analiz edilmiştir. Model ve deney sonuçlarının arasındaki hata değerlerine bakıldığında, önerilen matematiksel modelin deneysel çalışmayla yeterli bir uyum içinde olduğu gözlemlenmiştir. Önerilen matematiksel model, Newtonyen akışkanların, pürüzlü borulardaki türbülanslı akımlarının farklı akışkan sıcaklıkları etkisi altında oluşan basınç kayıplarını tahmin etmede kullanılabilmektedir.
Özet (Çeviri)
Estimation of pressure losses for pipe flows has great importance in engineering applications. Determining pumping requirements and proper selection of pump systems for efficient transportation of fluids are dependent on accurately estimated pressure losses. In this study, the flow behaviors of Newtonian and non-Newtonian fluid flows in galvanized rough pipes are investigated experimentally and numerically with three different fluids (water and two polymeric solutions with different concentrations and viscous characteristics) for various flow rates, pipe diameters, and fluid temperature conditions. For this purpose, a comprehensive experimental study is performed in the Civil Engineering Flow Loop of İzmir Kâtip Çelebi University. Water and non-Newtonian fluid experiments for fluid temperatures ranged from 20°C to 60°C, for Reynolds numbers ranged from 3.2x103 to 8.6x104 , and for four relative roughness values are performed. During the experimental study, flowrates, pressure losses, and fluid temperatures are recorded. Firstly, experimental friction factors and Colebrook friction factors are compared to determine if pipe roughness heights vary for pipe diameters. Different pipe roughness height values are obtained for each galvanized pipe used in the experimental study. A dimensional analysis is performed to determine which dimensionless parameters influence the pressure loss of fully developed turbulent Netwtonian fluid flow in rough pipes considering the room and various temperature conditions of the fluid. It is obtained that these dimensionless parameters are Reynolds number, relative roughness, and Prandtl Number. Under the guidance of data which are collected from the experimental study, a new friction factor equation for Newtonian fluid flows in rough pipes based on the relative roughness, Reynolds Number and Prandtl Number is proposed. Estimating the pressure drop of non-Newtonian fluid flows is also an important issue. For this reason, friction factor correlations for Non-Newtonian fluid flows in pipes are analyzed. Rheological model investigations for Non-Newtonian fluids are performed in detail by conducting an extensive experimental study. Using the experimental study, for the fully developed turbulent flows of the non-Newtonian fluids through rough pipes, a new friction factor correlation as a function of generalized Reynolds number and relative roughness is proposed. Moreover, a mathematical model is developed for the modeling of Newtonian fluids that flow through rough pipes in turbulent regime considering fluid temperature conditions. For this purpose, the Navier-Stokes equations in cylindrical coordinates are solved by using finite difference methods including fluid temperature effects, and the related computational process is performed by developing a code in MATLAB software. The appeared closure problem from the turbulence modeling is solved by using the mixing length theory. Krogstad's damping function which is proposed to extend van Driest's damping function is used to determine turbulent boundary layers on rough surfaces. The accuracy of the proposed mathematical model is analyzed by validating the model results with experimental data. According to the error values between the results of the model and the experimental study, it is obtained that the proposed mathematical model shows satisfactory agreement with the experimental study. The proposed mathematical model can be used to predict the pressure drop of turbulent Newtonian fluid flows in rough pipes for different fluid temperatures.
Benzer Tezler
- Experimental and numerical investigation of open channel flow characteristics of Newtonian and non-Newtonian fluids
Newtonsal ve Newtonsal olmayan akışkanların açık kanal akış karekteristiklerimin deneysel ve sayısal incelenmesi
AZEZ MAJEED MOHAMMED
Doktora
İngilizce
2024
Makine MühendisliğiFırat ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEVİN ÇELİK
DOÇ. DR. THAMER MOHAMMED AHMED
- Farklı bifurkasyon modellerinde newtonian ve non-newtonian akışkanlar için akış ve ısı transferinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of flow and heat transfer in newtonian and non-newtonian fluids in different bifurcation models
MANSUR MUSTAFAOĞLU
Doktora
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSAK KOTCİOĞLU
- Numerical investigation of a non-Newtonian fluid flow through a contraction pipe
Daralan kesitlerde Newtonyen olmayan akışkanın akışının sayısal olarak incelenmesi
MÜNİRE ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Makine MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET PINARBAŞI
- Koroner arterlerde kan akışının çok fazlı etkilerinin deneysel ve sayısal incelenmesi
Experimental and numerical investigation of multiphase effects of blood flow in coronary arteries
ORHAN YILDIRIM
Doktora
Türkçe
2023
KardiyolojiAtatürk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ŞENDOĞAN KARAGÖZ
- Forced convection flow and heat transfer of non-Newtonian nanofluids through a circular tube
Newtonyen olmayan nanoakışkanların dairesel bir boru boyunca zorlanmış konveksiyon akışı ve ısı transferi
GÖKHAN KIYAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Makine MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SALİM KUNT ATALIK