Experimental investigation of chart methods for the skin friction measurement
Yüzey sürtünme ölçümü için geliştirilen grafik yöntemlerinin deneysel olarak incelenmesi
- Tez No: 688613
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ DUYGU ERDEM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aircraft Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 130
Özet
Günümüzde daha uygun maliyetli ve çevre dostu uçak, otomobil, gemi yapmak için yüzey sürtünmesini doğru bir şekilde ölçmek ve azaltmak amacıyla araştırmacılar tarafından birçok çalışma yapılmaktadır. Bu bağlamda deneysel çalışmalarda yüzey sürtünmesini ölçmek için birçok farklı teknik kullanılmaktadır. Bu teknikler literatürde iki farklı kategoride değerlendirilmektedir. Bunlardan birinci grup, yüzeyde doğrudan ölçümlerin alındığı tekniklerdir. En bilinenleri yüzer eleman sensörleri (float-element sensör), yüzey sıcak filmi (surface hot film) ve optik ölçüm yöntemleridir. Bu yöntemlerin ölçüm doğruluğu daha yüksek olmasına rağmen, ölçüm sırasında çok hassas kalibrasyon gereklidir. Ek olarak, yüzer eleman sensör yöntemi ve yüzey sıcak film yönteminde olduğu gibi yüzeyde işlem yapılmasını gerektirir ve bu da akışta bozuntulara neden olabilir. Bu doğrudan yöntemlerin bir diğer zorluğu da daha fazla işçilik ve yüksek maliyete neden olmalarıdır. Literatürdeki ikinci grup, dolaylı ölçüm yöntemleridir. İkinci grup içinde dolaylı yöntemlerden en bilineni Clauser Grafik Yöntemidir. Bu grafiksel yönteme göre sınır tabaka içerisindeki hız dağılımına göre yerel sürtünme katsayısı bulunabilir. Bu yöntemin temel mantığı, aynı yerel sürtünme katsayısına sahip noktada logaritmik bölgedeki boyutsuz hız dağılım grafiğinin aynı hale gelmesidir. Bu ilişki kullanılarak hız dağılımı bilinen bir noktada Clauser Grafik Yöntemi kullanılarak, o noktanın sürtünme katsayısı belirlenebilir. Bu yöntem sınır tabaka içindeki logaritmik hız bölgesini incelediği için, logaritmik bölgenin alt ve üst sınırlarının çok iyi tanımlanması gerekmektedir. Genel olarak yöntemin kullanılması için sadece hız ölçümü gerekmektedir. Ancak, Clauser Grafik Yönteminin uygulanabilirliği konusunda sınırlamalar vardır.Clauser Grafik Metodu, ters basınç gradyanının olduğu yerlerde daha düşük yüzey sürtünmesi gösterir. Bunun nedeni ters basınç gradyeninin sınır tabaka içerisindeki hız dağılımını değiştirmesinden dolayı, basınç gradyeninin omadığı hız dağılımdaki gibi logaritmik bölgenin grafikte gözle saptanabilmesi zor bir hal almaktadır. Sınır tabaka içerisindeki logaritmik bölge doğru belirlense bile, ters basınç gradyeni etkisi ile logatimik bölgedeki hız profili ile yüzey kayma gerilmesi arasındaki denklem geçersiz olabilmektedir. Ayrıca Clauser Grafik yöntemi, logaritmik bölge için geçerli olan denklemin K ve B katsayılarına karşı çok duyarlıdır. Katsayıların değişimi çıkan yüzey gerilme sonuçlarını etkilemektedir. Akış yönündeki basınç gradyeni şiddetininboyutsuz bir katsayı ile ifade edilmesi Clauser-Rota(β) parametresi tanımlanmıştır. Clauser-Rota(β) parametresinin sıfıra yaklaştığı yer, sınır tabaka profilinin dengede olduğu ve Clauser Grafik yönteminin kullanılabileceği yeri göstermektedir. Hız profilini etkileyen bir diğer etmen ise şekil faktörüdür(H). Şekil faktörünün artması durumunda dolaylı olaraka Clauser-Rota(β) parametresş artmakta ve sınır tabaka içerisinde denge durumu bozulmaktadır. Bunun sonucu olarak hız profili bozulmakta ve Clauser Grafik yönteminin önemli bir noktası olan logaritmik bölgenin belirlenmesi zorlaşmaktadır. Bu çalışmada, ters basınç gradyanı altında yüzey sürtünmesini ölçmek için literatürde yeni sayılabilecek Modified Clauser Grafik Yöntemi ve Corrected Clauser Grafik Yöntemi incelenmiştir. Modified Clauser Grafik Yönteminde, Clauser Grafik Yönteminden farklı olarak logaritmik bölgede kullanılan denklemin K ve B katsayıları, yöntem içinde belirlenen bir basınç gradyen parametresine(ΔP)bağlıdır. Aynı zamanda basınç gradyen parametresi(ΔP)de yüzey sürtünme katsayısına(Cf)bağlıdır. Burada hem K ve B katsayılarının bulunması için hem de basınç gradyen parametresinin(ΔP)bulunması için (Cf) değerine ihtiyaç bulunmaktadır. Bunun sonucu olarak Modified Clauser Grafik Yönteminde (Cf) değeri için iterasyon yapılmaktadır. İlk önce bir (Cf) denenip basınç gradyen parametresini(ΔP) blunmakta, ardında bu bulunan parametereye göre K ve B katsayıları bulunup logaritmik bölgedeki denklem kullanılarak tekrar (Cf) değeri bulunmaktadır. Başta denenen (Cf) değeri ile sonda çıkan (Cf) değerinin aynı olduğu yer o noktanın yüzey sürtünme katsayısı olarak belirlenmektedir. Burada dikkat edilmesi gereken nokta Modified Clauser Grafik Yönteminde K ve B katsayıları için kullanılan denklemin katsayıları önceden yapılan deney sonuçları ve large eddy simülasyonları dikkate alınarak oluşturulmuştur. Corrected Clauser Grafik Yönteminde ise ters basınç gradyenindeki logaritmik bölgenin bulunması için basınç gradyeninin sıfır olduğu noktanın logaritmik sınırları ile ters basınç gradyeninin logaritmik sınırlarını boyutsuz y+ ve U+ grafiğinde aynı nokta olduğu varsayımına dayanmaktadır. Türbülanslı sınır tabaka içerisindeki large scale structure yüzey sürtünmesini yaratan temel faktörlerdendir ve bu bölge sınır tabaka içerisindeki geometrik merkezde bulunduğu varsayımına dayanmaktadır. Corrected Clauser Grafik Yönteminde ilk başta Clauser Grafik Yönteminde olduğu gibi sıfır basınç gradyenindeki y+ - U+ grafiği çizdirilir. Ardından, logatirmik limit için alt sınırı y+=150, üst sınırı 0.15δ^+ olacak şekilde belirlenir. Aynı grafik üstüne ters basınç gradyeni altındaki hız değerleri çizdirilir ve limitler içindeki değerler logaritmik bölge kabul edilerek Grafik metodu uygulunarak sonuç elde edilir. Çalışma kapsamında ilk olarak Clauser Grafik Yöntemi, Modified Clauser Grafik Yöntemi ve Corrected Clauser Grafik Yöntemi uygulamaları için bir MATLAB kodu geliştirilmiş. Metotların doğrulanması için, Corrected Clauser Chart yönteminde kullanılmış deney verileri, yöntemi gelirtiren ve makalesinde belirten Arthur Drodz'dan alınmıştır. Deneysel veriler oluşturalan MATLAB kodunda denenmiş ve Clauser Grafik yöntemi sonuçları ve Corrected Clauser Grafik sonuçlarının aynı çıktığı görülmüştür. Deney dataları ve sonuçlarının alındığı Artur Drodz'un makalesinde Modified Clauser Grafik yöntteminin sonuçları olmadığı için karşılatırma yapılamamıştır. Ancak veriler karşılaştırıldığında Modified Clauser Grafik yönteminde çıkan yüzey sürtünmesi sonuçlarının Clauser Grafik ve Corrected Clauser Grafik Yöntemlerine göre daha düşük çıktığı gözlemlenmiştir. Bunun nedeni olarak Modified Clauser Grafik yönteminde K ve B katsayıları için kullanılan denklemlerin katsayılarının sıfır ve artı basınç gradyenine sahip olan deney verilerinin dikkate alarak çıkartılmasıdır. Oluşturulan MATLAB kodu Clauser Grafik Yöntemi ve Corrected Clauser Grafik yöntemi için doğrulandığı çıkan sonuçlar ile gösterilmiştir. Bu çalışmalardan sonra, ters basınç gradyanı sağlayacak bir deney düzeneği oluşturmak için HAD analizleri yapılmıştır. Denenen geometirlerde akışın giriş tarafında düz bir bölge, ardından ise eğimli farklı açılarda eğimli bölge bulunmaktadır. Bu deney düzeneğinde istenen hedef, eğimli bölgede ters basınç gradyeninin oluşurken aynı zamanda akım ayrılmasının oluşmamasıdır. Bu hedef doğrultusunda on derece eğime kara verilmiştir. Belirlenen geometriye göre pleksiglas deney düzeneği üretilmiş ve İTÜ Trisonik laboratuvarındaki Eiffel rüzgar tüneli odasına yerleştirilmiştir. Yüzeye basınç prizleri yerleştirilmiş ve yüzeydeki basınçlar ölçülmüştür. Basınç prizlerinden okunan değer ile deney düzeneğinden önce HAD analizi ile elde edilen sonuçlar karşılaştırılmış ve ITÜ Trisonik deney düzeneğinde akımı tekrar sağlayan kollektör nedeniyle eğimli bölgedeki basınç gradyeninde farklılıklar görülmüştür. Daha sonra yüzeyde, sınır tabakada, sıcak tel anemometresi ile hız profilleri ölçülmüştür. Daha önce oluşturulan MATLAB kodu, ölçülen hız değerleri için çalıştırılarak yüzey sürtünmeleri hesaplanmıştır. Grafik yöntemlerden elde edilen sonuçları karşılaştırmak için, deneyde direkt yöntemlerden biri olan sıcak yüzey probu (glue on probe) ile sürtünme ölçümü yapılmıştır. Sıcak tel probunda pleksiglas yüzey üzerinde ölçüm yapılmadan önce kalibrasyon yapmak için İTÜ Trisonik Labaratuvarı içerisindeki sınır tabaka aparatı kullanılarak, laminar akışta Blasisus çözümlerinden yüzey sürtünme değeri bilinen bir yüzeyde ölçüm yapılmıştır. Farklı noktalarda ölçüm tekrarlanarak belirli bir yüzey sürtünme aralığında sıcak tel prıbunda ölçülen voltajlar ile kalibrasyon yapılmıştır. Ardın kalibrsayon eğrisi kullanılarak pleksiglas deney düzneği üzerinde voltajlar ölçülmüş ve üzey sürtünme değerleri kalibrasyon eğrisi kullanılarak bulunmuştur. Çalışma hedefine uygun şekilde, bir deney düzeneği oluşturularak Corrected Clauser Grafik Yöntemi, Modified Clauser Grafik Yöntemi ve Clauser Grafik Yöntemi uygulanmış ve ters basınç gradyanına sahip noktalarda sonuçlar karşılaştırılmıştır.
Özet (Çeviri)
Today, many studies are carried out by researchers to accurately measure and reduce skin friction in order to make more cost-effective and environmentally friendly aircraft, automobiles, ships. In this context, many different techniques are used to measure surface friction in experimental studies. These techniques are evaluated in two different categories in the literature. The first group of these are the techniques in which direct measurements are taken on the surface. The most known are float element sensors, surface hot film, and optical measurement methods. Although the measurement accuracy of these methods is higher, very precise calibration is required during measurement. In addition, it requires processing on the surface, as is done in the floating element sensor method and the surface hot film method, and this can cause flow disturbance. Another difficulty of these direct methods is that they cause more labor and cost. The second group in the literature is indirect measurement methods. Among the indirect methods among the second group, the most well-known is the Clauser Chart Method. According to this graphical method, the local friction coefficient can be found according to the velocity distribution on the boundary layer. The basic logic of this method is that at the point with the same local friction coefficient, the dimensionless velocity distribution graph in logarithmic region becomes the same. Using this relationship, the friction coefficient of that point can be determined by using the Clauser Chart Method at a point whose velocity distribution is known. Since this method examines the logarithmic region in the boundary layer, the lower and upper limits of the region must be defined very well. In general, only velocity measurement is required to use the method. However, there are limitations on the applicability of this Clauser Chart Method. Clauser Chart Method shows lower surface friction where there is a reverse pressure gradient. In this study, Modified Clauser Chart Method and Corrected Clauser Chart Method, which can be considered new in the literature, were examined to measure surface friction under a reverse pressure gradient. Within the scope of the study, firstly, a MATLAB code was developed for the application of Clauser Chart Method, Modified Clauser Chart Method, and Corrected Clauser Chart Method and the code was validated using the experimental data in the literature. After these studies, CFD analyzes were made to create an experimental setup that would provide a reverse pressure gradient, and the appropriate geometry was determined according to the results. According to the decided geometry, the plexiglass experimental setup was manufactured and placed in the test section of Eiffel wind tunnel in the ITU Trisonic laboratory. Pressure taps were placed on the surface and the pressures on the surface were acquired. Then, velocity profiles were measured in the boundary layer, by the hot-wire anemometer. The previously created MATLAB code was run with the measured velocity profiles and the surface frictions were calculated. In order to compare the results obtained from the graphic methods, friction was measured with the hot surface (glue on probe) probe, which is one of the direct methods in the experiment. Thus, Corrected Clauser Chart Method, Modified Clauser Chart Method, and Clauser Chart Method were applied by creating an experimental setup and the results were compared at the points with adverse pressure gradient.
Benzer Tezler
- Bir tip merminin hareketinin deneysel incelenmesi ve dış balistikte teorik bir yaklaşım
Theoretical and experimental investigation on external ballistic characteristics of a projectile
MEHMET AKÇAY
- Kondenserli çamaşır kurutma makinesinin enerji ve kurutma performansının sayısal ve deneysel incelenmesi
Numerical and experimental investigation of energy and drying performance of condenser tumble dryer
VASIF CAN YILDIRAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN GÜNEŞ
- Hareket halindeki taşıtların süspansiyon sisteminden kinetik enerji geri kazanımının deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of kinetic energy recovery from the suspension system of vehicles
İLYAS GÜLDEŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
EnerjiSivas Cumhuriyet ÜniversitesiEnerji Bilimleri ve Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İBRAHİM CAN
- Denizaltı mukavim teknesi için bir yapısal tasarım yaklaşımı ve sonlu elemanlar metoduna dayalı yapısal optimizasyon
A structural design approach for submarine pressure hull and finite element based structural optimization
SERHAT ŞENOL
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET ERGİN
- Dişli çarklarda yenme olayının yağlama bakımından incelenmesi
A Study on the scuffing of gears with respect to lubrication
GHOLAMHASSAN PAYGANE