Coherent structures and energy transfer in decelerated turbulent boundary layers
Yavaşlayan türbülanslı sınır tabaka akışlarında tutarlı yapılar ve enerji transferi
- Tez No: 809669
- Danışmanlar: DOÇ. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR, PROF. DR. YVAN MACIEL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aircraft Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 172
Özet
Çoğu mühendislik problemlerinde karşılaşılan akışlar, kısa mesafelerde hızla değişen akış koşullarına tabidir. Bu tip akışlar, taşıtlar (kara, hava ve deniz) ve gaz türbini içinde veya hidro türbinler etrafındaki akışlardır. Bu örneklerde, en önemli değişim akışa etki eden basınç kuvvetinde meydana gelen değişimdir. Basınç kuvvetindeki değişim duvar yakınındaki akışı hızlandırarak ve yavaşlatarak sınır tabakanın özelliklerini ve özellikle de ortalama akış ve türbülans arasındaki etkileşimi değiştirir. Basınç değişimi altında gelişen türbülanslı sınır tabaka akışlarının daha iyi anlaşılması daha iyi kontrol stratejilerine yol açmaktadır. Bu tür sistemlerin performansındaki iyileştirmeler daha verimli ve daha temiz enerji üretimi, yakıt tüketiminde azalma ve CO2 emisyonlarının en aza indirilmesine yol açacaktır. Basınç değişiminin akım yönünde pozitif olduğu basınç dağılımı durumu ters basınç gradyanı olarak tanımlanmaktadır. Ters basınç gradyanı altında gelişen akışlar momentum kaybederek yavaşlarlar ve bu yavaşlama sınır tabaka içerisinde etkisini serbest akımla ortalama hız profili arasındaki farkı büyüterek göstermektedir. Bu farka hız azalması denilmektedir. Sınır tabaka içerisinde akışın yavaşlamasına neden olan ters basınç gradyanı sonuçları bakımından en önemli ve sayısal olarak tahmin edilmesi en zor olan akış durumdur. Akışın yavaşlaması sonucunda akım ayrılması meydana gelebilir ve bu durum türbinlerde enerji kaybı ve uçağın stall'a girmesi gibi çok önemli olumsuz etkilere neden olabilir. Bunlara ek olarak temel türbülanslı akışların incelenmesiyle elde edilen bilgilerin yavaşlayan türbülanslı sınır tabakalar gibi daha karmaşık akışlara aktarımı basit değildir. Bu tez çalışması kapsamında ters basınç gradyanı etkisi ile yavaşlayan türbülanslı sınır tabaka akışları incelenmiştir. Basınç değişimi nedeniyle yavaşlayan türbülanslı sınır tabaka hakkında sahip olduğumuz bilginin geliştirilmesi açısından en büyük etkiye sahip olacak şekilde tasarlanmış iki adet yeni veri tabanı oluşturulmuştur. Bu veri tabanları için iki adet dengede olmayan ters basınç gradyanlı türbülanslı sınır tabaka akışı benzetimi yapılmıştır. Navier-Stokes denklemlerinin doğrudan çözümü ile elde edilen bu iki büyük ölçekli analiz mevcut akış durumlarının çeşitliliğini önemli ölçüde artırmıştır. İki akış durumuna ek olarak literatürden farklı tipte akışlar da analize dahil edilmiştir. Sınır tabaka yapısının altında yatan fiziği, basınç değişimleri nedeniyle akışın benzerliği ve ölçeklendirme yasalarını ve türbülansın yeniden oluşma mekanizmalarını anlamak için sonuçlar kapsamlı bir şeklide analiz edilmiştir. Bu kapsamda türbülanslı sınır tabaka akışlarındaki uyumlu yapılar ve enerji transfer mekanizmaları incelenmiştir. Bu çalışmada benzetimi yapılan ilk akış durumu dengede olmayan ters basınç gradyanlı türbülanslı sınır tabaka olup bu akıştaki momentum kalınlığına bağlı Reynolds sayısı 8000'e ulaşmaktadır. Basınç gradyanının ortalama hız profilinin şekli üzerindeki etkilerini gösteren şekil faktörü $H$ ise $1.4$ ile $3.2$ arasında değişkenlik göstermektedir. Bu veri tabanı tez kapsamında kullanılan ana veri tabanıdır. İkinci veri tabanı kapsamında ise ilk veri tabanında benzetimi yapılan akış ile aynı özellikleri taşıyan başka bir akış benzetimi yapılmıştır. İkinci veri tabanındaki çözüm alanı boyutları, çözüm ağı özellikleri ve sınır şartları ilk veri tabanındakiyle tamamen aynıdır. Bu iki veri tabanı arasındaki fark ikinci veri tabanında akışın iç tabakasında bulunan türbülansın yapay olarak ortadan kaldırılmasıdır. Benzetim için kullanılan kod açıklık yönünde spektral yöntem ile ayrıklaştırma yapmaktadır. Bu sayede iç tabakada ortalama akışı temsil eden sıfırıncı mod harici diğer tüm modlar her zaman adımında sıfıra eşitlenerek hız alanındaki çalkantılar, dolayısıyla türbülans elimine edilmiştir. Bu analiz için iç tabaka sınırı yerel sınır tabaka kalınlığının 0.1'i olarak kabul edilmiştir. Bu benzetimde ortalama hız profili her zaman adımında birinci veri tabanından elde edilen ortalama hız profili kullanılarak güncellenmiş böylece her iki analiz için ortalama akışın aynı kalması sağlanmıştır. İkinci veri tabanı, sınır tabaka akışında iç katmandaki çalkantıların olmadığı akış durumunda dış katmandaki türbülansın devamlılığını sağlayıp sağlamadığını incelemek ve iç tabaka türbülansının dış tabaka üzerindeki etkisini anlamak için oluşturulmuştur. Yukarıda bahsedilen iki veri tabanı haricinde, literatürde mevcut olan kanonik kanal akışı, iki farklı türbülanslı sınır tabaka akışı ve iki farklı homojen kayma türbülansı veri tabanları da karşılaştırma yapmak üzere kullanılmıştır. Kanal akışı ve herhangi bir basınç değişimine maruz olmayan türbülanslı sınır tabaka akışları geleneksel olarak incelenen önemli duvar etkileşimli akışlardır ve ters basınç gradyanının etkisini gözlemlemek amacıyla incelenmişlerdir. Homojen kayma türbülansı veri tabanları ise duvarın ve iç tabakadaki türbülans hareketliliğinin dış tabaka üzerindeki etkisini incelemek için kullanılmışlardır. Ters basınç gradyanlı türbülanslı sınır tabakalardaki enerji taşıyan yapılar, kanal akışlarında ve sıfır basınç gradyanlı türbülanslı sınır tabakalardaki benzer tipteki yapılar ile beraber incelenmiştir. Bunun için Reynolds gerilmelerinin duvar-normali yönündeki dağılımları ve spektral dağılımları ile iki noktalı korelasyonlar kullanılmıştır. Bu analiz kapsamında ters basınç gradyanının etkisi iki farklı akış durumu için incelenmiştir. İlk akış şekil faktörünün $H=1.6$ yani hız azalmasının az olduğu durum, ikinci akış ise $H=2.63$ konumunda yüksek hız azalması olduğu durumdur. Analizler enerji taşıyan yapıların küçük hız azalmalı ters basınç gradyanlı türbülanslı sınır tabakalarda ve kanonik duvar etkileşimli akışlarda benzer özellikleri olduğunu ortaya koymuştur. Yapıların şekilleri ve yersel organizasyonu bu akış tiplerinde benzerdir. Ayrıca Reynolds gerilmelerinin duvar-normali yönündeki ve spektral dağılımları da büyük oranda benzerlik göstermektedir. Bu sonuçlar hız azalmasının küçük olmasının enerji taşıyan yapıların karakteristik özelliklerini gözle görülür bir oranda değiştirmediğini ortaya koymaktadır. Hız azalmasının büyük olması durumunda ise akışta belirgin değişiklikler ortaya çıkmaktadır. Kanonik duvar etkileşimli akışlarda ve küçük hız azalmalı türbülanslı sınır tabakalarda baskın olan iç tabaka, büyük hız azalmalı türbülanslı sınır tabakalarda önemini yitirmektedir ve dış katman baskın hale gelmektedir. Bunun en önemli göstergesi olarak duvar kenarındaki uzun yüksek ve düşük hız çalkantı bölgelerinin varlığını gösteren $\langle u^2\rangle$ spektrumunun iç tabakasındaki enerji yoğunluğunun kaybolması gösterilebilir. Bunlara ek olarak büyük hız azalmalı durumda enerji taşıyan yapıların yersel organizasyonu da değişmektedir. İç tabakada gözlemlenen yüksek ve düşük hız bölgelerinin oluşturduğu çiftli yapılar büyük hız azalmalı durumda kaybolmaktadır. Ayrıca bu yapılar dış tabakada tamamen kaybolmasa da çift olarak uyumluluklarını kaybetmektedir. Ayrıca, iki noktalı korelasyon konturlarının şekli de büyük oranda değişmektedir. Bu değişiklikler büyük hız azalmasınınenerji taşıyan yapılar üzerindeki etkisini göstermektedir. Enerji transfer eden yapılar için iki noktalı korelasyon tensörünün taşınım denkleminin terimleri incelenmiştir. Bu denklemin her bir terimi akışta bulunan bir enerji transfer mekanizmasına karşılık gelmektedir. Enerji transfer eden yapılar arasından üretim, basınç gerinimi ve sönümleme yapılarının enerji taşıyan yapılar ile benzer bir şekilde davrandığı görülmüştür. Bir ve iki boyutlu spektrumların şekilleri küçük hız azalmalı durumda ve kanonikal akışlarda benzerdir. Büyük hız azalmalı durumda ise duvar-normali yönündeki dağılımlar farklılaşmaktadır. Bununla beraber iki boyutlu spektrum hem küçük hem de büyük hız azalmalı durumlarda belirli bir oranda benzerlik göstermektedir. Enerjiyi taşıyan mekanizmalardan viskoz difüzyonu ve basınç aktarım terimleri sadece iç tabakada etkindir ve özellikleri her akış durumunda aynı kalmaktadır. Dış tabakada baskın olan ortalama hızla taşınım terimi ise sadece ters basınç gradyanlı akış durumlarında bulunmaktadır ve ters basınç gradyanı etkisi altında gözle görülür oranda bir değişiklik göstermemektedir. Türbülans taşınım terimi ise büyük hız azalmalı durumda diğer akış durumlara göre büyük oranda farklılık göstermektedir. Bu çalışmaların yanısıra enerji transfer eden üretim ve basınç-gerinimi yapıları bir ve iki boyutlu spektrumlar kullanılarak detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bunun için bu yapıların birbirlerine ve enerji taşıyan yapılara göre duvardan bağıl uzaklığı ve bağıl boyutları göz önüne alınmıştır. Bu çalışma kapsamında incelenen akış tiplerinde bir katman (kanonik ve küçük hız azalmalı durumlarda iç tabaka ve büyük hız azalmalı durumda dış tabaka) baskındır ve diğer katmanda neler olduğunu gizlemektedir. Bu sebepten dolayı bir boyutlu spektrumlar iç ve dış tabakada diğer tabaka maskelenerek dışarıda bırakılmak suretiyle ayrı ayrı incelenmiştir. Bu sayede baskın olan tabakanın diğer tabakada neler olduğunu gizlemesinin önüne geçilmiştir. Elde edilen sonuçlar, enerji taşıyan yapılardaki büyük farklılıklara rağmen, üretim ve basınç gerinimi yapılarının bütün akış durumlarında çok benzer karakteristikleri olduğunu göstermektedir. Ayrıca dış tabakanın detaylı incelenmesi büyük hız azalmalı durumda dış tabakadaki akışın serbest kayma tabakası akışlarıyla benzerlik taşıdığını ortaya çıkarmıştır. Bu sonuçlar türbülans üretimi ve bileşenler arası enerji transferi (basınç gerinimi) mekanizmalarının hem iç hem de dış tabakada kanonikal akışlar ve ters basınç gradyanlı türbülanslı sınır tabaka akışlarında büyük oranda benzer olduğu göstermektedir. Ayrıca büyük hız azalmalı akış durumunda dış tabakada bir büküm noktası kararsızlığının varlığına rastlanmamıştır. Bunların haricinde, bulgular büyük hız azalması durumunda iç tabakada yakın duvar çevrimi veya bu çevrimin spektral özelliklerine çok benzer başka bir çevrimin olduğunu göstermektedir. Son olarak, iç tabakadaki türbülans hareketliliğin dış tabakadaki yapılar üzerindeki etkisini incelemek için Reynolds kayma gerilmesi taşıyan yapıların yersel özellikleri bu çalışma kapsamında elde edilen iki farklı ters basınç gradyanlı türbülanslı sınır tabaka akış durumu ve homojen kayma türbülansı veri tabanı için analiz edilmiştir. Daha önce belirtildiği gibi bu iki farklı ters basınç gradyanlı türbülanslı sınır tabaka akış durumu birbiri ile aynı özelliklere sahip olup aralarındaki fark ikinci akış durumunda iç tabakadaki türbülans hareketliliğinin yapay bir biçimde kaldırılmasıdır. Elde edilen sonuçlar iç tabakada türbülans hareketliliği olmadığı durumda dahi dış tabakadaki türbülans hareketliliğinin kendini sürdürebildiğini göstermiştir. Reynolds kayma gerilmesi taşıyan yapılar iki akış durumunda da neredeyse tıpatıp aynı yersel organizasyona, şekle ve bağıl konumlara sahiptir. Ayrıca, ters basınç gradyanlı türbülanslı sınır tabakalarda ve homojen kayma türbülanslarındaki Reynolds kayma gerilmesi taşıyan yapıların en/boy oranları Corrsin uzunluk ölçeği ile normalize edildiği zaman neredeyse aynıdır. Bu sonuçlar duvarın varlığının veya iç tabakadaki türbülans hareketliliğinin dış tabakadaki Reynolds kayma gerilmesi taşıyan yapıların yersel özelliklerini değiştirmediğini göstermektedir. Ayrıca Corrsin uzunluk ölçeğinin bu yapıları ölçeklendirebilmesi de ortalama kayma profilinin önemini ortaya koymaktadır. Bu çalışma sonucunda ters basınç gradyanlı türbülanslı sınır tabaka akışlarındaki enerji transfer mekanizmalarının hız azalmasının şiddetinden bağımsız olarak bir katman (iç veya dış katman) içinde aynı kaldığı gözlemlenmiştir. Büyük hız azalması durumunda duvar-normali yönündeki enerji veya enerji transferi dağılımının çarpıcı bir biçimde değişmesinin nedeni bu durumda ortaya çıkan yeni bir transfer mekanizması değil muhtemelen artan hız azalmasından dolayı ortalama kayma profilinde meydana gelen değişikliktir.
Özet (Çeviri)
This thesis aims to expand our knowledge about turbulent boundary layers (TBLs) developing under adverse pressure gradients (APG). The main focus of this thesis is coherent structures and energy transfer mechanisms in APG TBLs with small and large velocity defects. For this, two novel non-equilibrium APG TBL direct numerical simulation databases are generated. The first database is a non-equilibrium APG TBL with $Re_\theta$ reaching 8000 and a shape factor spanning between approximately $1.4$ and $3.2$. It is the main database utilized throughout the thesis. The second database has identical domain and boundary conditions to the first one. The difference between them is that turbulence in the inner layer of the second database is artificially eliminated. This second database is generated to examine the effect of the inner layer on the outer layer turbulence. For comparison purposes, a channel flow case, two zero pressure gradient (ZPG) TBLs and two homogeneous shear turbulence (HST) databases from the literature are employed. The energy-carrying and –transferring structures are examined using the spectral distributions and two-point correlations. The analysis reveals that energy-carrying structures in small defect APG TBLs and canonical flows have similar spatial and spectral features. In the large defect case, turbulence in the inner layer, which is the dominant region in canonical flows and small defect APG TBLs, loses its importance and outer-layer turbulence becomes dominant. The inner peak in the $\langle u^2\rangle$ spectra does not exist in the large-defect case. Moreover, two-point correlations show that the spatial organization becomes different in the large-defect case as well. Regarding the energy-transferring structures, production, pressure-strain and dissipation structures behave in a similar fashion to the energy-carrying structures. The spectral distributions show that the canonical flows and small defect APG TBLs behave very similarly. The shape of the spectra is qualitatively similar in both cases. In the large defect case, the wall-normal distributions of production and pressure-strain become different since the outer layer becomes dominant. However, the shape of 2D spectra and the aspect ratio of structures are alike in all cases. The production and pressure-strain structures are analyzed in more detail using the relative size and wall-normal positions with respect to each other and energetic structures using spectral distributions. The results show that production and pressure-strain spectra have similar features in both the inner and outer layers regardless of the velocity defect, despite the differences in energetic structures. In the inner layer, the results suggest that the near-wall cycle or another mechanism with similar spectral features exists in large defect APG. As for the outer layer, an interesting result is that in large-defect APG TBLs it acts more like a free shear layer than in small-defect APG TBLs or canonical flows. Besides that, production and inter-component energy transfer mechanisms are similar in all cases regardless of velocity defect. No inflection point instability in the outer layer of the large-defect APG TBLs was detected. The effect of the near-wall region on the outer-layer layer structures is examined through Reynolds-shear-stress carrying structures' spatial features by detecting individual structures using spatio-temporal volumetric data. The results show that the outer layer is not significantly affected by the inner-layer turbulent activity. The structures' spatial features mostly depend on the mean shear. The aspect ratio of Reynolds-shear-stress carrying structures remains almost identical in the outer layer when the inner-layer turbulence is eliminated. Moreover, the aspect ratio follows a similar trend in both outer layers of APG TBLs and HSTs when the structures' size is normalized with the Corrsin length scale. The overall conclusion is that energy transfer mechanisms remain the same within one layer regardless of the velocity defect. The reason why the wall-normal distribution of energy and energy transfer dramatically changes in the large defect case is probably the change in the mean shear profile due to the increasing velocity defect.
Benzer Tezler
- Momentum ve enerji denklemleri için düşük boyutlu modeller geliştirilmesi
Development of low order models for momentum and energy equations
KENAN GÖÇMEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2003
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HASAN GÜNEŞ
- Gelişmekte olan ülkelerde teknoloji politikalarının belirlenmesi ve Türkiye'deki durum
Technology policies in developing countries and the situatiın in Turkey
MEHPARE BARIŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMühendislik Yönetimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUFAN V. KOÇ
- Bir benzinli motorun türbülanslı akış alanlarının incelenmesi
The Investigation of the turblent flow fields in the motored S.1. engine
AHMET ERDİL
Doktora
Türkçe
1997
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ BORAT
- Taşıt hava emiş sisteminin akustik davranışının incelenmesi
Dynamical response prediction of the heavy truck air intake system using sea model
ÖZGÜN YAKAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK EROL
- Design and prototyping of sub millimeter-period undulators for free electron laser
Serbest elektron lazeri için milim alti periyotlu salındırıcı tasarım ve üretimi
DERYA BERKİN GÜREL
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Mühendislik BilimleriSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM BURÇ MISIRLIOĞLU
DOÇ. DR. OZAN AKDOĞAN