Geri Dön

Tabak tipi girdap kırıcının tankın boşaltılması esnasındaki etkilerinin deneysel olarak incelenmesi

Experimental investigation of the effects of plate type vortex breakers during tank discharge

PDF İndir

  1. Tez No: 918307
  2. Yazar: TAMER ALP ERENDUR
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. SERTAÇ ÇADIRCI
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 79

Özet

Bu tezde içi sıvı dolu silindirik bir tankın tahliyesi esnasında tahliye hattına gaz girmesi olayı ve tabak tipi girdap önleyicilerin gaz girme üzerine olan etkilerinin incelenmesi gerçekleştirilmiştir. Silindir şekle sahip, alt yüzeyinin ortasında tahliye deliği bulunan bir tankta tahliyenin açılması ile hidrostatik basınç gereği debi sıfırdan başlayarak bir değere kadar hızlıca gelir. Sonrasında tankın içerisindeki sıvının azalması ile bu debi yavaş bir şekilde azalır. Deliğin çapı tankın çapından küçük olduğu için deliğin içerisinde akışkan daha hızlıdır ve tankın tahliye olması için deliğin olduğu yerde basıncın düşmesi gerekmektedir. Bu düşüş tankın tahliyesi esnasında belirli bir noktada sıvı gaz yüzeyinin bozularak gazın tahliye hattına gitmesine sebebiyet verir. Tankın tahliyesi sırasında gaz girme olayını açıklayan iki önemli parametre bulunmaktadır. Bunlardan ilki tahliye hattına gaz girişinin gerçekleştiği andaki sıvının tank tabanına olan yüksekliğidir. Bu yüksekliğe kritik yükseklik ismi verilir. Diğer önemli parametre ise gaz girme olayının gerçekleştiği süredir. Bu süre kritik süre olarak adlandırılır ve tahliyenin başladığı andan ilk gaz girişinin gerçekleştiği ana kadar ölçülür. Tez çalışmasında öncelikli olarak numerik çalışmalara yer verilmiştir. Literatürde önceden yapılan deneysel çalışmalardan biri hesaplamalı akışkanlar dinamiği çözücüsü ANSYS Fluent programı ile tekrar çözülmüş, doğrulaması yapılmış ve gaz girme olayı incelenmiştir. Numerik çalışmaların çok zaman alması, bilgisayar gücü istemesi ve deneysel çalışma imkânı olması sebebiyetiyle çalışmaya deneysel olarak devam edilmiştir. Deney düzeneğinde tankın hatta çabuk bağlantı olarak adlandırılan bağlantısı ile bağlı olması, hattın uzunluğu ve küresel vana gibi bilgisayar ortamında modellenmesi zorlu ve yüksek hesaplama gücü isteyen özellikleri sebebiyle test çalışmalarının numerik doğrulaması yapılmamıştır. Tezde kullanılan deney düzeneği 500 mm çapında ve 500 mm yüksekliğinde silindirik bir tank, tankın alt kısmın ortasında yer alan 35 mm çapında bir tahliye deliği, bu deliğin devamında borulamalar ve bir vanadan oluşmaktadır. Tankın içerisindeki sıvının tamamını dikey bir şekilde görebilecek bir kamera sabitlenmiştir. Tank üzerindeki cetvel sayesinde istenilen su seviyesinde doldurulur ve vana ile tahliye edilir. Kamera anlık olarak suyun yüksekliğini çeker. Tankın içerisindeki sıvıyı karıştırabilmek için elektrik motor ve sabitleme elemanlarından oluşan bir düzenekte bulunmaktadır. Sıvı olarak şebeke suyu kullanılmıştır. Testlere öncelikli olarak sıvının durgun olduğu koşul ile başlanmıştır. Bu koşul için 3 farklı su yüksekliği 10, 20 ve 30 cm seçilmiştir. Su istenilen seviyeye getirildikten sonra su doldurma bırakılarak suyun durgunlaşması için 1 saat beklenmiştir. Burada amaç suyun içerisinde tahliye esnasında dönmeye sebebiyet verebilecek herhangi bir hareketin kalmamasıdır. 1 saat beklemenin ardından kamera kaydı açılarak su vanası açılmıştır. Böylece suyun tahliyesi başlamıştır. Su tahliye olurken kritik yükseklik değerine gelince tankın tahliye hattına gaz girişi gözlemlenmiştir. Bu kritik yükseklik ve gaz girişinin gerçekleştiği zaman olan kritik zaman kayıt edilmiştir. Durgun halde tankta da gaz girişi gözlemlendikten sonra gaz giriş yüksekliğini düşürmek ve gaz giriş zamanını daha geç zamanlara taşımak için girdap önleyici cihazlar kullanılmıştır. 3 boyutlu yazıcıdan üretilen üstü dairesel plaka olan girdap önleyici cihazların boyutları tahliye çapının yarısından başlayarak 1,2,3 ve 4 katı olacak şekilde tasarlanmıştır. Burada amaç girdap önleyici cihazın çapının tahliye çapının oranıyla etkisini incelemektir. Tank boşken ve 5 farklı girdap önleyici cihaz tankın tahliye deliğinin üstüne yerleştirilmişken 3 farklı sıvı yüksekliğinde testler 3 tekrar olarak gerçekleştirilmiştir. Testleri 3 tekrar yapılmasının sebebi çevresel etkiler sebebiyle testin etkilenmesi ihtimalini ortadan kaldırmaktır. Yapılan 3 tekrarlı testlerden herhangi birinde bir farklılık görülmesi durumunda dördüncü bir test yapılmış ve en az 3 eş değer test sonucu elde edilmiştir. Hiçbir koşul için beşinci testin yapılmasına ihtiyaç duyulmamıştır. Sıvının durgun haliyle yapılan deney sonuçları tabak çapının artışı ile kritik yüksekliğin azaldığı, girdap önleyici cihaz kullanmanın özellikle 2 çap boyuttan sonra etkisi olduğunu ve 4 çap boyutunda girdap önleyici cihaz ile neredeyse kendi yüksekliği kadar gaz girişini engellediğini göstermektedir. Durgun halde iken yapılan testlerde literatürdeki verilere paralel olarak kritik yükseklik değerinin başlangıç su seviyesiyle kayda değer bir değişim göstermediğini göstermiştir. Tahliye esnasında tahliye edilen tankın dönmesi veya yatay kuvvetlere maruz kalması tahliye esnasında hızlı bir şekilde girdap oluşturacak ve bu girdap tankın merkezinde basınç düşüşüne sebebiyet vererek daha erken gaz girişine neden olacaktır. Bu yüzden sıvının durgun olarak başladığı koşullarda testler tamamlandıktan sonra sıvının başlangıç koşulunda açısal hıza sahip olduğu durum için testler gerçekleştirilmiştir Durgun hale benzer bir şekilde 3 farklı su seviyesinde bu işlemi gerçekleştirmek için devri voltaj ile ayarlanabilen bir elektrik motor vidalı bir mekanizmanın üzerine yerleştirilmiştir. Bu mekanizma sayesinde elektrik motorun çıkışına takılan tankın çapının yarısı uzunluğunda bir karıştırıcı plaka farklı su yüksekliklerinde suyun içerisine tam olarak yerleştirilmiştir. Testler 10, 20, 30 ve 40 devir/dakika olmak üzere 4 farklı başlangıç açısal hız koşulunda gerçekleştirilmiştir. Karıştırıcı vidalı sistem ile sıvı seviyesine kadar ayarlandıktan sonra 2 dakika boyunca belirlenen hızda sıvı karıştırılmıştır. 2 dakikalık karıştırma işlemi bittikten sonra karıştırıcının girdabı engellememesi veya sıvının açısal hızını sönümlememesi için elektrik motorun kapatılmasıyla eş zamanlı olarak karıştırıcı sıvının içerisinden çıkarılmıştır. Karıştırıcının çıkarılmasından sonra beklenmeden tahliye vanası açılmıştır. Böylece açısal hızın sıvının tank yüzeyiyle sürtünmesi kaynaklı yavaşlamasının etkisi en aza indirilmiştir. Durgun hale benzer bir şekilde kamera ile gaz girişi gerçekleşen sıvı yüksekliği ve süre kaydedilmiştir. Test sonuçlarına göre hiçbir girdap kırıcı kullanılmaz ise en ufak bir açısal hızda bile kritik yüksekliğin çok büyük ölçüde arttığı ve gaz girmesi kaynaklı tahliye sürelerinin önemli ölçüde yükseldiği gözlemlenmiştir. Sıvıya başta verilen açısal hızın artışı ile tüm girdap önleyiciler olan ve olmayan koşullarda gaz giriş yüksekliği artmıştır. Bu sonuçlar tankın maruz kaldığı kuvvetlerin gaz girişine önemli etkileri olduğunu göstermektedir. Kritik yükseklik hiçbir girdap kırıcı olmayan durumdan tahliye ile eş değer çaplı girdap kırıcıya geçince çok önemli ölçüde düşüş göstermiş olup bu girdap kırıcıdan tahliye çapının 2 katı olan girdap kırıcıya geçişte de gene önemli bir ölçüde düşüş göstermiştir. Yani girdap kırıcıların çaplarının artmasıyla oluşan iyileşme giderek azalmaktadır. 3 çaplı girdap kırıcı ile 4 çap girdap kırıcı arasındaki fark oldukça düşüktür. Bu yüzden çalışmada tahliye çapının 5 veya daha fazla katı girdap kırıcı kullanılmamıştır. Tahliye çapının 4 katı girdap kırıcı kullanılan durumda 10 ve 20 rpm karıştırma değerlerinde durgun hale benzer bir şekilde gene neredeyse kendi yüksekliğine kadar gaz girişini engellemiştir. 4D olarak adlandırılan bu girdap kırıcının düşük sarsıntılar kaynaklı oluşan girdapların oluşturduğu gaz girişini önemli ölçüde engelleyeceğini göstermektedir.

Özet (Çeviri)

In this thesis, gas intake into the discharge line during the discharge of a cylindrical tank filled with liquid and the effects of plate type vortex breakers on gas intake were investigated. In a cylindrical tank with a drain hole in the center of the bottom surface, the flow rate starts from zero and increases rapidly up to a value due to hydrostatic pressure when the drain is opened. Then this flow rate decreases slowly with the decrease of the liquid in the tank. Since the diameter of the hole is smaller than the diameter of the tank, the fluid is faster in the hole and the pressure must drop where the hole is in order for the tank to drain. This drop causes the liquid gas surface to disrupt at a certain point during the drainage of the tank and cause the gas to go to the discharge line. There are two important parameters that explain the gas entry during the drainage of the tank. The first of these is the height of the liquid to the bottom of the tank at the time of gas entry into the discharge line. This height is called the critical height. The other important parameter is the time when gas entry occurs. This time is called the critical time and is measured from the moment the drain starts until the first gas entry occurs. In the thesis study, numerical studies are carried out primarily. A previous experimental study in the literature was re-solved and validated with the computational fluid dynamics solver ANSYS Fluent program and the gas entry phenomenon was examined. Since numerical studies are highly time consuming, computer power demanding and experimental work is possible, the study was continued experimentally. No numerical validation of the test studies was performed due to the fact that the tank in the experimental setup is connected to the line with a quick coupling connection, the length of the line and features such as ball valves, which are difficult to model in computer environment and require high computational power. The experimental setup used in the thesis consists of a cylindrical tank with a diameter of 500 mm and a height of 500 mm, a drain hole with a diameter of 35 mm located in the center of the bottom of the tank, with piping and a valve following this hole. A camera is fixed to the tank to be able to see all the liquid in the tank vertically. The tank is filled to the desired water level with the help of the ruler on the tank and discharged with the valve. The camera instantly captures the height of the water. In order to rotate the liquid in the tank, there is a device consisting of an electric motor, mixer and fixing elements. As liquid, water was used. The tests were started with the condition in which the liquid was stagnant. For this condition, 3 different water heights of 10, 20 and 30 cm were selected. After the water was filled to the desired level, the water filling was stopped and 1 hour was waited for the water to stagnate. The aim here is to prevent any movement in the water that may cause rotation during draining. After 1 hour of waiting, the camera recording was turned on and the water valve was opened. Thus, the drainage of the water started. During water drainage, when the critical height was reached, gas entry into the drain line of the tank was observed. This critical height and the critical time when gas entry occurred were recorded. After gas entry was observed in the tank at stagnant state, anti-vortex devices were used to reduce the gas entry height and delay the gas entry time to later times. 3D printed anti-vortex devices with a circular plate on top were designed to be 1,2,3 and 4 times the size of the discharge diameter starting from half of the discharge diameter. The aim here is to examine the effect of the diameter of the anti-vortex device on the ratio of the discharge diameter. The tests were carried out in 3 repetitions at 3 different heights and 5 Different anti-vortex devices were placed on top of the drain hole of the tank. Reason for performing the tests 3 times is to eliminate the possibility of the test being affected due to environmental impacts. In case of a difference in any of the 3 repeated tests, a fourth test was performed and at least 3 equivalent test results were obtained. A fifth test was not required for any condition. Stagnant liquid test results show that the critical height decreases with the increase of the plate diameter, the use of an anti-vortex device has an effect especially after 2 diameters, and at 4 diameters, the anti-vortex device prevents gas ingress almost as much as its own height. The tests carried out in the stationary state showed that the critical height value did not show a significant change with the initial water level in compliance with the data in the literature. The rotation of the tank or exposure to horizontal forces during evacuation will quickly create a vortex and this vortex will cause a pressure drop in the center of the tank, resulting in earlier gas entry. For this reason, after the tests were completed in the conditions where the liquid started at rest, tests were carried out for the case where the liquid had radial velocity in the initial condition. Similar to the stagnant state, an electric motor, whose speed can be adjusted by voltage, is placed on a mechanism with screws to perform this process at 3 different water levels. By this mechanism, an agitator plate which is half the length of the diameter of the tank attached to the outlet of the electric motor was fully positioned in the water at different water heights. The tests were carried out at 4 different initial radial velocity conditions of 10, 20, 30 and 40 rpm. After the stirrer was adjusted to the liquid level with the screw system, the liquid was stirred at the determined speed for 2 minutes. After 2 minutes of stirring, the mixer was removed from the liquid simultaneously with the shutdown of the electric motor in order to prevent the mixer from blocking the vortex or damping the radial velocity of the liquid. After the removal of the mixer, the discharge valve was opened without waiting. Thus, the effect of radial velocity deceleration due to friction with the tank surface was minimized. Similar to the steady state, the height of the liquid and the time of gas entry were recorded with a camera. According to the test results, it is observed that if no vortex breaker is used, the critical height increases significantly even at the slightest radial velocity and the discharge times increase significantly due to gas intake. With the increase of the initial radial velocity of the liquid, the gas inlet height increased for all conditions with and without vortex breakers. These results show that the applied forces on the tank have a significant effect on the gas entry. The critical height decreased significantly from the case with no vortex breaker to the case with a vortex breaker with a diameter equal to the discharge, and again decreased significantly from this vortex breaker to a vortex breaker with a diameter twice the diameter of the discharge. So, the improvement gradually decreases with increasing diameter of the vortex breakers. The difference between a 3-diameter vortex breaker and a 4-diameter vortex breaker is small. Therefore, vortex breakers of 5 or more times the discharge diameter were not used in the study. In the case where 4 times the discharge diameter vortex breaker was used, it still prevented gas entry almost up to its own height, similar to the steady state at 10 and 20 rpm mixing values. This shows that this vortex breaker, called 4D, will significantly prevent the gas intake caused by the vortices generated by low forces.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    894443

    Experimental investigation of boundary layer transition via vortex generators

    Vorteks üreteçleri ile sınır tabakadaki akışın laminerden türbülansa geçisinin deneysel incelenmesi

    İSMET CİHAT AY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    DR. DUYGU ERDEM

  2. Tez No

    223071

    Computational fluid dynamics analysis of turbulent flows

    Türbülanslı akışların hesaplamalı akışkanlar mekaniği ile analizi

    ALİ ÖZEL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2006

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı

    DOÇ.DR. FIRAT OĞUZ EDİS

  3. Tez No

    832917

    Insight into the flow characteristics downstream of micro vortex generators

    Mikro girdap üreteçlerinin iz bölgelerinin karakteristikleri üzerine bir çalışma

    MUHİDDİN TUĞRUL AKPOLAT

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Havacılık ve Uzay MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA PERÇİN

  4. Tez No

    530267

    Hipersonik akışta şok-şok ve şok-sınır tabaka etkileşim mekanizmalarının incelenmesi ve ortaya çıkan yüzey isı transferi açısından değerlendirilmesi

    Numerical investigation of shock-shock and shock-boundary layer interaction mechanisms and in terms of surface heat transfer at hypersonic flow

    AHMET SELİM DURNA

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BAYRAM ÇELİK

  5. Tez No

    153299

    Parallel navier stokes solutions of low aspect ratio rectangular flat wings in compressible

    Kısa açıklık oranlı, düz, dikdörtgen kanatların sıkıştırılabilir akım alanlarının paralel Navier Stokes çözümleri

    GÖKHAN DURMUŞ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2004

    Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ.DR. SİNAN EYİ

    PROF.DR. MEHMET ŞERİF KAVSAOĞLU

Geri Dön