Geri Dön

Effects of inflow perturbations generated with hydrodynamic stability concept on the time dependent flow development

Hidrodinamik kararlılık kavramıyla oluşturulan giriş tedirginliklerinin zamana bağlı akış gelişimi üzerindeki etkileri

PDF İndir

  1. Tez No: 946036
  2. Yazar: TAHA GÜNAYDIN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İLYAS BEDİİ ÖZDEMİR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  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: 176

Özet

Son yıllarda artan hesaplama gücü sayesinde Doğrudan Sayısal Benzetim (DNS) ve Büyük Girdap Benzetimleri (LES) gibi yüksek doğrulukta akış benzetimleri yaygınlaşmıştır. Bu benzetimler için gerçekçi çalkantılı giriş koşulları akışın gelişimini doğrudan etkilediğinden büyük öneme sahiptir. Giriş koşullarını oluşturmak için çeşitli yöntemler vardır; bunlar arasında yapay çalkantı üretimi, düşük hesaplama maliyeti ve kolay uygulanabilirliğiyle öne çıkar. Ancak bu yöntemde, çalkantının uzaysal ve zamansal olarak kararlı hale gelmesi için gelişim bölgesi gereklidir. Daha yüksek doğruluk için deneysel veriye dayalı yöntemler kullanılabilir, fakat bu da karmaşıklığı artırır. Bu nedenle, uygulanabilir bir yöntemin hem basit hem de yeterince doğru olması beklenir. Bu çalışma, hidrodinamik kararlılık kavramı ile oluşturulmuş giriş koşullarının çalkantı gelişimi üzerindeki etkisini incelemekte olup, temel amacı gerçekçi giriş koşulları oluşturulması bağlamında çalkantılı akışın ardındaki mekanizmaların daha iyi anlaşılmasını sağlamaktır. Bunu uygulamak adına, eksenel yönde dönen sarmal boru akışı benzetimleri gerçekleştirilmiştir. Bu akış düzeneği, ortalama akış alanı ve çalkantının etkileşimi açısından oldukça önemli olmakla beraber, döner makineler, boru sistemleri ve enerji uygulamaları gibi pratik alanlarda oldukça önemlidir ve bu nedenlerden ötürü seçilmiştir. Hidrodinamik kararlılık kavramı bağlamında, akış denkemlerinde bağımlı değişkenler zamana bağlı değişen ve sabit kısımlarına ayrılır. Denklemlerin ayrık hallerinin zamana bağlı ortalamaları alınır ve ortalaması alınmış denklemler bütün denklemlerden çıkarılır. Elde edilen denklemler, tedirginlik büyüklüklerini içeren denklemlerdir. Tedirginlikler için bir dik çözüm varsayımı yapılır ve bu varsayım ile birlikte bir özdeğer problemi elde edilir. Özdeğer problemi, teğetsel yönde gerçel özdeğer kφ , gerçel zamansal sıklık ω ve akış yönünde sanal özdeğer kz 'nin ve bu üç özdeğer ile eşlenik özfonksiyonun bulunmasını gerektirir. Bu bağlamda, gerçel özdeğerler sabit sayı kabul edilip önceden belirlenir ve bu haliyle denklem takımı sayısal yöntemlerle bir sınır değer problemine dönüştürülerek çözülür. Özdeğer problemini oluşturan denklemler tek başına kapalı olmayan bir sistem oluşturduğundan, bu problemi bir sınır değer problemine dönüştürebilmek adına ek bir denkleme ihtiyaç duyulur. Bu denklem, normalizasyon koşuludur ve çözümlerin bağıl ölçeğini belirlemektedir. Tüm farklı akış alanları için özdeğer uzayının ve kip şekillerinin hesaplanmasında paralel-atış yöntemi kullanılmıştır. Bu sayısal yöntemde, denklem takımına ait bilinmeyen sınır koşulları başlangıçta tahmin edilir ve bilinen sınır koşulları ile beraber denklemler iç bölgede keyfi bir noktaya kadar entegre edilir. İç bölgedeki noktada, tüm bağımlı değişkenler belirli bir pay ölçeğinde eşleştiğinde çözüm bulunmuş olur. Denklemler boru merkezinde bir tekillik içerdiğinden, boru merkezinde denklemlerin yarıçap doğrultusunda sıfıra yakınsayan halleri l'Hôpital kuralı yardımıyla çözülmektedir. Çalışmanın ilk aşamasında, üç farklı eksenel hız alanı için hem sarmal hem de sarmal olmayan durumlar olmak üzere toplam altı akış alanı için uzaysal, viskoz olmayan hidrodinamik kararlılık problemi çözülmüştür. Bu üç profil, sabit, laminer, ve çalkantılı akış profilidir. Elde edilen sonuçlar, bazı akış alanlarında hem kararlı hem de kararsız dalga çözümlerin varlığını ortaya koymaktadır. Özdeğer çözüm uzayının büyük bir bölümünde dalgaların yayılım yönü yukarı akış yönündedir. Sarmalsız düz ve sarmalsız laminer profil gibi görece basit durumlarda, kip şekilleri Bessel fonksiyonlarına benzerlik göstermektedir. İkinci aşamada, viskoz etkileri hesaba katmak amacıyla, iki fiziksel olarak anlamlı ortalama akış alanı için viskoz hidrodinamik kararlılık problemi çözülmüştür. Bu iki profil, sarmalsız laminer profil ve sarmallı çalkantılı profildir. Öncelikle, viskoz terimlerin de eklenmesiyle beraber ortaya çıkan boyutsuz Re sayısının özdeğer uzayı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu bağlamda, iki farklı kip ailesi olduğu bulunmuştur. Birincisi, Re sayısı arttıkça belirli bir uzaysal şekle yakınsayan ve özdeğerin sayısal değerininin büyük ölçüde değişmediği viskoz olmayan alt küme'dir ve bunlar daha önce bulunan çözümlere büyük yakınlık göstermektedir. İkincisi, viskoz alt küme, özdeğer uzayında Re sayısına bir bağımlılık gösterir ve bu bağımlılığın üç farklı davranışı gözlemlenmiştir. Orta boyutlu Re sayılarında Re ve kzi (akış yönündeki özdeğer) çarpımlarının yaklaşık sabit kaldığı, belirli bir Re sayısından sonra ise bu özdeğerin belirli bir değere yakınsadığı bulunmuştur. Bu, fiziksel açıdan viskoz kiplerin çok yüksek Re sayılarında dahi sönümlendiğini göstermektedir. Viskoz hidrodinamik kararlılık denklemleri, bahsi geçen iki farklı ortalama akış alanı için Re = 2500 değerinde ilk on iki kip için çözülmüştür. Sarmalsız laminer akış alanı için çözümler, her kipte, kipe özgü belirli bir frekansa kadar bulunmuştur. Bulunan tüm çözümlerin uzaysal kararlı olduğu görülmüştür, ve kip şekillerinin frekansa bağlı değiştiği gözlemlenmiştir. Bu değişim, frekans arttıkça şekillerin yarıçapsal doğrultuda bir bölgede yoğunlaşma olarak gözlemlenmiştir. Yoğunlaşmanın gerçekleştiği bölge kipe özgüdür, fakat bu konuda iki farklı kip şekli gözlemlenmiştir. Bunlar, duvar bölgesine yakın yoğunlaşan kipler ve merkez bölgesine yakın yoğunlaşan kiplerdir. Duvar kiplerinin istikrarlı olarak daha şiddetli sönümleme oranlarına (kzi ) sahip olduğu ve daha yavaş hareket eden dalgalar olduğu gösterilmiştir. Bu, viskozitenin duvar çevresinde daha baskın olması ile eşleştirilebilecek bir sonuçtur. Sarmal çalkantılı akış alanı için aynı Reynolds sayısı için bulunan çözümlerde laminer akış alanına benzer olarak kiplere özgü sınır frekanslar ve kiplerin yoğunlaşması gözlemlenmiştir. Fakat burada farklı olarak kiplerin sınır frekanslarının büyük ölçüde farklılık gösterdiği görülmüştür. Bu durum, sınır frekansların bir hesaplama kısıtından ziyade ortalama akış alanına özgü bir özellik olabileceğini göstermektedir. Sarmal çalkantılı akış alanında sınır frekansların laminer ortalama akış alanına kıyasla daha fazla olduğu görülmüştür. Bu kararlılık çözümlerinin akış alanında çalkantı gelişimi üzerindeki etkilerini değerlendirmek amacıyla, OpenFOAM açık kaynaklı yazılımı kullanılarak LES gerçekleştirilmiştir. Benzetimlerde, yarıçap esaslı Reynolds sayısı 2500 ve sarmallık sayısı 0.5 olarak alınmış, alt-kafes modellemesi için, Smagorinsky modeli tercih edilmiştir. Giriş koşularının etkisini inceleyebilmek adına, üç farklı benzetim diğer tüm koşullar aynı olacak biçimde belirlenmiştir. Bunlar sırasıyla tedirginlik içermeyen benzetim, viskoz olmayan çözümlerden oluşturulmuş tedirginlik içeren benzetim ve son olarak viskoz çözümlerden üretilmiş tedirginlikler içeren benzetimdir. Viskoz olmayan çözümlerle oluşturulan giriş koşullarında, ilk 10 kip kullanılmıştır. Viskoz çözümlerden oluşturulan giriş koşullarında ise ilk on iki kip arasında bir benzerlik matrisi kurulmuş ve bu matris yardımıyla çözümler arasından 5 adet birbirine göre görece benzersiz bir kip kümesi kullanılmıştır. Bu kiplerin toplanması sonucu elde edilen çalkantı enerjisi (RMS) değerleri daha önce gerçekleştirilmiş olan DNS sonuçları ile yüksek doğrulukla örtüşmüştür. Benzetim sonuçları, çalkantı gelişiminin giriş koşullarına oldukça duyarlı olduğunu göstermektedir. Özellikle viskoz kararlılık kuramına dayalı tedirginliklerin uygulandığı benzetimlerde, çalkantı özellikleri (dalgalanma büyüklükleri, spektral içerik ve anizotropi) çok daha erken gelişmekte ve çalkantı yaklaşık olarak girişten 40 boru çapı uzaklıkta kararlı hale gelmektedir. Buna karşın, bozulma içermeyen durumda geçiş daha geç ya da eksik gerçekleşmektedir. Elde edilen bulgular, geçiş rejiminde bile doğru ve fiziksel temelli giriş koşullarının kullanılmasının hem nitel hem de nicel çalkantı özelliklerinin yakalanmasında hayati önem taşıdığını ortaya koymaktadır.

Özet (Çeviri)

This study investigates the influence of inflow conditions on the development of turbulence in axially rotating pipe flow, with the aim of improving our understanding of turbulence onset in transitional regimes and generation of proper inflow conditions. The flow configuration is motivated by both fundamental interest and practical relevance in rotating machinery and pipe transport systems, where inflow disturbances and swirl can significantly affect transition dynamics. The analysis begins with the spatial inviscid hydrodynamic stability problem, solved for six configurations involving distinct mean axial velocity profiles, both with and without rotation. The parallel-shooting method is employed to compute eigenvalues and mode shapes. The inviscid results reveal both stable and unstable wave-like solutions, with mode shapes resembling Bessel functions in simpler cases. The propagation direction and growth rates of these modes seemed to vary with rotation and velocity profile. To capture viscous effects, the spatial viscous stability problem is then solved for two physically relevant cases, laminar axial profile without swirl and a turbulent profile with swirl. The viscous spectrum reveals two mode families, one converging to inviscid modes with slightly different dispersion characteristics, and a second“viscous subset”exhibiting distinct spatial structures and primarily downstream propagation. These include wall and centre modes, whose spatial coherence decreases with increasing Reynolds number and frequency. No unstable viscous modes are observed within the investigated parameter space. Large Eddy Simulations (LES) are performed using OpenFOAM with a radius-based Reynolds number of 2500 and a swirl number of 0.5, employing the Smagorinsky subgrid-scale model. Inflow perturbations are constructed from hydrodynamic stability modes, selected based on orthogonality to ensure a representative and non-redundant perturbation basis. A control case without inflow perturbations is also simulated. The results show that inflow conditions derived from viscous stability theory significantly improve the accuracy of turbulent statistics. Specifically, turbulence characteristics begin to converge approximately 40 pipe diameters downstream when perturbations are imposed, in contrast to the delayed and less realistic transition observed in the unperturbed case. Overall, this study demonstrates that accurately prescribed inflow perturbations, grounded in linear stability theory, can substantially enhance the fidelity of LES in transitional pipe flows with swirl. These findings underscore the importance of coupling theoretical stability analysis with numerical simulations to better predict and control turbulence onset.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    517297

    Düşük mach sayısında kavite içi akışın aeroakustik incelenmesi

    Aeroacoustics investigation of low mach number cavity flow

    FURKAN COŞGUN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SERTAÇ ÇADIRCI

  2. Tez No

    66829

    Rüzgar enerjisi dönüşüm sistemlerinin aerodinamik kapsamı ve güç belirlenmesi analizlerinde potansiyel akım yöntemleri

    Aerodynamic aspects of wind energy conversion systems and potential flow methods in performance prediction analysis

    ALİ ALPER AKYÜZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. M. ADİL YÜKSELEN

  3. Tez No

    403028

    Shallow flow instabilities: Effects of gravity standing wave coupling

    Başlık çevirisi yok

    BURAK AHMET TUNA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Makine MühendisliğiLehigh University

    PROF. DONALD ROCKWELL

  4. Tez No

    712081

    Makro ihtiyati politika ve finansal istikrar ilişkisi: Türkiye'de konut sektörüne yönelik araçların etkinliği

    The relationship between macro prudential policy and financial stability: Effectiveness of tools for the housing sector in Turkey

    MURAT SARI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    EkonomiGalatasaray Üniversitesi

    İktisat Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ZEHRA YEŞİM GÜRBÜZ

  5. Tez No

    722181

    Effects of cooperative vehicle dynamics on traffic flow control

    İşbirlikçi taşıt dinamiklerinin trafik akım denetimine etkileri

    MEHMET ALİ SİLGU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Trafikİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HİLMİ BERK ÇELİKOĞLU

Geri Dön