An investigation of experimental techniques for determining skin friction in turbulent boundary layer
Türbülanslı sınır tabakada yüzey sürtünmesi belirlemeye yönelik deneysel yöntemlerin incelenmesi
- Tez No: 953195
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ DUYGU ERDEM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- 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: 69
Özet
Taşıma ve sürükleme, aerodinamik alanında üzerinde çalışılan başlıca büyüklüklerdendir. Verimli ve etkin bir tasarım için taşımanın yüksek, sürüklemenin düşük olması hedeflenir. Bu durumda sürükleme kuvvetinin doğru hesaplanması büyük önem arz eder. Bir yüzey etrafındaki sürüklemenin tespiti farklı yöntemlerle yapılabilir. Bu yöntemler yüzey üzerinden direkt elde edilen yöntemler ve elde edilen başka büyüklüklerden yola çıkılarak ulaşılan indirekt yöntemler olmak üzere iki alt başlıkta toplanabilir. Her ne kadar direkt yöntemlerin doğruluğu çok yüksek olsa da uygulama alanları açısından bazı kısıtlamalarla karşılaşılabilir. Önceden kalibre edilen bir ölçüm cihazı ya da optik araçlar vasıtasıyla çok hassas kesinlikte ve doğrulukta elde edilen sonuçların alınması esnasında akışta, ortamda ya da yüzeyde bazı bozuntular meydana gelebilir. İndirekt yöntemlerde yüzey sürtünme katsayıları hız profilleri aracılığıyla belirlenir. Her yöntemin bazı limitasyonları, uygulamada sınırları vardır. Gerçekleştirilen deneyler neticesinde kullanılan hız profilleri bunların ortaya çıkartılmasına yöneliktir. Bununla birlikte kabul edilebilirlikler açısından güvenilir sonuçlar elde edilir ve böylelikle direkt metotlarla yüzey üzerinden yüzey sürtünmesi ölçmek yerine hız profilleri ölçülür. Yapılan çalışmada sürtünme sürüklemesinin hesaplanması, sürükleme katsayısının Cf bulunması için direkt ve indirekt metodlara başvurulmuştur. Basınç etkisini işin içine katabilmek adına iki bölgeli pleksiglas bir yüzey kullanılmıştır. Düz bir yüzey belirli bir uzunluktan sonra eğimlendirilmiş, ölçümlerin doğru ve standardize bir şekilde yapılabilmesi için yüzey üzerindeki belirli konumlar seçilmiştir. Çalışmalar İstanbul Teknik Üniversitesi Trisonik Laboratuvarı Eiffel Rüzgar Tünelinde gerçekleştirilmiştir. Yüzey üzerinden basınç ölçümü yapılmıştır. Bu çalışma esnasında rüzgar tüneli içinde belirli bir uzaklığa bir engel konumuştur. Bu engel vasıtasıyla akış karakteristikleri değiştirilmiştir. Böylece elde edilecek ölçümün aralığınınn daha geniş olması sağlanmıştır. Basınç ölçümleri yine bu belirlenmiş noktalar üzerinde yapılmıştır. Deney hatalarının minimize edilmesi adına deneyler tekrarlanmış, sonuçlarda kullanılmak üzere tekrarlanan sonuçların ortalaması alınmıştır. Yüzey üzerine yerleştirilen kalibre edilmiş ölçüm cihazı ile (glue-on probe) kayma gerilmesi ölçümü yapılmıştır. Kayma gerilmesi öncesinde ilgili ölçüm cihazı İTÜ Trisonik Laboratuvarında bulunan sınır tabaka ölçümü için kullanılan rüzgar tüneli ile kalibre edilmişir. Hesaplamanın bir diğer adımı olan hız ölçümleri için sıcak tel anemometresi kullanılmıştır. Hız profilleri yüzey üzerindeki çeşitli konumlarda ölçülmüştür. Sonuçların karşılaştırılması için hesaplamalı akışkanlar dinamiği kullanılmıştır. Simule edilen akış farklı akış şartları, hesaplama esnasında kullanılan sınır şartları ve katsayılar, deney koşulları uyarınca seçilmiştir. Simulasyon üç farklı mesh için tekrarlanmıştır. Deney sonuçları ile hesaplamalı akışkanlar dinamiğinden elde edilen sonuçlar arasında uyum gözlenmiştir. Karşılaştırma kayma gerilmesi değerleri üzerinden yapılmıştır. Basınç dağılımları açısından sonuçlar değerlendirildiğinde farklı sınır koşullarında trendlerin uyuştuğu sonucu elde edilmiştir. Sonraki aşamalarda kullanılacak olan basınç gradyenlerinin karşılaştırılmasında da benzer bir durum söz konusudur. Hız taramaları ile çizdirilen sınır tabaka profilleri ile ters basınç gradyeni etkileri görülmektedir. Yine benzer biçimde hız profilleri hesaplamalı akışkanlar dinamiğinden elde edilen sonuçlarla benzerlik göstermektedir. Bu aşamadan sonra indirekt metotların uygulanmasına geçilmiştir. İndiekt yöntemlerin büyük çoğunluğu uygulamada logaritmik yasaya dayanır. Çalışma kapsamında temel alnınan indirekt yöntem Clauser Grafik Yöntemidir. H. Clauser tarafından 1950li yıllarda geliştirilen bu yöntemle yerel sürtünme sürüklemesi katsayısı hız profillerinden yola çıkılarak bulunabilir. Boyutsuzlaştırılan hız dağılımı, yerel sürtünme sürüklemelerinin aynı değerleri için logaritmik grafik üzerinde aynılaşmaktadırlar. Böylece de hız değerleri bilinen bir noktanın sürtünme sürüklemesi Clauser Grafik Yöntemi ile kolaylıkla ölçülebilir. Ancak kullanılan bu yöntemin bazı sınırları vardır. Öncelikle yöntem sıfır basınç gradyeni için doğru, ters basınç gradyenlerinin etkili olduğu bölgeler için gerçekten daha düşük sürükleme değerleri verir. Uygulamada ters basınç gradyenlerinin olmadığı bölgelerle karşılaşmak güçtür. Dolayısıyla yöntem üzerinde bazı geliştirmelerin yapılması gerekmektedir. Logaritmik denklemin viskoz ve dış bölgelerinin denklemin doğru sonuçlar vermesi adına iyi tanımlanması gerekir. Tanımlamanın yanlış kurgulanması halinde elde edilecek değerler gerçekten uzaklaşacaktır. Akışın atalet kuvvetlerinin viskoz kuvvetlere oranı şeklinde tanımlanan Reynolds sayısı ve sınır tabakadaki momentum kalınlığının yer değiştirme kalınlığına oranı olarak tanımlanan bir geometrik büyüklük olan şekil faktörü hız profillerinin bağlı olduğu iki büyüklüktür. Akış üzerindeki basınç etkisinin de gözlemlenebilmesi adına bir parametre tanımlanır. Sınır tabakanın momentum kalınlığının basınç gradyeni ile çarpılması ve artından kayma gerilmesine bölünmesi ile elde edilen bu parametre Clauser – Rota parametresi olarak adlandırılır. Bu parametrenin sıfırlandığı yerler denge (equilibrium) noktaları olarak adlandırılır. Bu denge noktaları Clauser Grafik Yönteminin doğru sonuçlar vereceği noktalardır. Şekil faktörünün ve Reynolds sayısının belirli bir skalanın dışına çıktığı durumlarda sınır tabaka içerisinde dengesizlik (nonequilibrium) oluşur. Bunun neticesinde hız profilleri etkilenir ve logaritmik bölgede elde edilen sonuçlar gerçek değerlerden farklılaşır. Tüm bu değerler logaritmik denklemdeki sabit katsayıların seçilmesinde önem arz etmektedir. Bu katsayıların doğru seçilmesi Clauser Grafik yönteminin düzgün sonuçlar verebilmesinin başat koşuldur. Bu gibi yetersiz durumlar için Clauser Chart yönteminin yeniden düzenlenmiş yöntemleri kullanılmaktadır. Bunlardan ilki olan Modified Clauser Grafik Yönteminde basınç gradyeni için yeni bir parametre tanımlanır (Delta p). Akışın sürtünme hızı, özkütle, dinamik viskozite gibi özelliklerine göre tanımlanan bu yeni parametre yüzey üzerindeki sürtünme sürüklemesi katsayısıyla ilişkilidir. Başlangıç için atanan bir sürükleme katsayısı değerine ve bunun sonucunda elde edilen katsayıya iterasyonlar yapılarak çok küçük fark değerleriyle önce katsayı ardından da logaritmik denklemin katsayıları belirlenmektedir. Buradan hareketle Cf elde edilmektedir. Bir diğer düzenleme olan Corrected Clauser Grafik Yöntemi benzer mantıkla Clauser Grafik yönteminin yeniden düzenlenmesine dayanır. Bu yöntemde sıfır basınç gradyeni olan noktların hız profilleri logaritmik olarak çizdirilir. Belirlenen bir logaritmik limit dahilinde yöntemin doğru sonuçlar verdiği ters basınç gradyenleri çizdirilir. Varsayımsal olarak hesaplanmak istenen ters basınç gradyenli akış ile sıfır basınç gradyeninin olduğu noktanın logaritmik limitlerinin aynı olduğu kabul edilmektedir. Limitler içinde kalan bölge ters basınç gradyeni için doğru sürtünme sürüklemesi sonuçları verir. Çalışmada yöntemlerin değerlendirilmesi için MATLAB kodu kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar literatürdeki değerlerle karşılaştırılmıştır. Seçilen deneysel modelden elde edilen hız profillerinden bu yöntemler aracılığıyla Cf değerleri elde edilmiştir. Çalışmada grafik yöntemlerin ters basınç gradyenleri için vereceği sonuçlar ile ilgilenilmiştir. Ters basınç gradyeninin yetersiz kaldığı veya sonuç vermediği durumların, katsayıların düzeltilmesi ile birlikte gerçek sonuçlara yaklaşması gözlenmiştir. Farklı şartlarda yapılan ölçümlerin tek bir Clauser-Rota - Cf eğrisinde toplanabiliyor olduğu görülmüştür. Bu durumdan hareketle beta'nın akışın karakteristiğini göstermek adına doğru bir parametre olduğu anlaşılmaktadır.
Özet (Çeviri)
Detection of drag around a surface can be done in different ways. With many different types of classification, it is generally possible to collect them under two main headings: methods obtained directly from the surface and indirect methods obtained based on other obtained quantities. In the study, direct and indirect methods were used to calculate the skin friction and find the skin friction coefficient (Cf). In order to incorporate the pressure effect, flat plexiglas plate which is inclined at a fixed angle of 10 degrees after a certain distance was used. The studies were carried out in Istanbul Technical University Trisonic Laboratory Eiffel Wind Tunnel. Pressure measurement was made over the surface. During this study, an obstacle was placed the inlet of test section of the wind tunnel for changing the characteristic of the flow. In order to minimize the experimental errors, the experiments were repeated, and the results were averaged. Shear stress was measured with a device (glue-on probe) placed on the surface. Before the shear stress, the probe was calibrated with the wind tunnel used for boundary layer measurement in ITU Trisonic Laboratory. A hot-wire anemometer was used for velocity measurements, another step of the calculation. Velocity profiles were measured at various locations on the surface. Computational fluid dynamics was used to compare the results. Comparison with CFD results was made over shear stress values. The values obtained from the different meshes created were compared with the experimental values , and it was seen that the results were compatible. Similar comparisons were made on velocity profiles. In the next step, indirect methods are discussed. The majority of indirect methods are based on the logarithmic law in practice. The indirect method based on the study is the Clauser Chart Method, which developed by H. Clauser in the 1950s, the skin friction coefficient can be found from the velocity profiles. However, this method has some limitations. The method gives lower drag values for regions where adverse pressure gradients are effective. For such insufficient cases, rearranged methods of the Clauser Chart Method are used. In the first of these, the Modified Clauser Chart Method, a new parameter is defined for the pressure gradient (Delta p). As a result, the coefficient and then the coefficients of the logarithmic equation are determined with minimal difference values. From here, Cf is obtained. Another arrangement, the Corrected Clauser Graph Method, is based on the rearrangement of the Clauser Graph method with a similar logic. In this method, velocity profiles of points with zero pressure gradients are plotted logarithmic. Within a specified logarithmic limit, adverse pressure gradients are plotted for which the method gives accurate results. It is assumed that the logarithmic limits of the hypothetical adverse pressure gradient flow and the point where the zero pressure gradient is located are the same. The region within limits gives accurate skin friction results for the adverse pressure gradient. Another criterion for evaluation is detecting the Clauser-Rota parameter (beta). Clauser focused on the pressure gradient effects on the turbulent boundary layers and defined a new parameter. Skin friction shows a decreasing character with increasing Clauser - Rota parameter. Measurements made under different conditions can be collected in a single skin friction - Clauser-Rota curve which indicates that beta is a correct parameter to describe the flow characteristics.
Benzer Tezler
- Kazıkların eksenel ve yatay yük taşıma kapasiteleri
The bearing capacity of piles under axial and lateral loading
NİLAY DURLANIK
- Erzincan manyetotelürik verilerinin değerlendirilmesi (profil-A)
Interpretation of Erzincan mt measurements
HIDIR AYGÜL
- Elektron ışın kaynağı ve otomotiv endüstrisindeki uygulamaları
Başlık çevirisi yok
ERCAN CİHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELAHATTİN ANIK
- Reaktif oksijen türleri kaynaklı oksidatif DNA hasarının modifiye CUPRAC yöntemi kullanılarak incelenmesi
Investigation of reactive oxygen species induced DNA damage using modified CUPRAC method
SEDA UZUNBOY
- Kömürlerin kendiliğnden yanmasının teorik ve deneysel incelenmesi
Theoretical and experimental investigations of spontonequs combustion of coals
FEHMİ AKGÜN