Comparison of finite volume and finite element methods for the flow of newtonian and non-newtonian fluids in pipes
Newtonyen ve newtonyen olmayan akışkanların borularda akışı için sonlu hacimler ve sonlu elemanlar yöntemlerinin karşılaştırılması
- Tez No: 961052
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET SORGUN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Boru akışı, Sayısal akışkanlar dinamiği, Sonlu elemanlar yöntemi, Sonlu hacimler yöntemi, Türbülanslı akış, Pipe flow, Computational fluids dynamic, Finite element method, Finite volumes method, Turbulent flow
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İzmir Katip Çelebi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Newtonyen olmayan akışkanların türbülanslı boru akışı, kimya, petrol ve makine sistemleri dahil olmak üzere birçok mühendislik uygulamasında kritik öneme sahiptir. Bu çalışma, Newtonyen ve Newtonyen olmayan akışkanların – Xanthan Gam (XG) ve Partially Hydrolyzed Polyacrylamide (PHPA) – düzgün ve pürüzlü dairesel borulardaki türbülanslı akışlarını kapsamlı bir deneysel ve sayısal inceleme ile sunmaktadır. Deneysel çalışmalar, İzmir Katip Çelebi Üniversitesi Hidrolik Laboratuvarı'nda, 4×10³ ila 3.2×10⁴ arasındaki Reynolds sayısı aralığında gerçekleştirilmiştir. Tam gelişmiş akış bölgesinde basınç kayıpları ve debiler ölçülmüştür. Reolojik analizler, hem XG hem de PHPA çözeltilerinin davranışını tanımlamak için en uygun modelin Herschel–Bulkley modeli olduğunu göstermiştir. XG, daha belirgin Newtonyen olmayan özellikler sergilemiştir. Deneylerden elde edilen sürtünme katsayısı değerleri, Newtonyen olmayan akışkanlar için yaygın olarak kullanılan Dodge–Metzner (1959), Kawase et al. (1994), Reed Pilehvari (1993) ve Torrance (1963) korelasyonları ile karşılaştırılmıştır. Bu korelasyonlar arasında, Torrance denklemi yüksek Reynolds sayılarında deneysel sonuçlarla en iyi uyumu göstermiş, en düşük ortalama mutlak yüzde hata (AAPE) %24,20 değeriyle öne çıkmıştır. Sayısal simülasyonlardan önce, çözünürlüğün doğruluğunu sağlamak amacıyla bir ağ duyarlılık analizi yapılmıştır. Sayısal simülasyonlar, Sonlu Elemanlar Yöntemi (FEM) ve Sonlu Hacimler Yöntemi (FVM) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Test edilen türbülans modelleri arasında, Reynolds Gerilme Modeli (RSM), FEM'de %9,32 ile en düşük AAPE değerine sahip olarak en yüksek doğruluğu göstermiştir. FVM'de ise standart k-ε modeli, %11,35 ile en düşük AAPE değerine sahip olarak en tutarlı sonuçları vermiştir. Her iki yaklaşım da klasik korelasyonlara kıyasla daha güvenilir basınç gradyanı ve duvar kesme gerilmesi tahminleri sunmuştur. Duvar kayma gerilmesi tahmininde, Dodge ve Metzner (1959), Torrance (1963) ve Kawase vd. (1994) tarafından geliştirilen korelasyonlara kıyasla FEM ve FVM daha iyi performans göstermektedir. Sayısal sonuçlar, evrensel ortalama hız profili denklemleriyle doğrulanmıştır. Pürüzlü yüzeylerin, logaritmik tabakada aşağıya doğru bir kaymaya neden olduğu ve duvar yakınındaki hızı düzgün borulara kıyasla azalttığı gözlemlenmiştir. Görünür viskozite analizleri, kayma incelmesinin şiddetinin Newtonyen davranıştan sapmayı nasıl etkilediğini daha da vurgulamıştır. Çalışma, Newtonyen olmayan akışkanların türbülanslı boru akışı davranışını yüksek doğrulukla karakterize etmek ve öngörmek için reoloji, türbülans modellemesi, yüzey pürüzlülüğü ve sayısal yaklaşımın birleşik etkisini ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
Turbulent pipe flow of non-Newtonian fluids is critically important in numerous engineering applications, including chemical, petroleum, and mechanical systems. This study presents a comprehensive experimental and numerical investigation of turbulent flows of Newtonian and non-Newtonian fluids—Xanthan Gum (XG) and Partially Hydrolyzed Polyacrylamide (PHPA) solutions—in smooth and rough circular pipes. Experimental studies were conducted in the İzmir Katip Çelebi University Hydraulics Laboratory across a Reynolds number range of 4×10³ to 3.2×10⁴. Pressure losses and flow rates were measured in the fully developed flow region. Rheological analysis showed that the Herschel–Bulkley model as the most appropriate for describing the behavior of both XG and PHPA solutions, with XG exhibiting more pronounced non-Newtonian characteristics. Friction factor values obtained from the experiments were compared to several widely used correlations for non-Newtonian fluids, including Dodge–Metzner (1959), Kawase et al. (1994), Reed–Pilehvari (1993), and Torrance (1963). Among these, the Torrance equation provided the best agreement with experimental results at higher Reynolds numbers, yielding the lowest AAPE (24.20%). A mesh sensitivity analysis was performed prior to numerical simulations to ensure accurate resolution. Numerical simulations were conducted using both Finite Element Method (FEM) and Finite Volume Method (FVM). Among the turbulence models tested, the Reynolds Stress Model (RSM) showed the highest accuracy with lowest AAPE (9.32%) in FEM, while the standard k-ε model yielded the most consistent results with lowest AAPE (11.35%) in FVM. Both approaches provided more reliable pressure gradients and wall shear stress predictions than classical correlations. Wall shear stress estimation shows better performance using FEM and FVM compared to the correlations developed by Dodge and Metzner (1959), as well as those by Torrance (1963) and Kawase et al. (1994). Numerical results were validated against the universal mean velocity profile equations. It was observed that surface roughness caused a downward shift in the logarithmic layer and reduced near-wall velocity compared to smooth pipes. Apparent viscosity analyses further emphasized how shear-thinning intensity affects the deviation from Newtonian behavior. The study highlights the combined influence of rheology, turbulence modeling, surface roughness, and numerical approach in characterizing and predicting turbulent pipe flow behavior of non-Newtonian fluids with high accuracy.
Benzer Tezler
- Değişken kalınlıklı halka plakların statik ve dinamik stabilitesi
Static and dynamic stability of variable thickness annular plates
VAHİT MERMERTAŞ
- Basınçlı su reaktörleri U borulu buhar üreteçlerinin termo-hidrolik modellenmesi
Thermal-hydraulic analysis of U-tube steam generators for gressurized water reactors
SÜLEYMAN ÖZKAYNAK
- Hacimlerin pasif ısıtma sistemleri olarak değerlendirilmesinde kullanılabilecek bir yaklaşım
A New approach for the evaluation of the thermal performance of rooms as passive heating systems
GÜL KOCAASLAN
- Kemer Barajının statik ve dinamik analizi
Başlık çevirisi yok
MURAT MUVAFIK
Yüksek Lisans
Türkçe
1993
İnşaat MühendisliğiKaradeniz Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. A. AYDIN DUMANOĞLU
- Ani sıcaklık değişimi etkisindeki türbin kanadı nonlineer titreşimlerinin sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmesi
The F.E. analysis of nonlinear vibrations of turbine blade subjected to transient heat flux
ÖMER KADİR MORGÜL