Bir boru içerisindeki fiber etrafında dönerek ilerleyen helisel hava akımı üzerindeki basınç farkı etkilerinin sayısal akışkanlar dinamiği metotları ile incelenmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında geometrik boyutları önceden belirlenmiş silindirik bir hava düzesi içerisindeki dönerek ilerleyen hava akımının genel davranışları incelenmiştir. Akış analizleri Steady-State (statik) ve Transient (dinamik) olarak ANSYS CFX programıyla yapılmış ve sonuçlar incelenmiştir. Bu çalışmada, seçilen hava düzesi için ana delik çapı 2.5 mm, enjektör çapları 0.5 mm, düze uzunluğu 24 mm, çevresel 4 delikli, 15 derece açılı bir geometri kullanılmıştır. Düze geometrisi giriş ve çıkış alanları dışarısındaki alanda bulunan akışın incelenmesi için iç çapı 0.2 mm, dış çapı 20 mm ve uzunluğu 20mm olan iki kontrol hacmi düze giriş ve çıkışlarına yerleştirilmiştir. Analizde düzenin hava giriş basıncı 110,000 Pa değerinden başlayıp 250,000 Pa değerine kadar her 10,000 Pa'lık değer artışı için başlangıç giriş basınç değeri arttırılarak uygulanmış, çıkış ve açıklık sınır şartları tanımlanmıştır. Akışkan tipi olarak 25 °C ortam sıcaklığında ideal hava seçilmiştir. Türbülans modeli SST türbülans modeli olarak belirlenmiş ve basınç değerleri dışında diğer tüm parametreler sabit tutulup analizler ayrı ayrı çözülmüştür. Statik analiz zamandan bağımsız olduğu için Transient (zamana bağlı) analiz ile akıştaki dinamik davranışlar belirlenmiştir. Statik analizden elde edilen sonuçlar dinamik analiz için kullanılmış ve akış 〖3×10〗^(-3) saniyelik bir süreçte, her 1×〖10〗^(-5) saniyelik zaman dilimleri için toplam 10 adımda incelenmiştir.Yapılan analizler sonucu akış içerisinde radikal değişiklik gösteren ve buna bağlı olarak vortisitelerin, vortekslerin, vorteks yırtılmalarının, vorteks bozulmalarının ve akış ayrılmalarının farklı şekillerde meydana geldiği ve hatta kaybolduğu 4 farklı kritik giriş basınç değeri bulunmuş ve bu basınç değerlerindeki akış hareketleri incelenmiştir. Vorteks bozulmalarının yapılan tüm basınçlarda gerçekleştiği görülmüştür. Basıncın artmasıyla birlikte eksenel hızın arttığı gözlenmiştir Ayrıca yapılan analizlerden akışın ters yönde hız azalmalarına neden olduğu ve ters basınç gradyanları oluşturarak akışın ters yönde ilerlemesine sebebiyet verdiği gözlemlenmiştir. Yapılan çalışma sonucunda vorteks yırtılmalarının hız değerindeki dalgalanmaların sonucu olarak ortaya çıktığı görülmüştür. Hız gradyanlarının cidarda en güçlü olduğu ve buna bağlı olarak durgunluk basınç gradyanlarının da cidarda en güçlü olduğu görülmüştür. Vortisite değerlerinin ve swirl mukavemeti değerlerinin yüksek giriş basıncı değerlerinde düşük giriş basıncı değerlerine göre daha yüksek olduğu belirtilmiştir. Vorteks bozulmalarının, akış yönüne ters akım oluşmasına etki ettiği ve vorteks bozulmalarının sonucu akışta durgunluğun meydana geldiği görülmüştür. Aynı şekilde vorteks bozulmalarının, her basınç seviyesi için, durgunluğun bir sonucu olduğu söylenebilir.

In this thesis, general behaviour of swirling air-flow in a cylindrical nozzle is investigated. Geometrical dimensions of nozzle predetermined. Both steady-state and transient analysis of air flow are realized and obtained results have been examined by ANSYS CFX software. In this study, geometrical properties of nozzle structure are summarized as follows; the selected air nozzle (twisting chamber) has a geometry of 2.5 mm. main hole diameter, 0.5 mm. subsidiary hole diameter, 24 mm. body lenght, 4 holes along the perimeter and hole angle of 15 degrees. For investigation of flow characterictics both near the nozzle inlet and near the nozzle outlet, two cylindrical chambers are placed in this construction. One of them (cylindrical chamber) is located in front of the spinning chamber and the other one is located behind of the spinning chamber. Cylindrical chamber inner diameter is 0.2 mm., outer diameter is 20 mm. and lenght is 20 mm. At the beginning, inlet pressure at injectors are choosen as 110,000 Pa and in the each next step this initial pressure value is increased step by step as 10,000 Pa. Last value of injector pressure is determined as 250,000 Pa. Inlet and outlet boundary conditions are defined for flow analysis. As a type of fluid is choosen ideal gas at the surrounding temperature (25 °C). Shear stress transport (SST) model is employed to study compressible tangentially injected swirling flow in the nozzle of air-jet spinning process. The nozzle geometric parameters (the injection angle, the injector diameter, number and position of injector nozzle lenght and diameter of chambers) are hold constant. Only one variable parameter is choosen as inlet pressure of injectors. Since static analysis is independent of time, dynamic behavior of fluid flow is investigated in the transient analysis. To compare conveniently, we change only one design parameter (which is pressure) at a time. Previously obtained results from static analysis are then used in dynamic analysis. Based on the static analysis, the duration of one period is very short (about 1×〖10〗^(-4) second). Total flow time of dynamic analysis is determined as 3×〖10〗^(-3) second and time steps are chosen as 10 steps (〖1×10〗^(-5) seconds).The results of analysis show that injector pressure is the most important parameter affecting the flow characteristics (vorticies, vortexes, vortex burstings, vortex breakdowns and flow seperation). It was observed that there are four different pressure levels in which radical changes of flow characteristic have been occured.Vortex breakdowns have been observed nearly in all pressure levels. With increasing injector pressure, axial velocity increase and vortex breakdown location is moved slightly downward. It is clear from the figures that with pressure increase, the recirculation strenght near the upstream wall increases and the location gradually shifts towards the nozzle inlet. The vortex breakdown location of the injector downstream is moved slightly downward with pressure increase. Note that vortex breakdown does not ocur at lower nozzle pressure.At the result of study, it was observed that velocity fluctuations have been resulted with vortex burstings. Not only velocity gradients has more strenght near wall but also stagnation pressure gradients has more strenght near wall. Vorticity and swirl strenght have higher values when inlet injector pressure levels are higher. In conclusion, vortex breakdowns affects the flow field by inversing flow so that stagnation occurs. However, it can said, vortex breakdowns are also results of stagnation.