Experimental and numerical investigation of flow structure through a corrugated channel

Abstract

Bu çalışmada boğumlu duvara sahip kanaldaki türbülanslı akış deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Deneysel çalışmalarda PIV yöntemi kullanılmış ve bu amaç için iki adet deney düzeneği tasarlanmıştır. Deney düzeneklerinin farkı akışı sağlama yöntemleridir. Deney düzeneklerinden bir tanesi akışı sağlamak için pompa (durum1) kullanırken, diğeri ise hidrostatik basınç farkını (durum2) kullanmaktadır. Deney düzenekleri kullanılarak iki adet farklı boğum geometri yüzeyi (CS1 ve CS2), Reynolds sayısı 30000-500 aralığı için incelenmiştir. Deney düzeneklerini karşılaştırmak için ise sadece bir adet boğum yüzeyi (CS1) kullanılmıştır. Düşük Reynolds sayılarında, deney düzeneklerinden elde edilen hız vektörlerinin büyüklükleri ve yönleri birbiriyle uyumlu değildir. Düşük Reynolds sayılarında sonuçlar pompadan kaynaklanan basınç dalgasından etkilenmektedir. Bu basınç dalgasının etkisi Reynolds sayısının artmasıyla beraber azalmakta ve Reynolds sayısı 1950 ile 4750 arasında iken tamamen kaybolmaktadır. Deney düzeneğinden alınan sonuçlar Reynolds sayısının 4750 den büyük olduğu yerlerde birbiriyle uyum göstermektedir. Hız vektörleri gösteriyor ki, büyük Reynolds sayılarında boğumun içerisindeki akış ile ana akış arasında önemli bir etkileşim bulunmaktadır. Bu sebeble, ana akış kanalın genelinde kaotiktir. Kanal yapısı iki boyutlu olmasına karşın boğumun içerisinde ki akış yüksek Reynolds sayılarında 3 boyutlu iken düşük Reynolds sayılarında 2 boyutludur. Kritik Reynolds sayısı is 1000 ile 1250 arasındadır. Boğum geometrisinin akış karakteristiğine etkisini alamak için bir başka geometri kullanılmıştır. Aynı Reynolds sayısında 2 farklı geometrinin için akış karakterileri farklılık göstermektedir. Sayısal çalışmalar hesaplamalı akışkanlar dinamiği ve 2 farklı türbülans modeli; k-? (RANS) modeli ve LES modeli kullanılarak sadece bir geometry de Reynolds sayısı 17600 ve 4000 için yapılmıştır. Sonuçlar deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Reynolds sayısı 17600 için RANS sonuçları genel olarak 2 boyutlu akış göstermektedir ve basınç kaybı ve sürtünme kaysayısını değerlerini LES sonuçlarına göre 25 % daha az hesaplamıştır. LES sonuçları gösteriyor ki; akış son derece türbülanslı, üç boyutlu, değişken ve boğum içerisindeki akış ile ana akış arasında güçlü bir etkileşim bulunmaktadır. LES ve PIV sonuçlarında ayrılma ve birleşme noktalarında farklılık görülmketedir, bunun sonucunda da kalın bir sınır tabakası ve yüksek sürtünme katsayısı oluşmaktadır. Boğum içerisinden ana akışa ani çıkışlar PIV ve LES den elde edilen anlık görüntülerde gözlenmektedir. Bu ani çıkışlar ortalama PIV sonuçlarında görülmeye devam etmektedir. Bu da göstermektedir ki kanalın ortasında boğumdan dışarıya doğru bir akış var iken duvar kenarlarına doğru boğumun içerisine doğru bir akış vardır. Anlık LES sonuçlarında benzer ani çıkışlar olmasına karşın, ortalama LES sonuçlarında boğumun içerine giriş ve çıkış birbirini dengelemektedir, boğumdan içeriye yada dışarıya net bir akış yoktur.

In this study, an experimental and numerical investigation of turbulent flow in channel with corrugated wall surface is carried out. Experimental studies are performed using particle image velocimetry, and two experimental setups are designed. The experimental setups differ from each other in terms of the method that flow rate is supplied. One of them uses the pump (case 1); the other one uses hydrostatic pressure difference (case 2). Two geometric configuration of corrugations surface (CS1 and CS2) are evaluated for Reynolds numbers ranging from 30000 and 550. CS1 is used for comparison of case 1 and 2 systems. The magnitudes and direction of the velocity vector components that are obtained from two experimental setups are not compatible at low Reynolds number. The results of the system with a pump are influenced from pressure wave effect at low Reynolds number. The pressure wave effect decreases slowly when Reynolds number increases. The pressure wave disappears totally where Reynolds number is between 1950 and 4750. The results of system without a pump are good agreement system with a pump results at high Reynolds number. The velocity vectors show significant interaction between the flow in the groove and the bulk flow at high Reynolds number. Because of this, the bulk flow field is rather chaotic in the entire channel. Though the channel design is intended to be two-dimensional, flow structures in the groove appear to be three-dimensional at high Reynolds number while two-dimensional at low Reynolds number.The critic Reynolds number is between 1000 and 1250. CS2 is used with case 2 in order to understand how the change of geometry of the corrugation surface affects the flow characteristics. The flow characteristics of CS1 and CS2 differ at same Reynolds number. The numerical study is conducted using computational fluid dynamics and two turbulence models are considered; k-? model and large eddy simulations (LES) for CS1 at Re=17600. Results are compared with the experimental data obtained via particle image velocimetry (PIV). RANS results demonstrate mainly 2-dimensional flow and underestimate the pressure loss and friction coefficient by about 25%, compared to LES results for Re=17600. LES results show that the flow is highly turbulent, 3-dimensional, unsteady, and there is a strong interaction between the flow inside the corrugations and the bulk flow. Both LES and PIV represent that the separation and reattachment points vary spatially and temporally, resulting in a thick boundary layer and high friction coefficient. Sudden ejection of the flow from the cavity to the outer flow is also observed in the instantaneous snapshots taken from LES and PIV. These flow ejections prevail in the time-averaged PIV results, indicating a mean inflow towards the cavity near the side walls and a mean outflow from the cavity at the channel center. Even though instantaneous LES results show similar flow bursts, time-averaged LES results even out the inflow and outflow from the cavities, yielding no net flow in and out of the cavities.