Taylor-Couette-Poiseuille akışı ve akım ayrılmasının etkileri

Abstract

Taylor-Couette-Poiseuille (TCP) akımı, pek çok mühendislik uygulamasında karşılaşılan akış yapısının temelini oluşturan akım sistemidir. Bu sebeple, niteliğinin anlaşılması ve doğru hesaplanması, söz konusu mühendislik uygulamalarının dizayn ve işletme güvenliği acısından önem arz etmektedir. Ayrıca, eksenel akım ve teğetsel hız gibi farklı dinamik parametrelerce şekillendirilen karmaşık bir akım yapısına sahip olması nedeniyle TCP sistemi türbülans teorisi alanındaki ilgi çeken bir konudur.Bu tez çalışmasında, akım ayrılması sebebiyle TCP akımındaki hidrodinamik alan ve türbülans yapısında oluşan etkiler araştırılmıştır. Bu amaçla, bilinen TCP geometrisi ile ayrılma akımlarını modellemek amacıyla başvurulan bir temel problem olan step akımı geometrileri birleştirilerek yeni bir akım sistemi oluşturulmuştur. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yardımıyla, geniş bir eksenel akım ve Taylor sayısı aralığı için yeni oluşturulan akım geometrisinin sayısal çözümü gerçekleştirilmiş ve sonuçlar iki dinamik bileşenin de etkilerini ayrı ayrı içerecek biçimde iki farklı bakış açısıyla yorumlanmıştır. Söz konusu sonuçlar, ana akım hız bileşenleri, türbülasn yoğunlukları, sınır tabaka yapısı ve Reynolds gerilme tensörü bileşenlerinin dengesi gibi incelemeler üzerinden raporlanmıştır. Daha sonra, akım ayrılmasını incelemek üzere oluşturulmuş yeni akım alanı geometrisi sayısal olarak çözülmüş ve çözümler aynı geniş eksenel akım ve Taylor sayısı aralığı için tekrarlanmıştır.Çalışma sonucunda, uygulanan eksenel akımın TCP akımındaki iç silindir dönüşünün stabiliteyi bozucu yöndeki etkisini baskıladığını ve dönüş etkisinin akım alanının iç bölgelerine doğru penetrasyonunu azalttığı gözlenmiştir. İç silindir dönüşü kaynaklı teğetsel hızın akım alanını şekillendiren baskın parametre haline geldiğinde ise eksenel akım etkilerinin neredeyse hiç görülmemesine yol açtığı gözlenmiştir. Sınır tabaka yapısının evrensel profile uyum davranışının tersine döndüğü ve akım alanındaki türbülans gerilmeleri dengesinin değiştiği bölgeler olduğu tespit edilmiştir. Böylelikle, akım üzerindeki eksenel-teğetsel hız dengesi, sınırlı da olsa bir şablona oturtulmaya çalışılmıştır.Ayrılma etkisi de çalışmaya dahil edildiğinde, akım ayrılmasının siteme yeni bir stabilite bozucu etki getirdiği saptanmıştır. Ayrılma bölgesi büyüklüğünün ve dinamiklerinin eksenel ve teğet hızların dengesine göre değiştiği, oldukça karmaşık bir türbülans yapısı ortaya çıktığı ve akım ayrılmasının TCP sistemi içerisindeki akışın mekanik kaybını arttırarak hidrodinamik alanda önemli değişimlere neden olduğu gözlenmiştir. Ayrıca, iç silindir dönüşünün ayrılma akımlarında karşılaşılan vorteks oluşum mekanizmasını tamamen değiştirdiği saptanmıştır. Böylelikle, TCP akımındaki yeni bir kayıp mekanizması tanımlanarak nitelikleri araştırılmıştır.

The Taylor-Couette-Poiseuille (TCP) flow is a fundamental configuration that forms the basis of the flow structure encountered in many engineering applications. For this reason, accurate calculations and understanding of the flow physics is important for the design and operation reliability of these applications. Besides, due to having a complex flow field that created by two different dynamical parameter like axial flow and tangential velocity, there is a growing interest to TCP flow, in the field of turbulance theory. In this thesis, the effects of flow seperation on the hydrodynamics and turbulent field of TCP flow. For this purpose, a new flow configuration was created by combining known TCP geometry and the backward facing step flow geometries, which is a benchmark case to model the separating/reattaching flows. Numerical solution of the new geometry was carried out via computational fluid dynamics, for a large range of Reynolds and Taylor Numbers. Results were analysed from two different point of view in regard to these dynamical parameters. The investigations are reported in terms of main flow velocity components, turbulence intencities, boundary layer structure and the balance of Reynolds stress tensor components. Later on, the fluid flow in the new geometry, which is combined to investigate the effects of flow seperation, was solved numerically and solutions are expanded for the same large range of axial and tangential flow conditions of TCP study.As a result of the study, it is seen that, imposed axial flow surpress the destabilizing effect of inner cylinder rotation and decrease the penetration of it into the inner regions of flow field. When the inner cylinder rotation based tangential velocity becomes the dominant parameter to shape the flow field, the effects of the axial flow diminish to a nearly negligible level. It has also been determined that there are some ranges where the boundary layer structure reverses its behavior of agreement to the universal law of the wall and balance of turbulence stresses are changed. When the flow seperation effects included into study, it is observed that, seperation act as a new destabilizing parameter in the flow field. Besides, the size and the Dynamics of the seperation region influenced by the balance of the axial/tangential velocities. A complicated turbulent field was arised from this interaction and flow seperation causes important variations in the hydrodinamic field and giving a rise to the mechanical loss of the fluid flow in the TCP system. Besides, it has been found that the inner cylinder rotation completely changes the vortex formation mechanism encountered in the separating-reattaching flows. Thus, a new loss mechanism was identified in TCP flow and its characteristics are investigated.