Experimental and theoretical study of swirling flaw in pipes

Abstract

Bu tezde sunulan çalışmada, havanın pürüzsüz ve pürüzlü boruîardaki dönel akımı incelenmektedir. Dönü şiddeti Reynolds sayısından bağımsız olarak ayarlanabilen, aksisimetrik dönel akım üretebilen bir dönü üreteci tasarlanıp imal edilmiştir. Statik basınç, hız ve akım açısının radyal dağılımı ölçülmektedir. Dönü gücü ve boru pürüzlülüğünün, eksenel, teğetsel ve radyal hızlar ile static basıncın radyal dağılımları üzerine etkileri incelenmektedir. Dönü gücünün boru duvarındaki ve bir kesitteki ortalama statik basıncın boru boyunca değişimine etkileri incelenmektedir. Pürüzlülüğün, dönü gücünün boru boyunca sönümlenmesine etkileri belirlenmektedir. Dönü gücünün boru boyunca eksponansiyel olarak sönümlendiği ve dönü sönümlenme hızının boru pürüzlülüğünün artması ile arttığı belirlenmektedir. Yük kaybı katsayısı ile dönü gücü arasındaki korrelasyonlar elde edilmektedir. Dönel boru akımlarında, toplam hidrolik yük kaybının, dönel olmayan akımdan doğan kayıplar ile akımda dönü bulunmasından ötürü oluşan kayıpların toplamı olduğu saptanmaktadır. Dönel boru akımlarında toplam hidrolik yük kaybını belirlemek için bir yöntem sunulmaktadır. Kesme gerilimi dağılımları, ardışık, eksenel ölçüm istasyonlarının verileri kullanılarak hesaplanmaktadır. Dönü gücü, boru göreceli pürüzlülüğü ve boru duvarındaki kayma gerilimlerinin büyüklükleri arasındaki ilişkiler incelenmektedir. Eksenel ve teğetsel kayma gerilimlerinin radyal dağılımları hesaplanmaktadır. Hernekadar radyal hızın büyüklüğü, ortalama eksenel hızın binde birinden az isede, özellikle yüksek boyutlu karışımın oluştuğu dönü üretecine yakın kesitlerde, radyal hızın kayma gerilimlerinin dağılımları üzerinde kayda değer bir etkiye sahip olduğu gözlenmektedir. Pürüzsüz ve pürüzlü boruîardaki dönel akımlarda evrensel logaritmik hız dağılımının geçerliliği tartışılmaktadır. Evrensel logaritmik hız dağılımının duvardaki kayma gerilimlerinin belirlenmesinde kullanılmasının kayda öeğsr hatalar verebileceği gözlenmektedir. Anahtar kelimeler: Boru akımı, dönü, dönel akım, pürüzlülük, girdap, deneysel yöntemler, hidrolik yük kaybı. Wi

In the work presented in this thesis, swirling flow of air in smooth and rough pipes is studied. A swirl generator, capable of producing axisymetrie swirling flow whose swirl strength may be varied independently from Reynolds number, was designed and constructed. Radial distributions of static pressure, velocity and flow angle are measured. Effects of swirl strength and roughness of the pipe on the radial distributions of across, tangential and radial velocities and static pressure, are studied. Effects of swirl strength on the variations of the static pressure, at the pipe wall and mean static pressure accross a section, along the pipe are determined. Effects of roughness on the decay of swirl strength along the pipe is determined. It is found that the swirl decays exponentially along the pipe and the rate of swirl decay increases as the roughness of the pipe increases. Correlations between loss factor and swirl strength are obtained. The total head loss in swirling pipe flows is found to be the sum of the losses resulting from the corresponding non-swirling flow and the losses due to the existence of the swirl in the flow. A method for the prediction of the total head loss in swirling pipe flows is presented. Shear stress distributions are calculated using the data of the successivly measured axial stations. The relations among the swirl strength, pipe relative roughness and magnitudes of the shear stresses at the pipe wall are studied. Radial distributions of axial and tangential shear stresses are calculated. It is observed that eventhough the magnitude of the radial velocity is less than one thousanths of the average axial velocity, it has considerable effect on the distribution of shear stresses especially in sections close to the swirl generator where wild mixing is taking place. Validity of the universal logarithmic velocity distribution for swirling flows in smooth and rough pipes is discussed. It is observed that, use of the universal logarithmic velocity distribution to determine the wall shear stress may give considerable errors. Key words: Pipe flow, swirl, swirling flow, roughness, vortex, experimental medhods, head loss. m