Giriş ve tam gelişmiş akış bölgesinde laminar-türbülans geçiş özelliklerinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi

Tam gelişmiş boru akışlarında statik basınç düşüşünü hesaplamak için deneysel bağıntılar bulunmasına rağmen boru girişinde gelişen akış için herhangi bir analitik veya deneysel bağıntı ise bulunmamaktadır. Uzun borulu akışlarda giriş etkileri önemsiz kalırken kısa borulu akışlarda ise giriş etkileri oldukça önemli olmaktadır. Bu nedenle boru girişinden tam gelişmiş akış şartlarına kadar gelişen akış özelliklerini analiz etmeye yönelik deneysel ve sayısal bir çalışma başlatılmıştır. Piyasadan temin edilen ve farklı malzemelerden imal edilmiş boru türlerini pürüzlülük yönünden değerlendirmek ve sayısal çalışmaya bir karşılaştırma zemini yaratmak için deneysel çalışma yapılmıştır. Deneysel çalışma alüminyum, bakır, demir, galvanizli ve PPRC malzemelerden imal edilmiş beş ayrı boru türü ile yapılmıştır. PPRC boru dışındaki diğer borular aynı çapa sahiptirler. Deneysel çalışma 2000-55000 aralığındaki Reynolds sayılarında gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmadan elde edilen sonuçlardan tam gelişmiş akış kısmından Darcy sürtünme faktörü hesaplanmış ve Reynolds ile değişimine uyan Moody diyagramı eğrilerinden boru pürüzlülük değerleri bulunmuştur. Boru pürüzlülükleri azalan yönde sıralandığında galvanizli, demir, alüminyum, PPRC ve bakır boru değerleri gelmektedir. Deney Reynolds sayılarında ve beş ayrı borunun pürüzlülük değerlerinde sayısal bir çalışma başlatılmıştır. Sayısal çalışmada amaç gelişen boru akışını kayma gerilmesi ve laminardan türbülansa kritik ve geçiş mesafeleri yönünden analiz etmek ve değişimlerine uygun sayısal bağıntılar türetmektir. Sayısal çalışma 2000-25000 aralığında bulunan deney Reynolds sayıları için yapılmıştır. Türbülanslı akışlarda akış içerisinde zaman ve konuma bağlı olarak gelişen türbülanslı yapıları çözmek için üç farklı sayısal yöntem bulunmaktadır. Bunlar DNS, LES ve RANS yöntemleridir. DNS yönteminde akış içerisindeki tüm türbülans yapıları doğrudan çözülür, LES yönteminde ise büyük ölçekli yapılar çözülür küçük ölçekli yapılar ise modellenir. RANS yönteminde ise tüm türbülans yapıları modellenir. DNS ve LES yüksek hesaplama maliyetleri nedeniyle boru akışları için RANS yöntem tercih edilmiştir. RANS türbülans modellerinden laminar-türbülans geçişini sağlayan SST k-omega modeli seçilmiştir. RANS çözümden elde edilen sayısal sonuçlar deneysel değerlerle karşılaştırılmış ve çok iyi uyum sağladıkları görülmüştür. Sayısal duvar kayma gerilmesi analiz edilmiş ve gelişen akış kısmındaki değişimini ifade eden sayısal bir bağıntı türetilmiştir. Laminardan türbülansa geçişte kritik ve geçiş mesafeleri analiz edilmiş ve Reynolds sayısına bağlı sayısal bağıntılar türetilmiştir. Merkezi eksenel hızın maksimum olduğu akış mesafesi incelenmiş ve Reynolds sayısına bağlı sayısal bir bağıntı türetilmiştir. Sayısal tam gelişmiş akış hız profilleri deneysel hız yasalarıyla ve başka deneysel verilerle karşılaştırılmış ve çok iyi uyum görülmüştür. RANS çözüm dışında LES ile pürüzsüz boru akışları gerçekleştirilmiştir. LES çözümün gerçek akış görselliği yönünden RANS çözümden farkı gösterilmiştir. LES çözüm hız yasalarıyla karşılaştırılmış ve RANS çözüme göre yüksek sapma göstermiştir. Bunun nedeni olarak LES çözüm yüksek hesaplama maliyeti gerektirdiğinden normal bir bilgisayar ile çözümünde yeterli ağ çözünürlüğüne ulaşılamamıştır. Gelişen boru akışının LES ile çözümünde paralel hesaplama veya yüksek başarımlı hesaplama yapılmasının gerektiği görülmüştür.