Sınır tabaka geçişinin aktif ve pasif akış kontrol yöntemleriyle sayısal ve deneysel incelenmesi

Kara, hava ve deniz taşıtlarından binalara ve akım makinalarına kadar birçok mühendislik uygulamasında cisimlerin bir akış ortamı içinde bulunması nedeniyle akış kaynaklı titreşimler ve cismin akış içerisinde ilerlemesine karşı gösterilen direnç gibi çeşitli akış kaynaklı problemlerle sıkça karşılaşılmaktadır. Bu nedenle akış kaynaklı problemlerin ortadan kaldırılması ya da etkilerinin azaltılması sürekli geliştirme ihtiyacı duyulan önemli bir mühendislik problemidir. Ayrıca dış akışın daha iyi anlaşılması da çoğu mühendislik sisteminin tasarımında önemlidir. Örneğin; herhangi bir hava taşıtının özgül yakıt tüketimi, ona etki eden direnç ile doğrudan ilgilidir ve direnç kuvvetinin artması yakıt tüketiminde neden olduğu artıştan dolayı istenmeyen bir durumdur. Ayrıca bir taşıta etki eden direnç kuvvetinin azaltılması sadece o taşıtın yakıt tüketiminin ve dolayısıyla maliyetin azalmasına neden olmaz aynı zamanda taşıtın performansını da arttırır ve taşıt tarafından atmosfere salınan emisyonların da azalmasına neden olur. Bu nedenle direncin azaltılması günümüzün önemli araştırma konularından biridir ve küresel iklim değişikliği ve sınırlı petrol kaynakları ile ilgili endişelerden dolayı önemi de her geçen gün artmaktadır. Bu konunun önemini bazı istatistiksel veriler ışığında daha iyi anlamak mümkündür. Küresel CO2 emisyonlarının yüzde otuzu sivil havacılık, karayolu ve denizyolu taşımacılığından kaynaklanmaktadır. Ayrıca 2002 yılında küresel yakıt tüketimi sadece havacılık sektöründe yaklaşık 155 milyon ton olarak gerçekleşmiştir ve bu değerin 2030 yılında yaklaşık 400 milyon tona ulaşacağı tahmin edilmektedir. Yakıt tüketiminde meydana gelen bu denli bir artış, atmosfere salınan 1250 milyon ton CO2 emisyonuna tekabül etmektedir. Bununla birlikte seyir koşullarındaki bir jet uçağına etki eden direncin %1 oranında azaltılması ile yakıt tüketiminde yaklaşık %0.75'lik ve dolayısıyla da atmosfere salınan CO2 emisyonunda da 9 milyon tonluk bir azalma meydana gelmektedir. Ayrıca 2020 yılına kadar CO2 emisyonlarının 2000 yılındaki seviyesine göre %50 oranında azaltılması da Avrupa Birliği'nin gerçekleştirmeyi son derece arzu ettiği hedefleri arasındadır. Modern bir uçağın toplam direnci çeşitli bileşenlerden oluşsa da toplam direncin yaklaşık %60'ını oluşturan sürtünme direnci diğer bileşenler arasında toplam direncin azaltılmasında en büyük potansiyele sahip olan bileşendir. Ayrıca akışın laminardan türbülansa geçişinin geciktirilmesiyle ortalama sürtünme direncinde bir azalma sağlamak da mümkündür. Çünkü türbülanslı sınır tabakada oluşan yoğun karışımdan dolayı yüzey sürtünmesi; türbülanslı akışta, laminar akışta olduğundan çok daha büyüktür yani toplam yüzey sürtünmesi laminar akıştan türbülanslı akışa geçiş noktasının yerinden büyük ölçüde etkilenmektedir. Akışın laminardan türbülansa geçişi farklı uygulamalarda farklı şekillerde gerçekleşmekle birlikte; akışın temas ettiği yüzeyin pürüzlülüğü, kötü huylu basınç gradyeni ve serbest akımın türbülans şiddeti geçişe etki eden en önemli faktörler arasındadır. Bu faktörleri temel teşkil eden akış kontrol yöntemleri kullanılarak türbülansa geçişin geciktirilmesi ve dolayısıyla sürtünmenin azaltılması da mümkündür. Ayrıca laminardan türbülansa geçiş mekanizmasının doğasının bilinmesi, türbülansa geçiş noktasının önceden belirlenebilmesi ve geçisin kontrol edilebilmesi çoğu mühendislik uygulamasında önem taşımaktadır. Bununla birlikte bilinen süreçlerin altında yatan birçok sebep hâlâ tam olarak anlaşılamadığından, laminardan türbülansa geçiş ve akış ayrılması mekanizmaları halen detaylı olarak incelenmektedir. Sonunda laminar bozulmaya neden olan kararsızlık mekanizmalarının anlaşılması, laminardan türbülanslı akışa geçişi engellemek ve laminar akış bölgesini uzatmak için geliştirilmiş akış kontrol teknikleri için de temel teşkil etmektedir. Akış kontrol yöntemleri, aktif ve pasif olmak üzere iki gruba ayrılmaktadır. Pasif yöntemlerde ilave bir güç kullanılmaksızın sisteme çeşitli düzeneklerin ilave edilmesi söz konusu iken, aktif yöntemlerde ise harici bir enerji girdisi gereklidir. Ayırıcı plaka, küçük bir kontrol çubuğu, yüzey pürüzlülüğünün değiştirilmesi ve yivli (veya çıkıntılı) yüzeyler pasif akış kontrol yöntemlerine; akış içine yapılan üfleme ve emme, ısıtma ve soğutma, mikro-kabarcık ya da parçacık gönderme, akustik uyarma, dönen veya salınım yapan cisim, hareketli duvar ve elektromanyetik kuvvetlerin oluşturulması ise aktif akış kontrol yöntemlerine örnek olarak verilebilir. Pasif akış kontrolünde, ilave güç gereksinimi olmaması, kullanılan düzeneklerin basit olması ve üretimlerinin düşük maliyetle gerçekleştirilebilmesine karşın bazı önemli dezavantajları vardır. Örneğin, pasif akış kontrol elemanları çoklu uçuş koşullarına (yere inme, kalkış, manevra vb.) göre optimize edilemezler ve ihtiyaç duyulmadıkları daimi seyir koşullarında ilave sürüklenme etkisi meydana getirirler. Aktif kontrol ile daha pahalı ve karmaşık yapılar kullanılarak bu olumsuzlukların üstesinden gelinebilir ve uçuşun genel performansı arttırılabilir. Bu çalışmada biri aktif diğeri de pasif olmak üzere iki farklı akış kontrol yöntemi düz bir plaka üzerindeki akışa uygulanmıştır. Çalışmanın ilk kısmında, aktif akış kontrol yöntemlerinden biri olan cidar ısıtması ve soğutmasının 2 m uzunluğundaki düz bir plaka üzerindeki akışın laminardan türbülansa geçişine ve toplam sürtünmenin azaltılmasına olan etkileri iki ve üç boyutlu Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) simülasyonları ile parametrik olarak incelenmiştir. Cidar ısıtması ve soğutması düz plaka yüzeyinde çeşitli konumlara gömülerek yerleştirilen ısıtıcı/soğutucu şeritler tarafından sağlanmıştır. Simülasyonlar sonlu hacimler tabanlı ANSYS-FLUENT yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Nihai simülasyonları yapmadan önce ağdan bağımsız ve yeterli hassasiyette sahip sonuçlar elde edebilmek için çözüm ağı optimizasyonu yapılmıştır. Ayrıca Reynolds ortalamalı Navier-Stokes denklemlerine (RANS) dayalı çeşitli türbülans modellerinin sonuçlara olan etkileri de incelenmiş ve nihai simülasyonlarda laminardan türbülansa geçişi belirleyebilmedeki üstünlüğü nedeniyle Menter'in SST türbülans-geçiş modeli tercih edilmiştir. Elde edilen sonuçlar literatürdeki deneysel, sayısal ve ampirik ifadelerle karşılaştırılarak bu çalışmada kullanılan sayısal yöntemin geçerliliği gösterilmiştir. Serbest akımın türbülans şiddeti, yüzey sıcaklığı, ısıtıcı/soğutucu şeritlerin uzunluğu gibi seçilen tasarım ve akış parametrelerinin ve kısmi ısıtma, ikili ısıtma, çoklu ısıtma ve kısmi soğutma durumlarının akışın türbülansa geçişine ve sürtünmenin azaltılmasına olan etkileri parametrik olarak incelenmiştir. İncelen durumlar arasında akışın laminardan türbülansa geçişi çeşitli oranlarda geciktirdiği ve dolayısıyla toplam sürtünme direncinin azaltıldığı uygulamalar çoğunlukta olsa da türbülansa geçişi tetikleyen ve daha önce gerçekleşmesine sebebiyet veren durumlarla da karşılaşılmıştır. Ayrıca bazı durumlarda daha az enerji girdisi ile daha etkili sonuçlar elde edilebileceği de tespit edilmiş ve bu nedenle akış kontrol parametrelerinin, kontrolünün uygulanacağı duruma göre optimize edilmesi gerekliliği ortaya konmuştur. Sonuç olarak aktif akış kontrol yöntemlerinden olan cidar ısıtması ve soğutmasının sürtünmenin azaltılmasında etkili birer yöntem olduğu fakat ilave enerji girdisi gerektirdiği için ek bir maliyete neden olduğu ve dolayısıyla maliyetin ikinci planda olduğu uygulamalarda kullanılabilecekleri gösterilmiştir. Çalışmanın ikinci kısmında ise pasif akış kontrol yöntemlerinden biri olan pürüzlülük elemanı kullanımının akışın kararlılığına olan etkileri deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Bu bağlamda, düz bir plaka üzerine yerleştirilen üç boyutlu dikdörtgenler prizması şeklindeki bir pürüzlülük elemanı tarafından uyarılan sınır tabaka akışının kararlılığı bir dizi BiGlobal Doğrusal Kararlılık analizi ile parametrik olarak araştırılmıştır. Simülasyonlarda pürüzlülük elemanının en-boy oranı ve Reynolds sayısı değiştirilerek kararsızlık mekanizmasına ve oluşan modlara olan etkileri incelenmiştir. Kararlılık analizini gerçekleştirmek için gerekli olan baz akış sonlu hacimler tabanlı ANSYS-FLUENT yazılımı kullanılarak elde edilmiştir. Baz akış hesaplamaları zamandan bağımsız ve laminar olarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen baz akış çözümlerini ağdan bağımsız olarak elde edebilmek için farklı eleman sayısına sahip ağlar için analizler yapmak suretiyle geniş bir çözüm ağı analizi yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar Stuttgart Üniversitesi Aerodinamik ve Gaz Dinamiği Enstitüsü'nde bulunan Laminar Su Kanalı'nda gerçekleştirilen bir dizi hız ölçümü ve hidrojen kabarcığı ile yapılan akış görüntüleme deneyleri kullanılarak doğrulanmıştır. Deneysel ve sayısal sonuçlar arasında bir uygum elde edildikten sonra pürüzlülük elemanlarının arkasında meydana gelen kararsızlık mekanizmalarını incelemek için BiGlobal Doğrusal Kararlılık analizleri yapılmıştır. Kararlılık analizlerini gerçekleştirmeden önce baz akışta olduğu gibi çözüm ağı optimizasyonu yapılmıştır. Kararlılık analizi simülasyonları Aerodinamik ve Gaz Dinamiği Enstitüsü'nde geliştirilen kod ile gerçekleştirilmiştir. İncelenen durumlar için elde edilen baz akış sonuçları dikkate alındığında pürüzlülük elemanının en-boy oranının, elemanının önünde ve arkasında meydana gelen ters akış bölgelerinin şeklinde ve uzunluğunda kayda değer bir etkiye neden olduğu, Reynolds sayısındaki değişimin ise çok fazla etki etmediği görülmüştür. Ayrıca at nalı şeklindeki vortekslere bu çalışma kapsamındaki tüm incelemelerde rastlanmıştır. Bu at nalı vortekslerin bacakları kaldırma etkisi olarak adlandırılan bir mekanizma ile düşük ve yüksek hızlı streaklerin oluşumuna neden olmaktadır. Oluşan bu yapıların paternlerinin incelenen her durumda aynı olduğu fakat bu yapıların genlikleri ve akış yönünde ne kadar uzadığı pürüzlülük elemanının en-boy oranına ve Reynolds sayısına bağlı olarak değişim gösterdiği gözlenmiştir. BiGlobal Doğrusal Kararlılık analizi sonucunda düz bir levha üzerine yerleştirilen üç boyutlu dikdörtgen pürüzlülük elemanının akışa dik doğrultudaki durumlarına göre simetrik ve asimetrik olarak adlandırılan çeşitli kararsızlık modlarının oluşumuna yol açtığı görülmüştür. Bu modların akış yönündeki gelişiminin ise Reynolds sayısına ve pürüzlülük elemanının en-boy oranına göre değişiklik gösterdiği belirlenmiştir. BiGlobal Doğrusal Kararlılık analizleri neticesinde en-boy oranı bire eşit olan pürüzlülük elemanları için simetrik mod baskın iken en-boy oranı iki olan elemanlar için asimetrik modun baskın olduğu bulunmuştur. Ayrıca incelenen tüm durumlar için oluşan kararsızlık modlarının hesaplama alanının bitimine kadar kararlı hale geldiği ve dolayısıyla da parametrelerin incelenen değerleri için tüm durumlarda akışın kararlı olduğu sonucuna varılmıştır. Bulunan modların zamanla gelişimi de BiGlobal Doğrusal Kararlılık analizlerinin sonuçları kullanılarak elde edilmiş ve Laminar Su Kanalı'nda gerçekleştirilen bir dizi hidrojen kabarcığı ile yapılan akış görüntüleme deneyleri ile desteklenmiştir.