Yüksek hızlı kavitasyon tüneli için daralma, difüzör ve dirsek geometrilerinin hidrodinamik dizaynı

Yüksek akış hızına ve kapalı çevrime sahip, basınç kontrolünün yapıldığı, hidroakustik, hidrodinamik ve kavitasyon incelemelerinin gerçekleştirildiği kavitasyon tünelinin hidrodinamik dizaynı, kavitasyon tüneli ile ilgili literatür incelendiğinde başlıca araştırma konusudur. Özellikle daralma, difüzör ve dirseklerin hidrodinamik dizaynı, tünelin test kesiti içerisindeki akış kalitesini ve tünelin genel boyutlarını belirleyen temel öğelerdir. KATMANSİS projesi kapsamında fakültemiz bünyesine kazandırılacak yüksek hızlı kavitasyon tüneline referans bilgi kaynağı olması amaçlanan bu tez çalışmasında tünel için daralma, difüzör ve dirseklerin hidrodinamik dizaynı yapılmıştır. Akım ayrılması hadisesinin bulunmaması ve bütün kısımlar için minimum enerji kaybının elde edilmesi tünelin verimini belirleyen faktörlerdir. Özellikle tasarım aşamasında kavitasyon tünelinin performansını belirleyen, test kesiti içerisinde erişilebilecek minimum kavitasyon sayısı, tübürlans şiddeti ve sınır tabaka dışında kalan kısım için her yöndeki akım düzgünlüğünün dağılımının kontrolü başlıca dizayn kriterlerdir. Bölüm 1'de kavitasyon tünelleri ve incelenecek kesitler hakkında literatür çalışmalarına yer verilmiştir. Bölüm 2'de test kesiti içerisindeki akışın, minimum kavitasyon sayısı olarak belirlenen 0.2 civarında olması, akış düzgünlüğü çalkalanmasının bütün yönlerde tünel içi referans akış hızının %1'inden az olması, türbülans şiddetinin %1'den az olması ve test kesiti içerisinde sınır tabaka gelişiminin minimum düzeyde tutulması olmak üzere genel dizayn kriterlerinden bahsedilmiştir. Test kesiti içerisindeki akım kalitesini direkt olarak kontrol eden ve bu kesitten hemen önce yer alan daralma bölgesinin dizaynı, daralma oranı, daralma uzunluğu ve daralma girişinde ikinci türevin ve büküm noktasının kontrol edildiği daralma profili olmak üzere dört ana kriter üzerinden yapılmıştır. Test kesitindeki akışı düzgün bir şekilde tahliye etmek için, genişleme oranı ve difüzör açısının kontrol edildiği difüzör bölgesi tanıtımına yer verilmiştir. Tünelin maksimum uzunluğunu kontrol eden bu bölge aynı zamanda, genişleme oranı ile akışın tünel içerisindeki ortalama akış hızını da etkilemektedir. Dolayısıyla tünel içerisindeki toplam basınç kaybının minimum tutulabilmesi için ele alınması gereken temel kısımlardandır. Son olarak daralma girişi ve difüzör çıkışında yer alan dirseklerin dizaynı için seçilmiş olan, profil şekli, profil boyu, hücum açısı ve profil sayısı oranı kriterlerine yer verilmiştir. Bu kriterlerin kavitasyon tüneli üzerindeki etkilerinden bahsedilmiştir. Yapılan dizayn çalışması Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. HAD analizleri teorisi hakkında bilgiler Bölüm 3'te sunulmuştur. Aynı zamanda bu kısımda, analizlerin gerçekleştirildiği sonlu hacimler metodundan, hız basınç ayrıklaştırılmasının yapıldığı SIMPLE yöntemi ve türbülans modeli olarak seçilen SST k-ω modeli hakkında detaylı bilgiye yer verilmiştir. Bölüm 2'de bahsedilmiş olan her kesit için incelenen vakaların sonuçları Bölüm 4'te verilmiştir. Dizayn aşamasında gerçekleştirilen analizler, tünelin servis hızı olan 10m/s için ele alınmıştır. Uygun olarak belirlenen geometriler için ayrıca 2m/s'lik düşük hıza ve test kesiti için en yüksek hız olarak belirlenen 15m/s'lik akış hızına sahip vakalar gerçekleştirilmiştir. İlk olarak ele alınan daralmanın giriş ve çıkış alan oranına bağlı olarak kontrol edilen daralma oranı 5 ve 6 için analizler gerçekleştirilmiş ve test kesiti içerisindeki etkileri incelenmiştir. Daralma oranının artması ile test kesiti içinde hesaplanan türbülans şiddeti ve akış düzgünlüğü olumlu olarak etkilenirken, daralma girişi taban köşelerinde sınır tabaka içinde akım ayrılmaları gerçekleşmiş, dolayısıyla istenen kriterleri sağlayan daralma oranı 5 seçilmiştir. Daralma uzunluğunun kısa olması, ani basınç değişimine bağlı ters basınç gradyanlarının arttırdığı için daralma uzunluğunun test kesitine olan oranı L_c/h=4.6'nın incelendiği vakada akım ayrılması oluşmaktadır. Dolayısıyla daha uzun daralma boyuna sahip L_c/h=4.75 oranı ile gerçekleştirilen analizlerde ayrılmanın bulunmadığı uygun sonuçlar elde edilmiştir. Test kesiti içerisinde sınır tabakanın gelişmesi arzulanmadığı için daha uzun daralma geometrileri üzerine çalışmalar yapılmamıştır. Daralma duvarı profili için altıncı dereceden dört terimli polinom tercih edilmiştir. Böylelikle büküm noktasının yanı sıra daralma girişi ikinci türevinin de kontrol edilmesine imkan sağlanmıştır. Büküm noktasının daralma üzerindeki konumu, test kesiti içerisinde elde edilecek minimum basınç katsayısı üzerinde etkili olurken, daralma girişinde profilin ikinci türevi ise bu bölgedeki akış kalitesini etkilemektedir. Büküm noktası test kesitine yaklaştıkça, test kesiti içerisinde elde edilecek minimum kavitasyon sayısının artmasına, uzaklaştıkça ise daralma girişinde akım ayrılmasına sebep olmasından ötürü büküm noktasının konumu (x_c^i)⁄L_c =0.5 olarak belirlenmiştir. Daralma girişi ikinci türevinin farklı değerleri, daralma girişinde akım ayrılmasına sebep olduğu için d_2=0 en uygun sonucu vermiştir. Bölüm 4.2'de incelenen difüzör geometrisinde, iki ana parametre olan genişleme oranı ve difüzör açısı incelenmiştir. Birbirlerine direkt etki eden bu iki parametre kontrolü ile minimum enerji kaybına ve minimum difüzör uzunluğuna sahip geometri tasarlanmıştır. Tasarım aşamasında sabit difüzör açısına sahip geometrileri içeren vakalardan istenen sonuçların alınmadığı görülmüştür. Dolayısıyla ilk olarak tünel boyunca tünelin köşelerine uygulanan pah modifikasyonu ile daha iyi sonuçlar elde edilmiştir. Fakat sonuçların istenen düzeyde olmamasından dolayı, basamaklı yapıya sahip ve üç farklı basamakta kontrol edilen difüzör geometrisi üzerine çalışmalar yapılmıştır. Neticede genişleme oranı d=2.8 olan ve 19.5m uzunluğuna sahip farklı difüzör açılarına sahip geometri dizayn edilmiştir. Son olarak Bölüm 4.3'te analizleri gerçekleştirilmiş 2B dirsek geometrisinin sonuçlarına yer verilmiştir. Profil geometrisinin, bu bölgeden geçen akış üzerindeki etkisi çok büyüktür. Analizlerin sonucunda NACA9410 geometrisi ile gerçekleştirilen vakalarda çok büyük akım ayrılması bölgesinin oluştuğu görülmüştür. Dolayısıyla bu tünel için özgün iki farklı prototip geliştirilmiştir. Minimum basınç kaybı ve maksimum akış düzgünlüğünü sağlayan dirsek geometrisi için ayrıca profil sayıyı oranı, profil boyu ve profilin hücum açısı incelenmiştir. Neticede, profil sayısının artması ve boyunun uzamasına bağlı olarak, bu bölgedeki toplam ıslak yüzey alanı artmaktadır. Minimum basınç kaybını verecek değerlere sahip geometrinin tasarlanması için değişik değerlere sahip vakalar incelenmiştir. Bu kısımda elde edilen tecrübeler daralmadan önce ve difüzörden sonra yer alan dirseklerde uygulanmıştır. Sonuç olarak tasarlanan dirsek geometrisi için geliştirilmiş P-2 profili, profil sayısı oranı 2.2, profil boyu L_P=0.75m ve hücum açısı olarak α=-5 değerlerine sahiptir. Tasarlanan kesitlerin hepsini içeren tek bir akış hacminden oluşan vaka farklı hız değerleri için Bölüm 4.4'te incelenmiştir. Böylelikle bütün geometrilerin birbirleri ile olan etkileşiminin dahil edildiği analizlerde, test kesiti içerisinde kontrol edilen kriterlerin sağlandığı sonuç sunulmuştur. Ayrıca tünelin ihtiyaç duyduğu maksimum pompa gücü, bu kısımda incelenen maksimum hız olan 15m/s için incelenen vaka üzerinden hesaplanmıştır.