Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Yıl:2008 Cilt:19

Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Yıl:2008 Cilt:19-3
SIĞ SUDA YAN YANA SIRALI İKİ SİLİNDİR ARKASINDA OLUŞAN AKIŞ
1
YAPISININ PASİF YÖNTEMLE KONTROLÜ
Passive Vortex Control Behind Two Side by Side Cylinders in Shallow Waters
Hüseyin AKILLI
Makine Mühendisliği A.B.D.
Mustafa Atakan AKAR
Makine Mühendisliği A.B.D.
ÖZET
Bu deneysel çalışmada, pasif kontrol yöntem kullanılarak, sığ suda yan
yana sıralı iki silindir arkasında meydana gelen kararsız ve düzensiz akış yapısı
kontrol edilmeye çalışılmıştır. Silindirler arasındaki akış yapısının kontrolu sadece
boya deneyleri kullanılarak anlaşılmaya çalışılmıştır. Pasif kontrol, akışa dışarıdan
herhangi bir enerji katılmadan yapılan bir kontrol tekniğidir. Silindir arkasında
oluşan akış yapısı, silindirler arasındaki mesafeye bağlı olarak değişmektedir. Bu
nedenle, deneyler silindir merkezleri arasındaki mesafenin, silindir çapına oranı
olan G/D=1.25, 1.50 ve 1.75 üç değişik değerde yapılmıştır. Kullanılan pasif kontrol
yönteminde, silindirler üzerine, su yüksekliği boyunca çapı 4mm olan delikler
açılarak silindirler 0.23 geçirgenlik oranına sahip hale getirilmiş ve silindirler
arkasında oluşan akış yapısı incelenmiştir. Deneylerde kullanılan silindir çapı
40mm’dir.
Deneyler su hızının 0.125 m/s (silindir çapına bağlı Reynolds
sayısı=5000) değeri için gerçekleştirilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Sığ su, silindir, kontrol, girdap, yan-yana sıralı
ABSRACT
The flow behavior around two side-by-side cylinders in shallow water was
controlled by passive control technique. Passive control techniques control the
vortex shedding by modifying the shape of the bluff body or by attaching additional
devices in the flow stream. The experiments were carried out in the range
1.0<G/D<2.0 with increment of 0.25. The passive control technique is perforated
cylinders. Cylinders have holes which have 5mm diameters and 0.23 porosity.
During all experiment, the water level was (hw) maintained at the depths 20mm of
and the water flow speed is 0.125 m/s which corresponds to a Reynolds number of
approximately Re = 5000 based on the cylinder diameter (D=40mm). The free
stream velocity was controlled by an axial flow pump
Key Words: Shallow water, cylinder, control, vorticity, side-by-side
Giriş
Sığ su akışlarda, akışın genişliğinin akışın yapısına etkisi, derin su
akışlarına nazaran çok daha fazladır. Sığ sularda, serbest yüzey ile taban
arasındaki mesafenin çok az olması, akışı derin sulara göre çok daha karmaşık ve
* Doktora Tezi- Ph.D Thesis
20
Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Yıl:2008 Cilt:19-3
üç boyutlu hale getirmektedir. Sığ suda akış tabanının, tabanda oluşan
sürtünmelerin ve akışın serbest yüzeyinin akış üzerinde etkisinin çok fazla olduğu,
Akıllı ve ark.,(2004) tarafından, yapılan deneylerde gözlemlenmiştir. Sığ suda, bir
cismin arkasında oluşan iz bölgesi, çevresel faktörlere etki etmektedir. Sığ suların
neden oldukları problemlerin önlenebilmesi ve oluşabilecek olumsuz gelişmelerin
engellenebilmesi için, bu tip akışlarda akış yapısının bilinmesi gerekmektedir.
Akıllı ve ark., (2004) düşük G/D oranlarında, jet akışının fazla olması
nedeniyle silindirler arasında erozyonun meydana gelebileceğini, ve bu durumun
tabandaki parçacıkların taşınmasına sebebiyet vereceğini belirtmişlerdi. Ayrıca
G/D=1.25 ile 1.5 arasında, sığ su içerisindeki yan yana dizili silindirler arkasında
oluşan belirli bir frekansa sahip daimi olmayan girdapların, gerek cisimler üzerinde
gerekse bu silindirler arkasında bulunan başka cisimler üzerinde daimi olmayan
yükler oluşturmak suretiyle cisimlerde yorulmalara sebep olabileceğini ve
ömürlerini kısaltabileceğini belirtmişlerdir. Sığ suda cisimler arkasında oluşan
girdap yapısının neden oldukları problemlerin önlenebilmesi için akış yapısının
bilinmesi ve girdapların çevreye olan zararlarının azaltılabilmesi için de daimi
olmayan girdapların değişik yöntemlerle kontrol altına alınması gerekmektedir.
Bu çalışmada, yan yana sıralı iki silindir arkasında oluşan düzensiz akış,
pasif yöntemle kontrol altına alınmaya çalışılmıştır. Bu yöntemde üzerine delikler
açılarak 0.23 geçirgenlik oranına sahip silindirler kullanılmıştır ve yan yana sıralı
silindirler arasındaki mesafeler değiştirilerek deneyler yapılmış ve kullanılan pasif
control tekniğinin akış yapısı üzerindeki etkileri incelenmiştir.
Materyal ve Metot
Materyal
Bu çalışma, Çukurova Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü,
Akışkanlar Mekaniği Laboratuarında kurulu olan kapalı devre su kanalında
gerçekleştirilmiştir. Su kanalı, iki adet su deposu ve bu iki depo arasında bulunan
akrilik kısımdan oluşmaktadır. Kanal içerisindeki suyun hızı, bir hız kontrol ünitesi
yardımıyla değişik devirlerde çalışan bir pompa ile ayarlanmıştır. Deneylerde,
kullanılan silindirler 40mm çapa sahiptir. Pasif kontrol yönteminde, kullanılan 40mm
çaplı silindirlere su yüksekliği boyunca çapı 4mm olan delikler açılmış ve 0.23
geçirgenlik oranına sahip hale getirilmiştir. Deney aparatları ise laser süzmesinin
cisimlerin yüzeyinden rahatlıkla geçebilmesi ve dolayısıyla akış yapısının
incelenmesini sağlamak amacı ile akrilik malzemeden imal edilmiştir. Silindir
arkasında oluşan akış yapısı silindirler arasındaki mesafeye bağlı olarak
değişmektedir. Bu sebepten dolayı, silindir merkezleri arasındaki mesafenin, silindir
çapına oranı G/D=1.25, 1.50 ve 1.75 olmak üzere üç değişik değerde deneyler
yapılmıştır. Deneyler boyunca su derinliği 20mm’de sabit tutulmuş ve su hızının
0.125 m/s (silindir çapına bağlı Reynolds sayısı=5000) değeri için yapılmıştır.
Metot
Deneylerde lazer ışını altında parlayan Rhodamine 6G boyası kullanılarak
akış görsellenmeye çalışılmıştır. Akış alanına bir düzenek ile gönderilen boya ile
21
Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Yıl:2008 Cilt:19-3
silindirler arkasındaki akış yapısı SONY DCR-TRV355E model dijital bir kamera ile
kaydedilmiştir. Boya ile akışı görüntüleme deneyinde, boya akıtma düzeneği
silindirlerin ön tarafına kurulmuştur. Kanalın yanında suyun akma yönüne dik
olarak ve 10mm su yüksekliğinden hüzme gönderen lazer ve kanalın altında
kamera bulunmaktadır. Görüntüler dijital kamera yardımıyla bilgisayara aktarılmış
ve bir bilgisayar programı yardımı ile analizler yapılmıştır.
Araştırma Bulguları
Akıllı ve ark., (2004) sığ suda yaptığı deneysel çalışmada, iki silindirin
birbirine temas ettiği durumdan (G/D=1), açıklık oranının G/D=1.25 değerine sahip
olduğu duruma kadar artırılması durumunda, silindirler arkasında oluşan akışın, tek
bir silindir arkasında oluşan akış ile benzer olduğunu, yani silindirler arkasında tek
bir Karman girdap caddesi oluştuğunu gözlemlemişlerdir. Açıklık oranı G/D arttıkça,
(G/D=1.25, 1.50 ve 1.75 değerlerinde), silindirler arkasında iki farklı akış yapısı
gözlemlemişlerdir. Yan yana sıralı iki silindirden birisinin arkasındaki iz bölgesinin,
diğeri ile karşılaştırıldığında daha geniş olduğunu, ve bu geniş iz bölgesinin her
zaman aynı silindir arkasında oluşmadığını zaman zaman bu geniş iz bölgesine
diğer silindirin arkasında rastlandığını göstermişlerdir. Bu duruma, daha önce
yapılan ve akışın derin su olarak kabul edildiği deneysel çalışmalarda da
rastlanmaktadır (Bearman and Wadcock, 1973).
a)
b)
c)
Şekil 1: a)G/D=1.25, b)G/D=1.50, c)G/D=1.75
Şekil 1’de aralarındaki açıklık oranları G/D=1.25, 1.50 ve 1.75 olan yan
yana sıralı silindirlerin arkalarında oluşan akışın, herhangi bir kontrol yöntemi
kullanılmadığı durum görülmektedir. Şekil 1a’da, silindir açıklık oranının 1.25
olduğu durumda silindirlerden birinin arkasındaki iz bölgesinin diğer silindir
arkasındaki iz bölgesine baskınlığı net bir şekilde görülmektedir. Açıklık oranı
22
Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Yıl:2008 Cilt:19-3
arttıkça baskınlık oranı azalmaktadır. Örneğin şekil 1b’de açıklık oranının, 1.5
değerindeki silindirler arkasındaki iz bölgelerinin genişliğinin oranı (baskınlık oranı)
1.25’e göre daha az olduğu açıkça anlaşılmaktadır. Ayrıca oluşan girdapların
frekansı da açıklık oranına bağlı olarak değişmektedir.
Kullanılan Pasif kontrol yönteminde, üzerine su yüksekliği boyunca çapı
4mm olan delikler açılarak 0.23 geçirgenlik oranına sahip hale getirilen silindirler
G/D=1.25, 1.50 ve 1.75 açıklık oranlarında yerleştirildiklerinde, silindirler arkasında
oluşan iz bölgelerinden birinin diğerine baskın olması durumunun tamamen
ortadan kalktığı gözlemlenmiştir. Bu durumlar Şekil 2’de her üç açıklık oranında da
(özellikle G/D=1.25 değerinde) açıkça görülmektedir.
a)
b)
c)
Şekil 2: Geçirgenlik oranı 0.23, a)G/D=1.25, b)G/D=1.50, c) G/D=1.75
Tartışma ve Sonuçlar
Bu çalışmada yan yana sıralı iki silindir arkasında oluşan daimi olmayan
akış yapısının pasif yöntem kullanarak kontrol altına alınması amaçlanmıştır.
Kullanılan yöntemlerde silindirler, arasındaki açıklık oranları G/D=1.25,
1.50 ve 1.75 olacak şekilde yerleştirilmişlerdir.
Üzerine delikler açılarak 0.23 geçirgenlik oranına sahip hale getirilmiş
silindirlerin kullanılması ile, yan yana sıralı silindirler arkasında oluşan iz
23
Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Yıl:2008 Cilt:19-3
bölgelerinden birinin diğerine baskın olması durumu, G/D=1.25, 1.50 ve 1.75
açıklık oranlarında ortadan kalktığı gözlemlenmiştir.
Kaynaklar
AKILLI, H., AKAR, A., KARAKUS, C. 2004. Flow characteristics of circular
cylinders arranged side-by-side in shallow water, Flow Measurement and
Instrumentation, Vol. 15, pp.187-197.
BEARMAN, P.W., ve WADCOCK, A.J., 1973. The interaction between a pair of
circular cylinders normal to a stream. Journal of Fluid Mechanics, Vol.
61, pp.499-511.
Teşekkür
Bu Çalışma, Tübitak Tarafından 105M267 No’lu ve Ç.Ü. Bilimsel
Araştırma Projeler Birimi Tarafından MMF2004BAP12 No’lu Proje Kapsamında
Desteklenmiştir.
24