By | 24 Ocak 2016

GİRİŞ

Silindir üzerinde akış karakteristiklerinin incelenmesine başlamadan önce nedir bu hesaplamalı akışkanlar dinamiği bunu açıklamakta fayda olacağını düşündüm. Öncelikle teknikte ve  litaratürde “Computational Fluid Dynamics”(CFD) olarak geçmekte olan bu konu oldukça geniş uygulama alanı bulan ve günümüzde mühendislerce oldukça sık kullanılan bir alandır. Bu bilim dalı temelde akışkanlar mekaniğinin temel prensipleri yardımıyla bir cismi içinden/dışından veya sadece akışkanların hareket davranışlarını inceler.

CFD uygulamalarına örnek verecek olursak; Taşıt Aerodinamiği, Elektronik Sistemlerin Soğutulması, Isımat Havalandırma Uygulamalrı (HVAC), Pompa ve Türbin Tasarımları, Tork Konverterleri, İçten Yanmalaı Motorlarda Silindir İçi Akış,  Deniz Araçlarının Tasarımı, Hava Araçları, Uzay Araçları, Roketler ve daha pek çok alanda oldukça kullanılan bir bilim dalıdır.

Ayrıca CFD sadece akışkanların hareketini incelemez. Katı-Akışkan arasındaki etkileşimin nasıl meydana geldiğini de inceler. Örneğin Hidroelektrik Santrallerindeki Güç Türbinlerinin kanatlarına gelen statik/dinamik yüklerin kanatta nasıl etkiler oluşturduğunu ve kanat üzerinde akış partiküllerinin nasıl davrandığını gözlemlememizi sağlar.

Gözle Fiziksel olarak gözlememizin imkansız olduğu kimyasal reaksiyonların nasıl meydana geldiği, reaksiyonlara etki eden parametrelerin belirlenip bu parametrelerin ne yönde etki ettiği, Roketlerin ses üstü hızlardaki davranışları veya fiziksel olarak verilerin toplanmasının imkansız olduğu durumlarda büyük bir doğruluk ile tahmin etmemizi sağlayan araçtır.

Bu bağlamda dünyada bir çok şirket tarafından geliştirilen programlar mevcuttur. Bunların en başında ANSYS/Fluent gibi genel amaçlı CFD yazılımı olmakla birlikte özel amaçlı yazılımlarda mevcuttur. Bunlardan bazıları Altair/Hyperworks/Acusolve, Altair/Hyperworks/Virtuel Wind Tunnel, AUTODESK CFD, Msc SOFTWARE/XFLOW, OpenFoam gibi buraya yazmadığım birçok yazılım mevcuttur.

Bu uygulamada ise ANSYS/Fluent genel amaçlı yazılımı kullanacağım.

Peki nedir akışkan?

Akışkan: Serbest halde herhangi bir kayma gerilmesi taşımayan maddelere akışkan denir. Akışkanların bir çok sınıflandırma şekli mevcuttur. Bunlardan bazılarına örnek verecek olacaksak Newtonian ve Non –Newtonian, Sıkıştırılabilir/sıkıştırılamaz, Laminar/Türbülanslı akışkanlar gibi…

Newtonian Akış Nedir?

1700’lü yıllarda Newton tarafından ortaya konan bir teorem olup gerçekte bu tip bir akışkan mevcut değildir. Ancak su belli şartlar altında(sıcaklık ve basınç) bu tip akışkan olarak değerlendirilebilir.

fluid

Ekran Alıntısı

Viskozite: Akışkanın akmaya karşı gösterdiği direncin bir ölçüsü olup SI birimi ise Pa.s’dir.

Bu bağıntıyı sağlamayan tip akışkanlara da non-newtonian tip akışkanlar olup onlarda kendi içinde Ideal Bingham Plastic, Dilatant, Plastic, Psedoplastic olmak üzere 4 de ayrılır.

Laminer Akış: Akış tabakalarının bir biri içine girmediği yani sanki bir birlerine paralel olarak hareket eden sonsuz sayıdaki levhalardan meydana gelmiş akışkan hareketini ifade etmek için kullanılır.

Türbülanslı Akış: Bu birbirine paralel eden sonsuz sayıdaki levha bu akış hareket tipinde ise birbiriyle girişim yaparak kaotik bir ortam meydana getirmesi sonucu oluşan akış hareketidir. Akışın davranışı bu gibi ortamlarda tahmin edilemez.

Akışkanın hareket tipini birbirinden ayırt etmek için ise Reynold Sayısı olarak ifade edilen ve akışkanlar mekaniği bilim dalında önemli buluşlara imza atan bilim adamının isminin verildiği bir birimsiz sayıdır. Reynolds sayısı atalet kuvvetlerinin, viskoz kuvvetlerine oranıdır.

Reynolds Transport Teoremi olarak da bilinen diğer önemli denklem ise klasik mekaniğin temel kanunlarını akışkanlar mekaniğine uyarlanmasını sağlayan bir yaklaşımı sağlamıştır.

Ekran Alıntısı1

İşlem Adımları

1) Geometrinin Oluşturulmasıfluid2

Şekil 2 Geometrik Ölçüler

Şekildeki gibi bir metre çapındaki silindiri orijine oluşturunuz ve ardından bu silindiri kaplayan ve havayı temsil edecek hacmi bölgeyi oluşturunuz bu bölgenin boyutları şekilde verilmiştir.

Ardından en üst menüden Concept komutunun altından Surface From Sketches kısmını tıklayarak sketch1 adıyla açılan skech’i tıklayarak uygulaması için Generate komutuna tıklarız.fluid3

Şekil 3 Yüzey Görüntülü Hacim

Son görüntü olarak yukarıdaki gibi bir görüntü elde etmemiz gerek.

2)Mesh(Ağ) Yapısının Oluşturulması

Workbench ana sayfasına gelip Mesh kısmını çift tıklarız. Mesh ara yüzü açılmasının ardından mesh kısmından sağ tıklayıp Method kısmını tıklayıp geometri olarak oluşturulan geometri seçilir. Method olarak trianges olarak değiştirilir. Bu kısım bize hazimsel alanı üçgensel alanlara böleceğini söyler. Ardından tekrar sağ tıklanır. Sizing seçilir ardından silindirin kenarları seçilir type kısmı Number of Divisions oalrak değiştirilir ve buraya 500 sayısı girilir. Yani çemberin çevresi 500 eş parçaya bölünecektir demektir. Bu sayı arttıkça tahmin edileceği üzere çember daha doğru modellenecektir ancak bu sayının artması çözüm süresini ve mesh(ağ) yapısının oluşturulmasının süresini uzatacaktır bu sayı tecrübeye dayalı verilmektedir. Her uygulama ve bilgisayar donanımına göre değişmektedir. Bu uygulamada 500 olarak tercih edilmiştir. Ardından tekrar sağ tıklanır ve inflation kısmı seçilir ve geometri kısmında oluşturulan hacim seçilir. İnflation Option kısmından Firt Layer Thickness olarak değiştiririz. First Layer Height kısmını 1 mm olarak değiştiririz. Max. Layers kısmını 30 olarak değiştiriz. Growth Rate kısmına 2 gireriz. Şimdi bunların ne anlama geldiğini anlatmak gerekirse şunları söyleyebiliriz. Inflation cisim üzerinden meydana gelen sınır tabaka ve hidrodinamik film tabakasını modelleyebilmek adına yapılan bir işlemdir. Buradaki sayılar ise ilk katman 1 mm’den başlayarak 30 tabaka meydana getirilsin ve her tabaka kendisinden bir önceki tabakanın 2 katı olacak şekilde büyüme göstersin.

Mesh kısmını tıklayıp altta açılan sekmelerden Sizing kısmından Use Advanced Size Function kısmını Proximity and Curvature, Revelence Center kısmını Fine, Min Size 5 mm, Max Face Size 500 mm, Max Size 500 mm olacak şekilde değiştirilir. Son görüntü ise aşağıda verilmiştir.fluid4

ŞEKİL 4 Mesh Görüntüsü

fluid5

ŞEKİL 5 Silindir Çevresindeki Mesh Görüntüsü

İsimlendirme işlemini yaparak Fluent kısmına geçiş yapabiliriz. İsimlendirme ise Şu şekilde yapılacaktır. Silindir kenarı seçilip sağ tıklanıp cylinder olarka isimlendirelim. Ardından silindirin ön kısmını inlet, arka kısmını da Outlet, üst ve alt kenarlarda Wall olarak adlandıralım.

fluid6

ŞEKİL 6 İsimlendirilmiş Bölgeler

3)Fluent ile Çözümleme

Workbench Ekranından setup kısmına çift tıklanır ve ardından Fluent ara yüzü açılır. Model kısmına karışılmaz ve materials kısmında air olarak seçilir yoğunluk ve viskozite 1 olarak değiştirilir. Boundary Conditions kısmından inlet kısmı seçilir ve 80m/s hız girişi uygulanır. Reference values kısmından Compute from kısmından inlet seçilir. Solution Methods kısmından Sheme kısmından Coupled algoritması seçilir. Monitors kısmından crate kısmı tıklanır ve Drag seçilir çıkan pencereden cylinder seçilir Print to Console ve plot kutucukları işaretlenir ok denip çıkılır bu işlem kaldırma katsatısı (lift) için tekrarlanır. Solution Initialization kısmından Hybrid Initialization işaretlenir ve Initialize kısmı tıklanır.

Run Calculation kısmından Number of Iteraions kısmına 100 girilir ve Calculate kısmı tıklanarak çözüm başlatılır.fluid7

ŞEKİL 7 Basınç Dağılımı

Basınç dağılımına bakılarak şu yorumlar yapılabilir. Silindirin ön kısmına yani akışın ilk temas ettiği bölgede yüksek basınç bölgesi meydana gelmiştir. Bu durumun böyle olması beklendik bir durum olup bu bölgeye durgunluk bölgesi denmektedir yani Bernoulli Prensibi gereği hızın sıfır olduğu yerde basınç maksimumdur. Mavi ile renklenen kısımlara bakarak şunları söyleyebiliriz. Bu bölgelerde negatif basınç alanları meydana gelmiştir yani vakum etki etmektedir. Bu vakum, akışkanın silindirin arkasına doğru aktıkça silindir üzerinden ayrılarak arka bölgeler iki adet girdap(vortex) meydana getirmektedir. Bu durum ANSYS/Fluent’in görüntüleme araç kısmından pathlines kısmından akım çizgileri incelenerek ayrılma bölgelerinin ve vortex’in meydana geldiği bölgeler daha net ve nasıl meydana geldiğini anlamamızı sağlar.

fluid8

ŞEKİL 8 Hız Dağılımı

Hız dağılımı, basınç dağılımının maksimim olduğu bölgelerde minimum özellik göstermiştir silindir ön bölgesi görüldüğü gibi hız sıfırdır yani basınç maksimumdur. Akışın karakteristiğine dikkatlice bakıldığında parabolik bir akış gelişmektedir. Boru içi kanal akışlarında bu tip akış hareketleri gelişmekte olduğunu bilmekteyiz. Duvar kenarlarına bakıldığında da sıfır hız yani cidar şartını sağlamaktadır. Cidar şartı kaymama prensibi gereği akışkanın temas ettiği bölgelerde akış partikülleri yüzeye tutunur ve yüzeyden ayrılmaz. Böylece yüzeyde hız sıfırlanır. Burada da bu durum net olarak görülmektedir.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir