Koniksel girişin aşağı akım akışına etkilerinin sayısal incelenmesi

Abstract

Fan, pompa, kompresör, manifold ve hava kanalları gibi akışlı sistemlerde enerji kayıplarının doğru bir şekilde hesaplanması önemli olduğu gibi enerji kayıplarının azaltılması da ayrıca önemlidir. Bu çalışmada boru girişlerinde enerji kayıplarının azaltılmasına yönelik sayısal bir çalışma yapılmıştır. Bir rezervuardan boruya akışkan geçişinde boru giriş ağzı aşağı akım akış özellikleri üzerinde önemli etkilere sahiptir. Uygulamalarda koniksel boru girişi, çıkıntılı boru girişi ve keskin kenarlı boru girişinin kullanıldığı görülmektedir. Bunlardan koniksel giriş akışkanın boruya geçişini düzgün bir hız profili ile sağladığından diğer iki giriş tipine göre en az türbülans üreten ve en az enerji kaybına neden olan eleman olarak literatürde bildirilmiştir. Koniksel akış girişi fan, kompresör ve içten yanmalı motor gibi cihazların performanslar üzerinde önemli iyileştirme sağlayabilmektedir. Koniksel giriş eliptik, kanat profili ve yuvarlatılmış yarıçap olarak üç farklı şekilde tasarlanabilmektedir. Bu tez çalışmasında eliptik koniksel giriş tipinin akış üzerinde en iyi performansı göstereceği geometrik parametreleri araştırılmıştır. Bunun için boru çapı değiştirilmeden konik geometrisinin boyutları değiştirilerek dokuz ayrı koniksel giriş modeli oluşturulmuştur. Bu dokuz farklı konik boyut 0.34 < L/De < 0.8 aralığındaki boyutsuz konik boyutlarına denk gelmektedir. Bu dokuz ayrı konik giriş ile 20000<Re<100000 aralığındaki Reynolds sayılarında daimi, izotermal borulu su akışları sayısal yöntemle çözülmüştür. Türbülanslı akışların çözümü RANS denklemlerle ve SST k-omega türbülans modeli kullanılarak çözülmüştür. Sayısal çözümden çıkan sonuçlar ile L / De oranının boru giriş hız profili, konik eleman yerel sürtünme yük kaybı, boru akışındaki darcy sürtünme faktörü ve eksenel akış hızı üzerindeki etkileri analiz edilmiştir. Sonuç olarak L / De oranın türbülanslı boru akışı üzerinde pek etkili olmadığı fakat laminar boru akışı üzerinde etkili olduğu görülmüştür. L / De oranın değişmesi boru girişinde hız profili üzerinde etkili olduğu görüldü. Boru girişinde ortalama akış hızından sapmanın L / De ve Re ile çok değişkenlik gösterebildiği görüldü. Karşılaştırma amacıyla keskin kenarlı giriş ile de aynı Reynolds sayılarında çözümler yapıldı. Keskin kenarlı girişin boru girişindeki hız profiline ve aşağı akım karakteristiklerine olan etkisinin konik girişe göre çok faklı olduğu ve basınç kayıpları yönünde kötü olduğu görülmüştür. Sonuç olarak konik giriş için en iyi L / De oranları yapılan sayısal çalışmayla tespit edilmiştir.

In flow systems such as fan, pomp, compressor and air ducts, it is accurately important to calculate the energy loss as much as decreasing the energy loss. In the study, a numerical work has been made to reduce the energy loss at the pipe entrance. When fluid flows from a reservoir towards pipe, pipe inlet has essential effects on downstream flow properties.In applications, it is seen that bellmouth pipe entrance, protruding pipe entrance and sharpedged pipe entrance have been used. Bellmouth entrance enables to form uniform velocity profile of fluid towards pipe therefore it has been stated in the literature that it has low turbulence properties and the lowest energy loss material in comparison of other pipe entrance types. Bellmouth flow entrance can considerably improve the performance of devices such as fan, compressor and internal combustion engine. Bellmouth entrance types can be designed in three different ways which are elliptical, aerofoil and round radius. In the thesis, the best performance of elliptical bellmouth entrance types on geometrical parameters of fluid was investigated. Due to the above-mentioned reasons, nine different geometric dimensions of bellmouth entrance have been designed with the same radius. These bellmouth dimensions are in the range of 0.34 < L/De < 0.8 of non-dimensional bellmouth. Numerical method has been used for solutions of these bellmouth dimensions in the range of 20000<Re<100000 of Reynold numbers in a condition of constant and isothermal liquid flow. Turbulence flows were solved with the RANS equations and SST k-omega model. The results obtained from the numerical calculations, the effects on pipe entrance velocity profile of L/De ratio, local friction load loss of bellmouth material, Darcy friction factor in pipe flow and axial flow rate were analyzed. As a result, L/De ratio had no effect on turbulence pipe flow but it had on laminer pipe flow. It was observed that the changes of L/De ratio at pipe entrance had influence in velocity profile. It was seen that the changes of average flow velocity at pipe entrance had irregular effect for L/De and Re. The same of Reynold numbers were used for sharp-edged pipe as a comparison preference. It was observed that the velocity profile and downstream characteristic of sharp-edged at pipe entrance were very different and the values were insignificant in terms of pressure loss compared to bellmouth entrance. As a result, the best L/De ratio of bellmouth entrance were recorded thanks to this numerical research.