Farklı açılarda HAD-PIV karşılaştırmaları

Daha önceki bölümlerde çark 1, çark 2 ve çark 3 için 1900 d/d ve 2850 d/d değerlerinde 3 farklı debi değerinde sonuçlar verilmiştir. Sonuçlarda çark ve difüzör etkileşiminin etkin olduğu belirlenmiş ve çark çıkışındaki bu akışkan-yapı etkileşiminden dolayı oluşan akış yapısı tüm deney değerlerinde görülmüştür. Bu bölümde ise 2850 d/d motor devrinde tasarım debisi 12.5 m3_{/h debide 6 kanatlı orijinal çark olan Çark 1 için,} çark-difüzör pozisyonu farklı açılarda olduğunda, çark içerisindeki akış yapısına etkisi incelenmiştir. Bu çalışma ticari olarak da üretilen pompa çark 1 olması nedeniyle sadece bu çark için yapılmıştır. Şekil 4.32’de HAD ile elde edilen ve difüzör içerisindeki akışı da gösteren bağıl hız vektörlerinin dağılımı verilmiştir. Şekil incelendiğinde çark çıkışında oluşan dönümün nedenin difüzör bölgesinde oluşan akış yapısı ile direkt ilgili olduğu anlaşılmaktadır. Çark çıkışında orta bölgede oluşan bir girdap da görülmektedir.

Şekil 4.32. 2850 d/d’da ve 12.5m3_{/h debide çark 1 (orijinal çark) için HAD ile elde edilen bağıl hız}

vektörleri.

Bu nedenle 7 kanatlı olan difüzör sayısı, 6 kanatlı çarkın pozisyonu 0°’den başlayarak 40° açıya kadar, saat yönünde yaklaşık 10’ar derece açı ile artırılmıştır. 51.4 derece döndüğünde çark ile difüzör pozisyonu 0°’deki pozisyon ile aynı olacağı için toplam 5 farklı pozisyon incelenmiş ve en yüksek açı değeri 40° yeterli olmuştur. Bu açı çalışmada ϴ olarak tanımlanmıştır. Çark çıkış genişliğinin tam ortasındaki düzlemde verilen görüntülerde çark-difüzör pozisyonu değiştiğinde özellikle çark çıkış bölgesindeki akış yapısının nasıl değişeceği ve bu durumlarda HAD-PIV uyumunun değişimi de incelenmiştir. Yalnızca bir kanat aralığından görüntü alınabildiği için değişen açılarda deneylerde lazer cihazının pozisyonu da gerektiğinde değiştirilmiştir. Liu ve ark.

(2013) literatürde de farklı pozisyonlarda HAD-PIV karşılaştırılması sınırlı sayıda çalışmalardan birini yapmıştır.

Şekil 4.33’de 2850 d/d motor devrinde ve 12.5 m3_{/h debide farklı açılarda HAD} ile elde edilen mutlak hız vektörleri verilmiştir. ϴ=0° olarak verilen sonuçlar önceki bölümde incelenen çark-difüzör pozisyonu ile aynıdır. Mutlak hız vektörlerinde çark girişinde önemli bir fark görülmemektedir. Çark çıkışında ise 10° ve 20°açılarda azalan difüzör etkisi 30° açıya geldiğinde mevcut pozisyonlarda elde edilen en düşük akışkan- yapı etkileşimi olan görüntü elde edilmiştir. ϴ=40° açıya gelindiğinde ise çark çıkışında emme yüzeyine yakın bölgede difüzör bölgesinden kaynaklanan etki görülmektedir.

ϴ=0º

ϴ=10º ϴ=20º

ϴ=30º

ϴ=40º

Şekil 4.33. 2850 d/d’da ve 12.5m3_{/h debide farklı açılarda HAD ile elde edilen mutlak hız vektörleri.}

Şekil 4.34’de ise farklı açılarda çark 1’de PIV ile elde edilen mutlak hız konturları görülmektedir. Seçilen türbülans modeli ile elde edilen HAD görüntülerinin PIV sonuçlarını büyük oranda yansıttığı ve uyumlu olduğu görülmektedir. PIV sonuçlarında akış yapısı daha az vektör sayısında temsil edilmektedir. PIV sonuçlarında çıkış bölgesindeki ters akışlar daha belirgin ve baskın şekilde görülmektedir. Tüm PIV değerlerinde çark çıkışı hariç düzgün bir dağılım elde edilebilmiştir. HAD sonuçlarına benzer şekilde 30° olan pozisyonda çıkış bölgesi kaynaklı etki en az olarak ölçülmüştür.

ϴ=0º ϴ=10º ϴ=20º

ϴ=30º ϴ=40º

Şekil 4.34. 2850 d/d’da ve 12.5m3_{/h debide farklı açılarda PIV ile elde edilen mutlak hız vektörleri.}

Şekil 4.35’de 2850 d/d’da ve 12.5m3_{/h debide çark 1 için HAD ile farklı açılarda} elde edilen bağıl hız vektörleri verilmiştir. Akışın çark girişinden girerek çark çıkışına doğru hareket ettiği görülmektedir. 0° açı değerinde, çark çıkışında oluşan ters akış kaynaklı yüksek büyüklükte hız vektörleri 10°’de bir miktar azalmış 20°’de ise sadece kanadın basma yüzeyinde çıkış kısmında bir miktar görülmüştür. 30° açıda akışın düzgün bir şekilde çarkı terk ettiği ve çıkıştaki dönüm etkisinin bu konumda mutlak hız vektörlerine benzer şekilde en az etkili olduğu görülmüştür. 30° pozisyondaki akış yapısı akış fiziği açısından bağıl hız değerlerinin dağılımın hem çark girişinden çark çıkışına hem de çarkın basma yüzeyinden emme yüzeyine en düzenli ve yüksek verim açısından en uygun dağılım olduğu söylenebilir. Sadece çarkın basma yüzeyinde orta kısımdaki hız vektörlerinin çark çıkışındaki etkiden bağımsız olarak düşük olduğu görülmektedir. Durağan halde faz ortalamalı değerler ile sonuçları sunulan çalışmada, gerçek çalışma şartlarında çark sürekli dönmekte ve dönüşün her bir anında çark-difüzör pozisyonları sürekli olarak değişmektedir. Burada özellikle görülen durum önceki bölümlerde çıkış bölgesindeki ters akışın nedeninin çark tasarımı değil çark-difüzör pozisyonundan kaynaklandığı görülmüştür. Bu şekilde pompa çarkında tespit edilen ters akışlar literatürde de mevcuttur (Pavesi, 2006; Zhu ve ark., 2010).

Şekil 4.36’da verilen PIV sonuçlarının HAD sonuçları ile uyumlu olduğu görülmüştür. Özellikle 30° pozisyonda çark içerisindeki akış yapısı oldukça düzgündür.

PIV deneylerinde özellikle ters akışın az olduğu yerlerde ölçüm yapmak HAD uyumu açısından daha doğru ve güvenilir sonuçlar vermektedir. Ancak PIV ile bu çalışmada da olduğu gibi ters akışın olduğu yerlerde de benzer sonuç alınabilmektedir.

ϴ=0º ϴ=10º ϴ=20º

ϴ=30º ϴ=40º

Şekil 4.35. 2850 d/d’da ve 12.5m3_{/h debide farklı açılarda HAD ile elde edilen bağıl hız vektörleri.}

ϴ=0º ϴ=10º ϴ=20º

ϴ=30º ϴ=40º

Şekil 4.37’de ise 2850 d/d motor devrinde ve 20° derece açıda difüzör hacminden kesiti de içerecek şekilde örnek bir HAD görüntüsü olarak verilmiştir. Burada difüzör içerisindeki akış yapısının yönü ve ters akış bölgesi de görülebilmektedir. PIV ile görülemeyen bu kısımlardaki akış yapısının HAD ile elde edilebilmesi akış fiziğinin yorumlanabilmesi açısından önemlidir. Ayrıca burada üstteki çarkın emme yüzeyinde çıkış bölgesinde üstteki difüzörün olduğu bölgede akış da görülmektedir.

Şekil 4.37. 2850 d/d 12.5 m³/h debide ϴ=20°’de bağıl hız vektörleri.

Şekil 4.38’de çark 1 için mutlak hız değerleri farklı açılarda kontur haritası olarak verilmiştir. Tüm açı değerlerinde çark girişinde düşük olan hız değeri çark çıkışına doğru artmaktadır. Burada görülen en önemli husus çark çıkışındaki akışkan yapı etkileşiminin sadece çark çıkışını değil çark girişindeki mavi renk ile gösterilen hız bölgesini de etkilemesidir. Ayrıca çarkın orta kısmında da akışın kontur profilinin gelişimi de buna bağlı olarak değişmesi önemli sonuçlardandır. Çark çıkışında oluşan ve 13.67-15.33 m/s arasında temsil edilen yüksek hız değerleri çark içerisinde açı değişse de hep difüzör kanadı civarında bir bölgede kalmaktadır. Bu bölgenin büyüklüğü kanat ucu difüzör kanadına yakınken artmakta, uzaklaşınca ise azalmaktadır.

ϴ=0º ϴ=10º ϴ=20º

ϴ=30º ϴ=40º

Şekil 4.38. 2850 d/d’da ve 12.5m3_{/h debide farklı açılarda HAD ile elde edilen mutlak hız konturları.}

ϴ=0º ϴ=10º ϴ=20º

ϴ=30º ϴ=40º

Şekil 4.39’da verilen PIV ile elde edilen mutlak hız konturları incelendiğinde ϴ=10º-20º ve 30º değerlerinde HAD ile elde edilen ve kırmızı renk skalası ile gösterilen bölgenin oluşmadığı görülmektedir. Bunun nedeni bu bölgedeki lazer dağılımın diğer açı değeri ile bozulmasından kaynaklandığı söylenebilir. HAD değerleri ile PIV değerleri arasındaki benzerlik ve farklılıklar kontursal değerlerde açıkça görülmektedir. Tüm açı değerlerinde çark girişindeki hız dağılımı benzer şekildedir. Diğer sonuçlarda da olduğu gibi sınır tabakadaki akış yapısı hiçbir PIV sonucunda yakalanamamıştır. Bunun yanında yüksek ve düşük hız bölgelerinin sayısal ve deneysel sonuçlarda genelde uyumlu olmakla birlikte büyüklük değerleri farklılık göstermektedir.

Şekil 4.40’da ise çark 1 için farklı ϴ değerlerinde HAD ile elde edilen bağıl hız konturları verilmiştir. Çark çıkışındaki dönümlü bölgenin konumunun ve büyüklüğünün değişen açı değerleri ile oldukça farklılaştığı görülmektedir. Bunun yanında çark içerisinde de bağıl hız dağılımının da farklı çark-difüzör pozisyonunda oldukça değiştiği tespit edilmiştir. Kanadın basma yüzeyindeki düşük hız bölgesinin ise vektör dağılımında en uygun açı olarak görülen ϴ=30º değerinde en düşük olduğu ve bağıl hız dağılımında da en uygun akış yapısının bu pozisyonda elde edildiği görülmüştür. Bağıl hız değerinde en fazla değişimin ise ϴ=30º’de olduğu görülmüştür.

Çark çıkışında 15.50 m/s değerlerini bulan yüksek hız değerlerinin PIV ile de elde edildiği farklı açılardaki deneysel verilerin sonuçları Şekil 4.41’de sunulmuştur. Ancak kontur yapısı ve büyüklüğü açısından deney sonuçlarının HAD değerleri ile karşılaştırıldığında genelde uyumlu olduğu ancak bazı farklılıklar da gösterdiği tespit edilmiştir. Bunlar 20° pozisyonu hariç diğer açılarda kanadın basma yüzeyindeki düşük hız bölgesinin PIV ile daha büyük olarak ölçülmesidir. Bununla birlikte çark çıkışındaki yüksek bağıl hız bölgeleri HAD ile ince uzun bir kontur olarak görülürken PIV ile daha geniş ve yuvarlak hatlı olarak ölçülmüştür. Bu bölümde elde edilen önemli sonuçlardan biri de literatüre benzer şekilde (Yalçın, 2015) çark çıkışındaki difüzör gibi bir engelin çark çıkışındaki akış koşullarını değiştirdiğini ve akışın aksi yönde olmasına rağmen engelin etkisinin çark ortasına kadar ilerlediğinin tespit edilmesidir.

ϴ=0º ϴ=10º ϴ=20º

ϴ=30º ϴ=40º

Şekil 4.40 2850 d/d’da ve 12.5m3_{/h debide farklı açılarda HAD ile elde edilen bağıl hız konturları.}

ϴ=0º ϴ=10º ϴ=20º

ϴ=30º ϴ=40º