4. APS KAPLAMALARIN EFEKTĐF ISI ĐLETĐM KATSAYISININ DENEYSEL
4.5. Görüntü Analizi
Şekil 4.11. Mukayese yöntemi ile elde edilen deneysel sonuçlar.
4.5. Görüntü Analizi
Isıl engelleme kaplamasından oluşan numunelerin iç yapılarının incelenebilmesi için numuneler, iletkenlik ölçümleri sonrasında, tahribatlı bir kontrol metodu olan metalografik numune hazırlama işleminden geçirilmiştir.
Metalografik numune hazırlama işleminin temel amacı göreceli olarak pürüzsüz bir yüzey elde edilerek malzemenin, optik mikroskop ve elektron mikroskobunda hassas olarak incelenebilmesidir.
Metalografik numune hazırlama 5 temel adımdan oluşur (Rückert et al., 1988;
Bjerregaard et al., 1992). Bunlar sırasıyla;
Kesme
Kalıplama
Zımparalama
Parlatma
Dağlama adımlarıdır.
Isıl engelleme kaplamasından oluşan numunelerin, metalografik olarak hazırlanması sırasında bu adımlar standart metalik veya seramik numunelere oranla daha kritik bir hal alır. Çünkü birbirlerinden çok farklı özelliklere sahip ana metal altlık ile seramik ısıl engelleme kaplama bir arada bulunur ve her ikisine numune hazırlama işlemlerini ayrı ayrı uygulamak imkansızdır. Genel olarak belirtmek gerekirse, metal altlık daha yumuşak, daha sünek davranış gösterirken, seramik üst kaplama daha sert ve kırılgan davranma eğilimindedir (Blann, 1997). Tüm hazırlama işlemlerinde numune üzerinde belirli bir kuvvet uygulanmaktadır. Numune hazırlamada belki de en büyük zorluk bu kuvvet etkisiyle kaplamanın kalkmasını (spalling); veya kaplamayı oluşturan Zirkonyum oksit taneciklerinin yerlerinden çıkmasını (pull out) önlemektir. Bu kritik durumu da dikkate alarak numune hazırlama aşağıdaki şekilde gerçekleştirilmiştir;
Kesme :
Kesme işlemi metalografik numune hazırlama amacı için tasarlanmış Struers marka Labotom model kesme cihazında gerçekleştirilmiştir. Kesme işlemi esnasında numunenin ısınmasını önlemek için bor yağı katkılı kesme sıvısı kullanılmış, kesme materyali olarak sert Al2O3 mineral tanecikleri içeren diskler kullanılmıştır. Numuneye gelen teğetsel kuvvetleri minimize etmek için kesme hızı olabildiğince düşük tutulmuştur.
Kalıplama :
Kalıplama işlemi numune üzerinde basınç ve sıcaklık oluşturmaması, gözenekli malzemelerde daha yüksek kenar düzgünlüğü elde edilebilmesi nedeniyle soğuk kalıplama tekniği ile gerçekleştirilmiştir. Gözenekli kaplama içinde hava sıkışması sonucu kalıpta meydana gelebilecek gözenekleri ortadan kaldırabilmek için işlem vakum altında uygulanmıştır. Kalıplama işlemi Buehler marka vakumlu soğuk kalıplama ünitesi kullanılarak yapılmıştır. Kalıp malzemesi olarak en iyi kaliteyi
Zımparalama, sert SiC malzemeden imal edilmiş disk şeklinde kağıt zımparalar ile sürtünme kaynaklı ısıyı önlemek için su soğutması ile yapılmıştır. Bu amaçla Buehler- Phoenix 4000 zımparalama sistemi kullanılmıştır. Zımparalama işlemi kabadan inceye doğru sırasıyla 220 / 320 / 600 / 1200 grit zımparalar kullanarak 4 kademede gerçekleştirilmiştir. Numunede hasar oluşmaması için numune üzerinde minimum basınç uygulanmış, zımparalama devri ~150 devir/dakika’da tutulmuş ve aşırı uzun zımparalama işleminden kaçınılmıştır.
Parlatma :
Parlatma işlemi metal / seramik ikili sistemi için optimum çözüm sunan elmas solüsyonu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Parlatma yine Buehler marka Phoenix 4000 model cihazda 1200 grit sonrası 3 µm ve 1 µm elmas tane boyutlarıyla naylon çuha üzerinde ~ 150 rpm hızda iki kademede tamamlanmıştır.
Dağlama :
Gerek optik mikroskop gerekse elektron mikroskoplarında metal / seramik ikilisi yeterli çözünürlüğü sağladığından numuneler üzerinde dağlama işlemi uygulanmamıştır.
Tüm bu işlemler neticesinde ısıl engelleme kaplamalarının gözenek oranı, kalınlığı, homojenliği optik mikroskop ve elektron mikroskobu altında büyük bir hassasiyetle ölçülebilmektedir. Optik mikroskop değerlendirmelerinde Nikon marka Epiphot 300 model metal mikroskobu kullanılmıştır. Elektron mikroskop
değerlendirilmelerinde ise Leo marka S 440 model taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılmıştır. Elektron mikroskobunda elektrik iletkenliği gerekli olduğundan numuneler ayrıca sputtering tekniği ile vakum altında altın ile kaplanmışlardır (Exner, 1997).
Numunelerin gözenek oranını ve kalınlığını hassas bir şekilde belirlemek için Leica Image Analyzer donanım / yazılım sistemi kullanılmıştır. Ayrıca bu sistem sayesinde daha sonra kullanılacak bilgisayar modellemesinde baz alınacak mikro yapı görüntülerinin dijital resimleri elde edilmiştir.
Mukayese yöntemi ile efektif ısı iletim katsayısı elde edilen, gözeneklilik oranı
% 16 olan numunenin optik mikroskop görüntüsü Şekil 4.12’de verilmiştir.
Şekil 4.12. Gözeneklilik oranı % 16’ya ait 200x büyütmeli mikro yapı görüntüsü
Farklı gözeneklilik oranlarına sahip numunelerin ısı iletim katsayısının sayısal yöntemle tayininde sonlu hacimler metoduyla çözüm yapan Fluent 6.1.22 paket programı kullanılmıştır. Bu aşamada deneyde kullanılan numunelere ek olarak numuneler hazırlanmış ve bu numunelerin metalurjik incelemeler sonucunda gözeneklilik oranları, kalınlıları ve uzunlukları tespit edilmiş, bu değerler Çizelge 5.1’de verilmiştir. Metalurjik incelemeler sonucunda elde edilen gerçek mikro yapı görüntüleri Çizelge 5.1’de verilen özelliklere uygun olarak Fluent 6.1.22 programında modellenmiştir. Mikro yapıların ısıl iletkenliklerinin Fluent 6.1.22 programında hesaplanması için gerekli olan geometrinin oluşturulması, SolidWorks ve Gambit paket programlarının kullanıldığı iki farklı aşamadan meydana gelmektedir.
Şekil 5.1’de yapılan çalışmalar boyunca izlenilen aşamaları gösteren akış şeması verilmiştir. Sayısal yöntemle Atmosferik Plazma Sprey kaplamaların efektif ısı iletim katsayısının tayini, metalurjik inceleme ve sonrasındaki aşamaları kapsamaktadır.
Şekil 5.1. Sayısal yöntem çalışmalarını ve öncesini kapsayan aşamalar.
Deneysel Çalışmalar
Metalurjik Đnceleme
Geometrinin Oluşturulması Görüntü Analizi
Numunelerin Hazırlanması
Analiz Fluent
Lazer Flaş Yöntemi
321 Paslanmaz Çeliğin Isı Đletim Katsayısı
Mukayese Metodu
APS Kaplamanın Isı Đletim Katsayısı
SolidWorks Programı
Gambit
% 9.4 gözeneklilik oranına sahip mikro yapıya ait 200x büyütmeli görüntüsü Şekil 5.2’de, analizi yapılan diğer gözeneklilik oranlarındaki mikro yapılara ait görüntüler ise Ek Açıklamalar A1-A7’de verilmiştir.
Şekil 5.2. Gözenelilik oranı % 9.4 olan mikro yapının 200x büyütmeli görüntüsü.
Mikro yapı görüntüsünde siyah ile görülen bölgeler boşluk, diğer bölgeler ise ısıl engelleme kaplamasını göstermektedir. SolidWorks programında bu mikro yapı görüntülerinden faydalanılarak, analizi yapılacak olan kaplama bölgesine ait geometriler oluşturulmuştur. Geometri, görüntü analizinden elde edilen kalınlık (d), uzunluk (L) ve gözenek oranlarına göre oluşturulmuştur (Çizelge 5.1).
Çizelge 5.1. Mikro yapı boyutları ve gözeneklilik oranları.
Mikro yapı Görüntü Boyutları Gözeneklilik Uzunluk (mm) Kalınlık (mm)
% 9.4 0.475 0.126
% 12.4 0.475 0.148
% 18 0.475 0.148
% 24.8 0.472 0.228
% 31.1 0.470 0.256
% 34.7 0.952 0.519
% 41.5 0.950 0.518
% 44.2 0.952 0.519
% 51.6 0.956 0.3
Şekil 5.2’de verilen mikro yapının SolidWorks programında oluşturulan yapısı Şekil 5.3’te gösterilmiştir. Mikro yapı görüntüsüne benzer şekilde, siyah renkli görülen yerler gözenekleri temsil etmektedir.
Şekil 5.3. Gözeneklilik oranı % 9.4 olan mikro yapı görüntüsüne ait SolidWorks çizimi.
L
d
Fluent 6.1.22 paket programı ısı ve kütle geçişi problemlerini, kontrol hacmi ve hd duyulur entalpi olup sıcaklığa bağlı olarak,
∫
tarafındaki ikinci terim katının dönme veya öteleme hareketine bağlı olarak meydana gelen taşınımla ısı geçişini göstermektedir. u hız alanı, tariflenen katı bölgede i hesaplanan hızı göstermektedir. Sağ taraftaki ilk terim bilindiği gibi katı içindeki iletimle ısı geçişini ve son terimde hacimsel olarak katı içinde birim zamanda üretilen ısıyı (ısı kaynağı) göstermektedir. Fluent 6.1.22, ısı iletimi açısından anizotropik katılar için, malzemeye ait ısı iletim katsayısının (kij), matris şeklinde tariflenmesine olanak vermektedir. Böylece, iletim terimi,
şeklinde göz önüne alınmaktadır.
Ayrıca Fluent 6.1.22 paket programında ısı iletim katsayısı sıcaklığın çeşitli fonksiyonları şeklinde de tariflenebilmektedir.
Sabit sıcaklık çözümünde sürekli rejimde, içinde ısı üretimi olmayan, hareketsiz kaplama bölgesi için sadece iletim denklemi çözülmüştür.
5.1.1 Sayısal modelin oluşturulması
Modellemenin bu aşamasında SolidWorks programında oluşturulan geometriler Gambit programında açılarak düzenlemeler yapılmış, ağ yapısı oluşturulmuş, sınır bölgesi atamaları yapılmıştır.
Isıl engelleme kaplama bölgesine ait çözüm için Gambit programında, gözeneklerde ve gözeneklerin dışında kalan matris bölgede üçgen elemanlar kullanılarak ağ yapısı oluşturulmuştur. Gözenek içinde ve seramik bölgede ağ yapısı oluşturulurken aralık uzunluğu 2 seçilmiştir. Özellikle gözeneklilik oranı % 9.4 olan yapıda, gözenek boyutlarının çok küçük olması nedeniyle daha ince ağ yapısı için aralık uzunluğu 1 seçildiğinde ağ yapısı oluşturulurken problemlerle karşılaşılmıştır. Benzer şekilde, daha kalın ağ yapısını denemek için aralık uzunluğu 4 seçildiğinde de aynı hata ile karşılaşılmıştır. Bu nedenle tüm çözümler için gözenek içinde ve dışındaki bölgelerde aralık uzunluğu 2 seçilerek ağ yapısı oluşturulmuştur. Oluşturulan ağ yapısı, gözeneklilik oranlarına bağlı olarak 39050 – 158905 hücre sayısı ve 19828 – 79787 arasında değişen düğüm noktasından oluşmaktadır. Farklı gözeneklilik oranlarına sahip mikro yapı modellerinde oluşturulan ağ yapısına ait düğüm noktası ve hücre sayısı değişimi Çizelge 5.2’de verilmiştir.
% 12.4 23249 45874
% 18 23354 46082
% 24.8 33650 66598
% 31.1 38063 75398
% 34.7 37867 74996
% 41.5 38184 75630
% 44.2 37303 73868
% 51.6 79767 158904
Şekil 5.4’te gözenek ve ısıl engelleme kaplama bölgesinde oluşturulmuş gözeneklilik oranı % 9.4 olan mikro yapıya ait ağ yapısı, tek bir gözeneği kapsayacak bir bölge için gösterilmiştir.
Şekil 5.4. Gözeneklilik oranı % 9.4 olan mikro yapı görüntüsü için Gambitte oluşturulan ağ yapısı.
Gözenek-ara : interior
Ağ yapısının oluşturulmasından sonra Fluent 6.1.22 programında çözüm için gerekli olan sınır şartları atanmıştır. Isıl engelleme kaplamasına ait dört kenarda
“Duvar” sınır şartı, gözeneklere ait kenarlarda ise “interior” ara yüzey sınır şartı tanımlanmıştır (Şekil 5.5).
Gözenek içinde bulunan hava, gaz olarak alındığında, gözenek ve kaplama arasında bulunan sınır bölgeleri iki farklı sürekli bölgeyi (akışkan ve katı) ayırmakta ve çözüm yapılabilmesi için bu sınır bölgelerine sınır şartı girilmesi gerekmektedir.
Kaplama boyunca sıcaklık değişimi nedeniyle gözenek sınır bölgeleri için sınır şartları bilinmemekte ve gözenek içinde taşınım hesabı mümkün olmamaktadır. Bu nedenle gözenek içinde bulunan hava, katı olarak alınmış ve iki aynı sürekli bölgeyi ayıran ve sınır şartı girilmesi gerekmeyen arayüzey “interior” sınır bölge tanımlaması yapılmıştır.
Kaplamanın alt ve üst yüzeyinde sabit sıcaklık (Talt, Tüst), yan yüzeylerinde de adyabatik sınır şartı kullanılmıştır.
Şekil 5.5. Gözeneklilik oranı % 9.4 olan mikro yapı için Gambit programında oluşturulan sınır şartları.
Gambit programında düzenlenmesi tamamlanan dosyalar çözümü yapılmak üzere Fluent 6.1.22 programına aktarılmıştır. Fluent 6.1.22 programında malzeme
Fluent 6.1.22 programında 1000 º C’deki sabit sıcaklık sınır şartı çözümü için kullanılan sınır şartları ve sürekli bölgeler Çizelge 5.3’te verilmiştir.
Çizelge 5.3. Fluent 6.1.22 programında 1000°C’de sabit sıcaklık çözüm için kullanılan sınır şartları.
Sınır Tipi Sınır Adı Bölge Tipi Sınır Şartı Sınır Şartı Değerleri
Seramik Katı Seramik - - -
Gözenek Katı Hava - - -
Gözenekara Arayüzey -
Sol Duvar Seramik Isı Akısı 0 -
Sağ Duvar Seramik Isı Akısı 0 -
Üst Duvar Seramik Sıcaklık 1005ºC
Alt Duvar Seramik Sıcaklık 995ºC
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09
0 200 400 600 800 1000 1200
T (°C)
khava (W/mK)
Şekil 5.6. Havanın ısı iletim katsayısının sıcaklığa göre değişimi
Havanın özgül ısı ve ısı iletim katsayısının sıcaklığa göre değişiminin tanımlanmasında Incropera (2001) kitabı kaynak olarak kullanılmıştır. 8 YSZ Atmosferik Plazma Sprey kaplamanın özgül ısının sıcaklığa göre değişimi Taylor ve arkadaşlarının (1999) “Isıl Engelleme Kaplamalarının Termofiziksel Özellikleri” isimli çalışmasından ve ısı iletim katsayısının değişimi Schlichting ve arkadaşlarının (2001)
“Yoğun ve Gözenekli Yitriya Takviyeli Zirkonyanın Isı Đletim Katsayısı” adlı çalışmasından alınmıştır.
0 0.1 0.2
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
T (°C)
C (
Şekil 5.7. Isıl engelleme kaplamasının özgül ısı değerinin sıcaklığa göre değişimi (Taylor, et al., 1999).
0 200 400 600 800 1000 1200
T (°C)
kseramik (W/mK)
Şekil 5.8. Gözeneksiz ısıl engelleme kaplamasına ait ısı iletim katsayısının sıcaklığa göre değişimi (Schlichting, et al., 2001).
Kaplamanın üst ve alt yüzey sıcaklık arasındaki farkın 10°C olduğu kabul edilmiştir ve çözümler 100°C - 1000°C arasında yapılmıştır. Çözümlerde yakınsama
kriteri olarak kaplama alt ve üst yüzeylerine ait ısı akısı değerleri dikkate alınmıştır ve bu değerler arasındaki fark 1×10-5 mertebesine düştüğünde çözümler sona erdirilmiştir.
5.1.2. Sayısal çözüm sonuçları
Kaplama içinde gözeneklilik ve sıcaklık dağılımı arasındaki ilişkiyi daha iyi görebilmek için gözeneklilik oranları % 9.4 – % 24.8 ve % 51.6 olan mikroyapı görüntülerine ait modelleri Gambit programında sırasıyla 50, 100 ve 50 parçaya bölünmüştür.
Gözeneklilik oranı % 9.4 olan mikro yapı görüntüsüne ait 50 parçaya bölünmüş modelin şematik gösterimi Şekil 5.9’da verilmiştir.
Şekil 5.9. Gözeneklilik oranı % 9.4 olan 50 parçaya bölünmüş mikro yapı modeli.
Fluent 6.1.22 programında yapılan çözümler sonucunda elde edilen dikey ve yatay parçalara ait gözeneklilik dağılımı sırasıyla Şekil 5.10 ve Şekil 5.11’de verilmiştir.
0.000 0.030 0.060 0.090
0 2 4 6 8 10 12
Kolon No
Gözene
Şekil 5.10. Gözeneklilik oranı % 9.4’e ait dikey parçaların gözeneklilik dağılımı.
0 1 2 3 4 5 6
0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14
Gözeneklilik
Yatay Parça No
Şekil 5.11. Gözeneklilik oranı % 9.4’e ait yatay parçaların gözeneklilik dağılımı.
Gözenekliliğe bağlı olarak ısı geçişini inceleyebilmek için her parçanın gözeneklilik oranı Fluent 6.1.22 programından hesaplanmıştır. Gözeneklilik oranı tayin edilmiş her parça için (k / Q) oranını hesaplayabilmek için öncelikle ısıl engelleme kaplamasının efektif ısı iletim katsayısı kef,fluent değerinin Denklem 5.5’den hesaplanması gerekmektedir. ısı miktarı, ∆T kaplama alt ve üst yüzey sıcaklıkları farkı, d kaplama kalınlığı ve AT ısı geçişine dik kaplama yüzey alanıdır.
Her kolonda bulunan hücreler için alt ve üst sıcaklık değerleri Fluent 6.1.22 programından belirlenmiştir. Denklem (5.5)’den elde edilen kef,fluent ısı iletim katsayısı kullanılarak (k/Q) oranı,
0.37 1/m.K olarak hesaplanmıştır.
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50
0 1 2 3 4 5 6
Kolon 3'e ait hücreler
Gözeneklilik
-0.05 0.05 0.15 0.25 0.35 0.45
k/Q k/Q
P
Şekil 5.12. Gözeneklilik oranı % 9.4 olan kolon 3’e ait hücrelerde gözeneklilik ve k/Q dağılımı.
Gözeneklilik oranı % 9.4 olan mikro yapı görüntüsüne ait 1000°C’deki çözümler için Fluent 6.1.22 analizinden elde edilen sıcaklık dağılımı Şekil 5.13’te verilmiştir.
Gözenekler ısı geçişine karşı direnç oluşturmakta ve gözeneklerin fazla bulunduğu kısımlarda soğuk bölge daha kalındır. Ayrıca ısı geçiş yönüne dik gözeneklerin ısı geçişine paralel olan gözeneklere göre sıcaklık dağılımına etkisi daha büyüktür. Isıl engelleme kaplaması içinde meydana gelen sıcaklık dağılımının, gözeneklere bağlı olarak nasıl bir karakteristiğe sahip olduğunu analiz edebilmek için Fluent 6.1.22 çözümleri kullanılarak her hücrede meydana gelen sıcaklık gradyanı incelenmiştir.
Şekil 5.13. Gözeneklilik oranı % 9.4 olan mikro yapı görüntüsüne ait 1273 K’deki çözüm için Fluent 6.1.22 analizinden elde edilen sıcaklık dağılımı.
Her bir kolonda bulunan hücrelerde meydana gelen sıcaklık gradyannıı inceleyebilmek için, programında kolonların ortasından geçecek şekilde hatlar çizilmiş ve bu hatlar boyunca sıcaklık değişimleri kaydedilmiştir. Kolonlarda bulunan hücrelerin alt ve üst kenar koordinatları bilinmektedir ve Fluent 6.1.22 çözümünden
ifadesinden hesaplanmıştır. Burada Tüst ve Talt sırasıyla hücre üst ve alt kenar sıcaklığı, yüst ve yalt hücre üst ve alt kenar koordinatlarıdır ve (yüst - yalt ) farkı hücre kalınlığını vermektedir.
Gözeneklilik oranı % 9.4 olan mikro yapı görüntüsü için kolon 4’e ait hücrelerde gözeneklilik oranı – ∆T/ ∆y değişimi Şekil 5.14’te verilmiştir. Gözeneklilik oranı arttıkça sıcaklık gradyanı da artmaktadır. Gözeneklilik oranı % 8.5 olan hücredeki sıcaklık gradyanı 49 ºC/mm iken gözeneklilik oranı % 24 olan hücrede ise sıcaklık gradyanı 122 ºC/mm olmaktadır. Gözenek oranı büyük olan hücrede sıcaklık geçişine karşı bir direnç oluşmakta ve sıcaklık gradyanı büyümektedir.
0
Şekil 5.14. Gözeneklilik oranı %9.4 olan mikro yapı için kolon 4’e ait hücrelerde gözeneklilik ve ∆T/∆y değişimi.
Şekil 5.15’te gözeneklilik oranı % 9.4 olan mikro yapı görüntüsü için kolon 2’deki hücrelere ait gözeneklilik oranı ve ∆T/∆y değişimi görülmektedir. Kolon 2’de, 4. hücrede gözeneklilik oranı çok düşük olması nedeniyle (% 0.2) ısı iletim katsayısı havaya göre büyük olan (≈ 2 W/mK) seramik malzemeden daha az direnç meydana gelmekte ve ısı diğer hücrelere göre, bu hücreden daha kolay geçebilmektedir.
Ayrıca ısı akısı sabit kalmak suretiyle, ısı iletim direnci artarsa sıcaklık farkı da artmaktadır. Gözenekler içlerinde bulunan hava nedeniyle ısı iletim dirençleri büyüktür ve gözeneklilik oranı büyük hücrelerde sıcaklık gradyanı da büyük olmaktadır.
0
Şekil 5.15. Gözeneklilik oranı %9.4 olan mikro yapı için kolon 2’e ait hücrelerde gözeneklilik ve ∆T/∆y değişimi.
Kolon 4’te 0.0505 mm kalınlığa karşılık gelen hücre 2 ve hücre 3 arasında, kolon 8’de 0.0252 mm kalınlığa karşılık gelen hücre 1 ve hücre 2 arasında bulunan ısı geçiş yönüne dik gözeneklere bu hücreler arasında ısı geçişine engel olmakta ve sıcaklık farkını belirgin bir şekilde artırmaktadır.
0 0.0252 0.0504 0.0756 0.1008 0.126
994 996 998 1000 1002 1004 1006
Sıcaklık ºC
Kalınlık (mm)
Kolon 4 Kolon 8
Şekil 5.16. Gözeneklilik oranı % 9.4 olan mikro yapı için kolon 4 ve kolon 8’e ait kalınlık- sıcaklık değişimi.
Isı geçiş yönüne dik gözeneklerin sıcaklık profiline etkisini incelemek amacıyla hücre sınırlarında gözenek buluna kolon 4’e ait hücre 2 ve hücre 3, kolon 8’ e ait hüre 1 ve hücre 2 arasındaki sıcaklık değişimi ele alınmıştır. Kolon 4’e ait 2. ve 3. hücrelere ait kalınlığa göre sıcaklık dağılımı ve bu hücrelere ait görüntü Şekil 5.17’de verilmiştir.
Hücre sınırında bulunan gözenek içindeki hava bu iki hücre arasında yalıtım yapmakta ve sıcaklık farkını azalmaktadır. Gözeneğin bulunduğu bölgede gözeneğin alt ve üst yüzey sıcaklıkları arasında yaklaşık 3 ºC’lik bir düşüş meydana gelmektedir.
Şekil 5.17. Gözeneklilik oranı %9.4 olan mikro yapıya ait kolon 4’teki hücre 2 ve hücre 4 için kalınlığa göre sıcaklık dağılımı.
iletilmektedir. Ayrıca düşük oranda gözeneğe sahip hücre 1’de daha az sıcaklık farkı oluşmaktadır.
Şekil 5.18. Gözeneklilik oranı % 9.4 olan mikro yapıya ait kolon 8’deki hücre 1-2 için kalınlığa bağlı sıcaklık dağılımı.
Sıcaklık (º C)
Kalınlık (mm)
Gözeneklilik oranı % 24.8 olan mikro yapı görüntüsünün, SolidWorks programında oluşturulan ve Gambit programı kullanılarak 10 yatay, 10 dikey olmak üzere 100 parçaya bölünmüş geometri Şekil 5.19’da gösterilmiştir. Gözeneklilik oranı
% 9.4 için yapılan hesaplamalara benzer olarak bu yapı için de kolonlara ait gözeneklilik oranları hesaplanmış, her bir kolona ait hücrelerde (k/Q) oranı ve kalınlıkla sıcaklık değişimi incelenmiştir.
Şekil 5.19. Gözeneklilik oranı % 24.8 olan 100 eşit parçaya bölünmüş mikro yapı modeli.
Kolonlar için gözeneklilik oranlarının değişimi Şekil 5.20’ de ve yatay parçalar için gözeneklilik oranlarının değişimi Şekil 5.21’de verilmiştir. Kolon 7, % 34 ve yatay 1, % 31.8 gözeneklilik oranı ile en fazla gözenekliliğe sahip parçalardır.
0.00
Şekil 5.20. Gözeneklilik oranı % 24.8 olan mikro yapıya ait dikey parçalar için gözeneklilik dağılımı.
0.15 0.17 0.19 0.21 0.23 0.25 0.27 0.29 0.31 0.33
Gözeneklilik
Yatay Parça No
Şekil 5.21. Gözeneklilik oranı % 24.8 olan mikro yapıya ait yatay parçalar için gözeneklilik dağılımı.
Kolon 1, kolon 3, kolon 5, kolon 7 ve kolon 9 dikey parçaları boyunca her hücre için Fluent 6.1.22 programından sıcaklık farkı okunmuş ve (k/Q) oranı hesaplanmıştır.
Kolon 3’ e ait her hücre için gözeneklilik ve ısı iletim katsayısının değişimi Şekil 5.22’de verilmiştir. Gözeneklilik oranı ile (k/Q) oranı birbirleriyle ters orantılı olarak değişmektedir. Gözeneklilik oranı arttıkça (k/Q) oranı azalmaktadır.
0
Şekil 5.22. Gözeneklilik oranı % 24.8 olan mikro yapıya için kolon 3’e ait gözeneklilik ve (k/Q) dağılımı.
Gözeneklilik oranı % 24.8 olan mikroyapı görüntüsü için Fluent 6.1.22 analizinden elde edilen sıcaklık dağılım grafiği Şekil 5.23’te verilmiştir. Bu yapıda gözenek boyutları gözeneklilik oranı % 9.4 olan yapıya göre daha büyüktür. Gözeneğin az olduğu bölgede kaplama sıcaklığı fazla, gözeneğin çok olduğu bölgede ise kaplama sıcaklığı daha düşük olmaktadır.
Şekil 5.23. Gözeneklilik oranı % 24.8 olan mikro yapı görüntüsüne ait 1273 K’deki çözüm için Fluent 6.1.22 analizinden elde edilen sıcaklık dağılımı.
Şekil 5.24’te kolon 7’de kaplama boyunca gözeneklilik ve sıcaklık dağılımı incelenmiştir. Gözenekliliğin fazla olduğu hücrelerde ısı geçişine karşı direncin fazla olması sebebiyle sıcaklık dağılımında keskin düşüşler meydana gelmiştir.
Gözenekliliğin az olduğu kısımlarda ısı geçişi kolay gerçekleşmekte sıcaklık gradyanında yumuşak geçişler olmaktadır.
0.00
995 997 999 1001 1003 1005 1007
Sıcaklık (ºC)
Kolon 7 için sıcaklık Kolon 7 için ortalama gözeneklilik
Şekil 5.24. Gözeneklilik oranı % 24.8’e ait kolon 7 için sayısal çözümlemeden elde edilen sıcaklık dağılımı.
Şekil 5.25’te kolon 7’ye ait hücrelerde gözeneklilik - ∆T/∆y değişimi incelenmiştir. Genel yapı olarak gözeneklilik oranı büyük hücrede sıcaklık gradyanı da büyük olmaktadır. Hücre 1’de sıcaklık gradyanı en büyük olmasına rağmen gözeneklilik oranı hücre 9’da en büyüktür. Hücre 1 incelendiğinde, % 23.6 (Kolon 6, hücre 1) ve % 12.3 (Kolon 8, hücre 1) gözenekliliğe sahip hücreler ile temas halindeyken, hücre 9 ise % 15.2 (Kolon 6, hücre 9) ve % 13.8 (Kolon 8, hücre 9) gözeneklilik oranına sahip hücrelerle temas halindedir ve sıcaklık gradyanı bu hücrelerden etkilenmektedir.
0
Şekil 5.25. Gözeneklilik oranı % 24.8 olan mikro yapı için kolon 7’e ait hücrelerde gözeneklilik ve ∆T/∆y değişimi.
En yüksek gözeneklilik oranına (% 51.6) sahip mikroyapı görüntüsünün 5 yatay ve 10 dikey parçaya bölünmüş geometrisi Şekil 5.26’da verilmiştir. Gözeneklilik oranları % 9.4 ve % 24.8 olan mikroyapı görüntüleri ile karşılaştırıldığında, gözeneklerin büyüdüğü ve yassı yapıdan dairesel yapıya doğru değiştiği gözlenmektedir.
Şekil 5.26. Gözeneklilik oranı % 51.6 olan 50 eşit parçaya bölünmüş mikroyapı modeli.
Gözeneklilik oranı % 51.6 olan mikroyapı modeli için dikey ve yatay parçaların gözeneklilik değişimi Şekil 5.27 ve Şekil 5.28’de verilmiştir.
0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65
0 2 4 6 8 10 12
Kolon No
Gözeneklilik
Şekil 5.27. Gözeneklilik oranı % 51.6 olan mikro yapıya ait dikey parçaların gözeneklilik dağılımı.
0 1 2 3
0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7
Gözeneklilik
Yatay P
Şekil 5.28. Gözeneklilik oranı % 51.6 olan mikro yapıya ait yatay parçaların gözeneklilik dağılımı.
Şekil 5.27 ve Şekil 5.28’de kolon 1 dikey parçasında ve yatay 4 parçalarında gözeneklilik oranlarının en fazla olduğu görülmektedir.
Kolon 3 dikey parçasındaki her hücre için P - (k/Q) değişimi incelendiğinde Kolon 3 × Yatay 4 birim hücresi için gözeneklilik oranının en fazla ve buna bağlı olarak ta (k/Q) oranının en düşük olduğu görülmektedir (Şekil 5.29).
0.00
Şekil 5.29. Gözeneklilik oranı % 51.6 olan mikro yapı için kolon 3’e ait hücrelerde gözeneklilik ve (k/Q) dağılımı.
Şekil 5.30’da gözeneklilik oranı % 51.6 olan mikro yapı için gözeneklilik oranı en fazla olan kolon 1’de kaplama kalınlığı boyunca sıcaklık, gözeneklilik dağılımı ve kolon 1’in büyütülmüş görüntüsü ile birlikte verilmiştir. Sıcak bölgede bulunan
Şekil 5.30’da gözeneklilik oranı % 51.6 olan mikro yapı için gözeneklilik oranı en fazla olan kolon 1’de kaplama kalınlığı boyunca sıcaklık, gözeneklilik dağılımı ve kolon 1’in büyütülmüş görüntüsü ile birlikte verilmiştir. Sıcak bölgede bulunan