Su Kanalında Akış Görüntüleme Deneyleri

Genel hatlarıyla su kanalında düz levha üzerinde laminer bir sınır tabaka oluşumu sağlandıktan sonra aktüatörün sınır tabakaya olan etkisini belirlemek için, akış görüntüleme deneyleriyle çeşitli parametre kombinasyonlarında Şekil 4.6’da izah edilen A ve B konfigürasyonları (montaj) için JaVA kaynaklı akış rejimleri sınır tabaka içerisinde incelenmiştir.

Düz levha pleksiglastan imal edildiği için akış görüntülemeye elverişlidir. Hızlı kamera ve IIIb sınıfı lazerden oluşan akış görüntüleme düzeneği, su kanalı etrafında akışın en uygun şekilde gözlemlenebileceği yerlere konulmuştur. Lazer kaynağı, su kanalının altına, lazer düzlemi aşağıdan yukarıya doğru JaVA gövdesinin ortasına gelecek şekilde konumlandırılmıştır. Hızlı kamera, kanalın yanına lazer demetiyle 90º yapacak şekilde konmuştur. JaVA’nın 1 ila 4 Hz gibi düşük frekanslarda çalıştırıldığı ve serbest akım hızının 0.1 m/s’yi fazla geçmediği göz önünde tutulmalıdır, aksi takdirde izlenen parçacıkların hemen dağılması yüzünden jet akışının görüntülenmesi zorlaşacaktır.

Şekil 4.7’de akış görüntüleme ekipmanları olan hızlı kamera, monitör, hızlı kameranın hızının ayarlandığı ve anlık görüntülerin kaydedildiği cihaz ve resimlerin aktarıldığı bilgisayar görülmektedir.

Şekil 4.7 :Su kanalı etrafına yerleştirilmiş akış görüntüleme düzeneği ekipmanları.

Su kanalı kontrol paneli

Step motor frekans ayarlama sistemi Akış görüntüleme

ekipmanları Kamera

112 4.2.1 (A)-konfigürasyonu için elde edilen akışlar

Su kanalı etrafına en uygun konumlara yerleştirileren akış görüntüleme deney düzeneği ile değişik yöneten parametre kombinasyonlarında (serbest akım hızı U∞ da dahil) sistem çalıştırılmıştır. Su kanalı daimi hıza ulaştıktan sonra, JaVA çalıştırılmış ve serbest akımına karşı koyabilmesi için büyük eksantrik disk genlikleri (a) tercih edilmiştir.

Levhanın alt yüzeyinde oluşan sınır tabaka, özellikle frekans ve disk genliği gibi aktüatör parametrelerinden etkilenmektedir, bu nedenle sınır tabakadaki ayrılmayı geciktirmek için gerekli olan momentum transportunu en etkin aktüatör parametrelerinde sağlamak için uygun frekanslarda ve uygun serbest akım hızlarında çalışmak akışı gözle görülür biçimde etkilemektedir.

Şekil 4.8 ve 4.9’da farklı çalışma frekanslarında, disk genliğinin (a) 1 mm, plaka genişliğinin (b) 25 mm olması halinde; plakanın gövdeye göre sırasıyla I ve II konumlarında oluşan JaVA-kaynaklı akış rejimlerinin U∞ = 10.6 cm/s serbest akım hızına maruz kalmaları incelenmiştir. Bu iki durumda da düz levha-JaVA montajı (A)-durumu olarak ele alınmıştır, bir başka deyişle geniş aralık serbest akımın JaVA ile ilk buluştuğu yerdedir ve dolayısıyla jet, aktüatör plakasının genişliği boyunca serbest akım yönünde seyretmektedir. Şekillerde verilen anlık görüntüler basma fazlarıdır.

İncelenen frekanslar 0.5, 1, 2 ve 3 Hz olup, frekansın arttırılmasının sınır tabakayı nasıl etkilediği açıkça ortaya konmuştur. Bu bağlamda farklı çalışma koşullarında aktüatörün momentum transportuna katkısını temsil eden r oranları incelenirse, sabit serbest akım hızında ve aynı tutulan diğer aktüasyon parametrelerinde yüksek r oranları, ele alınan akış durumlarında aktüatör etkinliğinin arttığına işaret etmektedir. Serbest akım hızının 10.6 cm/s olması halinde (4.4) denkleminden yola çıkılırsa ve aktüasyon parametreleri değerleri yerlerine konursa, r oranının yüksek çalışma frekanslarında 1 değerine yakın veya 1’den büyük olduğu görülür. Hesaplamada dikkat edilecek husus, 1 mm’lik disk genliğinin emme ve basma fazlarını içerdiği dolayısıyla bir periyot için plakanın düşey doğrultudaki hareketinin 2 mm olduğudur. Reynolds sayısı ve boyutsuzlandırılmış genlik hesaplarında olduğu gibi r oranınındaki genlik değerinde de bir faz gözönüne alınarak hesaplama yapılmıştır.

Bu bağlamda Şekil 4.8’de JaVA’nın çalışma frekansının, sınır tabaka üzerindeki etkisi anlık görüntüler ile görülmektedir. Aktüatör plakası konumunun gövde dışında olması da sınır tabaka içerisindeki JaVA kaynaklı akışın yapısını değiştirmektedir. Aktüatör plakasının (I) konumu olarak da adlandırılan bu konumunda, plakanın gövdenin dışına taşması, dar aralıktan da (wn) akış olmasına neden olabilmektedir; ancak geniş aralıktan (ww) pompalanan jet akışı daha kuvvetli ve belirgindir.

Şekil 4.8 :(I) plaka konumunda ve (A) tipi montaj durumunda anlık akış görüntüleri; (a) f = 0.5 Hz, (b) f = 1 Hz, (c) f = 2 Hz ve (d) f = 3 Hz.

Şekil 4.9’da aktüatör plakası konumunun gövde ile aynı olması incelenmiştir. Aktüatör plakasının (II) konumu olarak da adlandırılan bu konumunda, JaVA kaynaklı jet akışı geniş aralıktan (ww) pompalanmaktadır. Levha-JaVA montajı (A) durumuna göre ayarlanmış olmasına rağmen, aktüatör plakasının gövde ile aynı hizada olması (II-konumu); JaVA kaynaklı rejimin plaka üzerinden geçerek akış yönünde ilerlemesi esnasında bu montajdan fazla etkilenmemesini sağlamaktadır.

Şekil 4.9 :(II) plaka konumunda ve (A) tipi montaj durumunda anlık akış görüntüleri; (a) f = 0.5 Hz, (b) f = 1 Hz, (c) f = 2 Hz ve (d) f = 3 Hz.

(a) (b)

(c) (d)

(a) (b)

114

Şekil 4.9’daki akış görüntüleme deneylerinden anlaşılacağı üzere, frekansın artması aktüatör plakasının altında akış doğrultusunda gittikçe zayıflayan vortekslerin oluşmasına neden olmaktadır. Bu vorteksler, sınır tabakayı enerjilendirmekte ve akış kontrolünü sağlamaktadır.

Daha önce de belirtildiği gibi, oluşacak JaVA kaynaklı akış rejimi, JaVA’nın geometrik özelliklerine bağlıdır, örneğin büyük bir plaka genişliği (b) seçilmesi durumunda, geniş aralık (ww) azalacak ve jet akışının çıkış hızı buna bağlı olarak artacak dolayısıyla vorteks veya kaotik bir akış tipi ortaya çıkacaktır. Bu akış rejimi de sınır tabaka üzerinde daha etkili olabilecektir. JaVA-sınır tabaka etkileşimi (A) tipi levha-JaVA montajında ele alınmış ve aktüatörün sınır tabakaya etkisi, aktüatör yakınında plakanın (I) ve (II)-konumlarında incelenmiştir.

4.2.2 (B)-konfigürasyonu için elde edilen akışlar

Akış görüntüleme deneylerinde ayrıca geniş aralığın yerinin akışa ne derecede etki ettiğini anlamak açısından JaVA 180º çevrilerek levha üzerine monte edilmiş ve geniş aralıktan çıkan jet, aktüatör plakasına çarpmadan serbest akım yönünde ilerlemiştir. Şekil 4.6’da şeması izah edilen ve (B)-durumu olarak adlandırılan bu montajda geniş aralıktan çıkan jet rejimi, serbest akım yönünde herhangi bir engelle karşılaşmadan ilerlemektedir. (B)-tipi montajda da aktüatörün sınır tabaka üzerindeki etkisinin gözlemlenebileceği uygun serbest akım hızlarında, çeşitli aktüatör parametrelerinde ve plaka konumlarında deneyler tekrarlanmıştır.

Anlık görüntüleri Şekil 4.10’de verilmiş olan örnekte; JaVA, 1.0 mm genliğindeki disk ve 25 mm genişliğindeki aktüatör plakası ile değişik bağıl aktüatör plakası konumlarında (I, II ve III konumları) U∞= 11.7 cm/s’lik serbest akıma maruz kalacak şekilde f = 1, 2, 3 ve 4 Hz’lik frekanslarda çalıştırılmıştır. Bu örnekte serbest akım hızına bağlı olarak JaVA yakınında sınır tabaka kalınlığı yaklaşık 18 mm çıkmaktadır. JaVA’nın sınır tabakaya aktardığı momentum transportunu temsil eden r oranları da yine frekansa bağlı olarak değişmektedir.

Şekil 4.10’daki JaVA kaynaklı akış rejimlerinin geniş aralıktan çıkış anına (basma) göre seçilmiş olan anlık akış görüntülerine bakılacak olursa, aktüatör plakasının konumu sabit kalmak üzere, frekans arttırıldığında, jetin yatayla yaptığı açı artmakta dolayısıyla 18 mm kalınlığındaki sınır tabaka içerisine nüfuz etme kabiliyeti ve buna bağlı olarak sınır tabakayı enerjilendirme potansiyali artmaktadır. Jet hızının, serbest

akım hızına oranları incelendiğinde, bu oranın 0.5’in üstündeki değerlerinde bir başka deyişle 2 Hz, 3 Hz ve 4 Hz çalışma frekanslarında geniş aralıktan çıkan vorteks çiftlerinin sınır tabakadaki difüzyonu daha hızlı gerçekleşmekte ve JaVA’nın etkisinin sadece aktüatör yakınındaki bölgede değil, aynı zamanda sınır tabakanın akış doğrultusunda ilerleyen bölgelerinde de etkisini gösterdiği anlaşılmaktadır. Bu çalışmalarda kullanılan 25 mm genişliğindeki plaka, durgun suda daha önce yapılan akış görüntüleme deneylerinden elde edilen tecrübe ile 5 mm kalınlığında seçilmiş, dolayısıyla daha kuvvetli ve sınır tabakaya nüfuz eden bir jet akışı oluşturulmuştur.

Şekil 4.10 :Değişik plaka konumunda (I, II ve III) ve (B) tipi montaj durumunda anlık akış görüntüleri; Konum I için: (a) f = 1 Hz, (b) f = 2 Hz, (c) f = 3 Hz ve (d) f = 4 Hz; Konum II için: (e) f = 1 Hz, (f) f = 2 Hz, (g) f = 3 Hz ve (h) f = 4 Hz; Konum III için (i) f = 1 Hz, (j) f = 2 Hz, (k) f = 3 Hz ve (l) f = 4 Hz.

Şekil 4.11’de (B)-tipi montajda, II plaka konumunda 1.0 mm genliğindeki disk, 25 mm genişliğindeki aktüatör plakası ve 1 Hz’lik çalışma frekansı kullanılarak U∞= 8.38 cm/s’lik serbest akımda elde edilen akış görüntüleme deneyinde bir periyot içerisinde emme ve basma fazlarına tekabül eden anlık görüntüler verilmiştir. Durgun suda daha önce yapılan PIV ve CFD çalışmalarında ortaya konan ve Şekil 3.70’de karşılaştırmalı olarak verilen açılı jetin sınır tabaka içerisindeki davranışı su kanalındaki akış görüntüleme deneyi ile ortaya konmuştur. 30 fps kayıt hızıyla

(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) (j) (k) (l)

116

alınmış bir periyot içerisinden seçilen dört anlık görüntünün iki tanesi emme iki tanesi basma fazına aittir ve jetin sınır tabakadaki gelişimi rahatlıkla görülmektedir.

Şekil 4.11 :Bir periyot içerisinde jetin zamana bağlı gelişimi (f = 1 Hz).

Şekil 4.12’de ise Şekil 4.11’de anlık görüntüleri verilen akış rejiminin parametrelerinde ve U∞= 8.38 cm/s’lik serbest akımda elde edilen akış, değişik frekanslarda incelenmiş ve su kanalı içerisindeki gerek PIV gerekse CFD çalışmaları için bilgi veren nitelikte görüntüler alınmıştır.

Şekil 4.12’de artan frekansta jetin davranışı Şekil 4.10’daki örneğe benzemektedir, ancak serbest akım hızının daha düşük olması JaVA kaynaklı akış rejiminin düşük frekanslarda dahi yatayla yaptığı açının artmasına ve yaklaşık 21 mm kalınlığındaki sınır tabakaya daha iyi nüfuz etmesini sağlamaktadır.

Sonuç olarak su kanalındaki akış görüntüleme deneyleri, hareketsiz suda yapılan daha önceki çalışmalarla tanımlanan akış rejimlerinin sınır tabaka içerisindeki farklı çalışma koşullarındaki davranışının anlaşılmasını sağlamış aynı zamanda hem PIV hem de CFD çalışmalarına zemin oluşturmuştur.

Şekil 4.12 :II plaka konumunda ve (B) tipi montaj durumunda anlık akış görüntüleri; (a) f = 0.5 Hz, (b) f = 1 Hz, (c) f = 2 Hz, (d) f = 3 Hz, (e) f = 4 Hz.