MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAK 317 ÖLÇME TEKNİĞİ. Akış Ölçümü 7. Hafta

T.C.

ONDOKUZ MAYIS ÜNİVERSİTESİ

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ

MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

MAK 317 ÖLÇME TEKNİĞİ

Akış Ölçümü

7. Hafta

BÖLÜM 5 AKIŞ ÖLÇÜMÜ

5.1 Giriş

Akışın öcümü için bilinmesi gereken önemli fiziksel büyüklükler; kütlesel debi, hacimsel debi ve hız olarak tanımlanabilir.

Hız

Hız en basit olarak birim zamanda alınan yol olarak tanımlanabilir. Hız, cismin belirli bir sürede alacağı yolun göstergesidir. Anlık hız matematiksel olarak aşağıdaki gibi ifade edilir.

Hareketli bir nesnenin ortalama hızı ise:

̅

Burada; : Alınan yol [m], : Geçen süre [t] dir. ̅: Ortalama hız [m/s] dır.

Kanallarda ve borularda akış için akan akışkanın hızı aşağıdaki şekildeki gibi kanal kesiti boyunca değişmektedir.

Şekil 5.1: Kanal kesitindeki akışkan hızının dağılımı

Kanal içerisindeki akış kanın ortalama hızı, Hızın kanal kesit alanı boyunca integralinin kanalın kesit alanına bölünmesiyle hesaplanır.

∫ Hacimsel debi

Hacimsel debi kesit alanından birim zamanda geçen hacim miktarıdır.

Akışkanın ortalama hacimsel debisi ise belirli sürede akan hacmin gecen süreye bölünmesiyle bulunur.

̅

Burada; : Gecen akışkan hacmi [m³], : Geçen süre [t] dir. ̅: Ortalama hacimsel debi [m³/s] dir.

Eğer akışkanın kanal içerisindeki hız dağılımı fonksiyonu biliniyorsa akışkanın hacimsel debisi, aşağıdaki eşitlikteki gibi, hızın kesit alanı boyunca integrali alınarak hesaplanabilir.

∫

Akışkanın hacimsel debisi kesit alanına bölünerek akışkanın ortalama hızı bulunabilir.

[ ] [ ] [ ] Kütlesel debi

Kütlesel debi birim zamanda akan akışkan miktarıdır. Hacim ile yoğunluğun çarpılması kütleyi verdiğinden, hacimsel debinin yoğunlukla çarpılması kütlesel debiyi verecektir.

̇ ∫ [ ] [ ] [ ] Akışkanın ortalama debisi ise, belirli sürede akan hacmin gecen süreye bölünmesiyle bulunur.

̇ Örnek 5.1:

Kesit alanı 20 cm² olan kanaldan 2 dakikada 1200 L su geçtiğine göre suyun ortalama hızı kaç m/s’dir?

Çözüm:

Akışkanın hacimsel debisinin kesit alanına bölünmesiyle akışkanın ortalama hızının bulunabileceği bilinmektedir. Bundan dolayı ilk olarak akışkan debisinin bulunması gerekmektedir. Hesaplanması istenen hızın birimi m/s olduğundan akışkanın hacimsel debisinin m³/s olarak hesaplanması gerekmektedir.

̅

̅

Örnek 5.2:

Bir borudan dakikada 6000 kg akan 10 g/cm³ yoğunluğuna sahip akışkanın hacimsel debisi kaç L/s’dir?

Çözüm:

̅ ̇

Akışkanın statik ve dinamik davranışı

Akışkanın toplam enerjisi; kinetik enerjisi, potansiyel enerjisi, basınç enerjisi ve iç enerjisinin toplamına eşittir.

Matematiksel olarak aşağıdaki eşitlikteki gibi ifade edilebilir.

Şayet akışkanda sıcaklık değişimi veya herhangi bir kimyasal reaksiyon yoksa akışkanın iç enerjisinde değişimin olmamaktadır.

Kararlı ve sıkıştırılamaz akış için enerjinin korunumu denklemi aşağıdaki hali alır (Bernoulli Denklemi)

Akışkanın statik ve dinamik davranışını incelemek için aşağıdaki Şekil 5.2 ele alınmıştır. 1 noktasındaki akışkan zerreciği statik durumda olarak kabul edilir. Akışkanın basıncı, atmosfer basıncı, yüksekliği ise h tır. Akışkan zerreciği 1 noktasından 2 noktasına sanki statik gibi hareket eder (Tankın haznesi çok büyük olduğu için). Akışkan zerreciğinin 1 noktasında sahip olduğu potansiyel enerjisi 2 noktasında basınç enerjisine dönmektedir. Diğer bir deyişle 2 noktasında akışkan hızı gene sıfır basıncı ise atmosfer basıncına ilaveten sıvının h yüksekliğinden kaynaklanan basıncı da eklenmektedir. 3 noktasında akışkan atmosfere açık olduğundan basıncı atmosfer basıncına eşit olmaktadır, yüksekliği ise sıfırdır. 2 noktasındaki akışkanın basınç enerjisini h yüksekliğinden kaynaklananı 3 noktasında kinetik enerjisine dönüşmektedir. Genel olarak, kayıplar ihmal edilirse, 1 noktasındaki akışkanın h yüksekliğinden kaynaklanan potansiyel enerjisi 3 noktasında kinetik enerjisine dönüşmektedir.

Şekil 5.2: Tanktan akan sıvı

√

Örnek 5.3:

Bir tanktan esnek basınçlı kaba Şekil 5.3’teki gibi sıvı doldurulmaktadır. Diyafram içerisindeki akışkan yüksekliğinden kaynaklanan basınç değişimi ihmal edilirse; (Etkin diyafram basıncı 110 kPa ve akışkanın yoğunluğu 1000 kg/m³ tür.) a) 2 noktasındaki basınç kaç Pa dır?

b) 3 noktasındaki akışkanın ortalama hızı ne kadardır?

c) 3 noktasındaki borunun kesit alanı 0.01 m² olduğuna göre akışkanın hacimsel debisi kaç m³/s dir.

d) Diyaframın dolması ne zaman durur?

Şekil 5.3: Diyaframlı basınçlı kap dolumu Çözüm:

a) Atmosfer basıncı 100 kPa kabul edilirse, 1 noktasında atmosfer basıncı bulunmaktadır. 2 noktasında ise atmosfer basıncına ilaveten sıvı yüksekliğinden kaynaklana basınç bulunmaktadır.

b) 3 noktasındaki akışkan hızının hesaplanması için Bernoulli Denklemi kullanılı. 1 ile 3 noktaları arasında veya h

1

2 3

h=16m 1

2 3 Pdiyafram

Diyafram

c) Ortalama hız ile kesit alan büyüklüğünün çarpımı hacimsel debiyi verir.

̅

d) Diyafram basıncı değeri 2 noktadaki basınç değerine ulaşınca diyaframın dolması durur. Akışkanın yüksekliğinin değişmediği kabul edilirse; diyafram basıncı 260 kPa değerine ulaşınca akış durur.

5.2 Açık Kanallarda Debi Ölçümü

Açık kanallarda debi ölçümü kanala yerleştirilen kesir alanı kanalın kesit alanından küçük daraltma elemanlarıyla (savak) yapılır. Bu elemanlar kanal geometrisine göre farklı geometrik yapıda olabilirler. Çalışma mantığı akıştaki kesit daralmasından dolayı akışkan hızının artması prensibine dayanır (Şekil 5.5). Süreklilik ve Bernoulli denklemlerinden yararlanılarak V1 ve V2 (VC) hızları hesaplanabilir. Ayrıca engelden kaynaklanan basınç kayıpları CD basınç kayıp katsayısı savağın ve kanalın geometrilerine göre hızın hesaplanmasında dikkate alınabilir.

Şekil 5.4: Açık kanallarda akış [4]

Şekil 5.5: Savak ile debi ölçümü [4]

Bu iki eşitlikte V1 ve V2 dışındaki tüm büyüklükler bilinmektedir. İki eşitlik matematiksel olarak çözülürse iki hızın da büyüklüğü hesaplanabilir.

5.3 Pozitif Yer Değiştirme Metotları

Pozitif yer değiştirme metodunda ölçme cihazı içerisindeki kanat ve çark gibi devre elamanının akışın etkisiyle dönmesinden yararlanılır. Devir sayısı ölçülerek debi kümülatif olarak ölçülür.

Şekil 5.3: Pozitif yer değişimi ile basınç ölçümü Savaklar

Bent Kapakları Enerji çizgisi

Basınç kaybı

Bent kapağı

Jet çekiği

Deşarj

Savak

Savak

Giriş Çıkış

Giriş

Çıkış Gövde

Çarklar

Eksantrik silindir

Yaylı kanat

Döner Kanatlı Debi Metre Çarklı Debi Metre

Şekil 5.4: Çarklı debimetre

5.4 Kapalı Kanallarda Kesit Daralması ile Debi Ölçümü

Kanaldaki kesit daralması sonucunda akışkanın hızı ve basıncı kesit daralmasına orantılı olarak değişmektedir. Süreklilik ve Bernoulli denklemlerinden yararlanılarak akışkanın hızı hesaplanmaktadır. (Kapalı kanallarda basınç ölçümü ile ilgi li video bağlantısı bkz. Ek-1 ve Ek-2)

Şekil 5.5: Kapalı kanallarda kesit daralması ile debi ölçümü Basınç kaybının olmadığı durumlarda bernoulli denklemi aşağıdaki gibi yazılabilir.

Sıkıştırılamaz akışkan için kütlenin korunum denklemi aşağıdaki gibi ifade edilebilir.

Eşitlik ten;

√ Eşitlikte;

Gerçek durumda kesit daralmasından dolayı basınç kaybı olacağından akışkanın hızı hesaplanandan küçük olacaktır.

Gerçek akışkan hızını hesaplamak için CD düzeltme katsayısı kullanılmaktadır. CD katsayısı, değerine, Reynods sayısına ve debi ölçerin geometresine göre farklılık göstermektedir. Basınç kaybının etkisi de dikkate alındığında akışkanın hızını veren eşitlik aşağıdaki hali alır.

√

Akış Akış

Örnek 5.4: Geniş kesitinin çapı 6 cm, dar kesitinin çapı 3 cm olan orifis metrede basınç farkı 0.2 bar olarak ölçülmüştür.

Orifismetrenin düzeltme katsayısı CD=0.6 olduğuna göre, 1000 kg/m³ yoğunluğa sahip akışkanın debisi kaç m³/h tır?

Çözüm:

√

̇ ̇

Örnek 5.5: Düzeltme katsayısı bilinmeyen bir lülenin düzeltme katsayısı nasıl bulunur?

Çözüm:

Akışkanın debisi hem lüleyle hem de tankla doğrudan ölçülür. Akışkan bir tanka doldurularak geçen süre ve dolan akışkan hacmi ölçülüp, akışkanın debisi belirlenir. Lülenin kesit alanı bilindiğinden akışkanın ortalama hızı hesaplanır. Lülenin düzeltme katsayısı dışındaki diğer parametreleri bilindiğinden hızı veren denkleme hesaplanan hız değeri konularak denklem çözülerek düzeltme katsayısı bulunur.

√

Örnek 5.6: Düzeltme katsayısı bilinmeyen bir lülenin geniş kesitinin çapı 12 cm, dar kesitinin çapı 8 cm dir. Lüleden 10 m³/h hacimsen debide akışkan geçerken basınç farkı 1 kPa olarak ölçülmüştür. Bu durumda Lülenin düzeltme katsayısı CD kaçtır? ( )

Çözüm:

√

5.4.1 Venturi metre

Ölçüm sistemleri içerisinde kayıp miktarı açısından en güvenilir sistemlerden biri olan venturi borusu uzun yıllardan beri bir boru içerisinden akan akışkanın debisini ölçmek için kullanılmaktadır.

Şekil 5.6: Venturimetre ile debi ölçümü Akış

5.4.2 Orifis metre

Venturi, orifis ve rotametre borularda debi ölçümünde uzun yıllardan beri sıkça kullanılmaktadır. Venturi ve orifiste kesit daralması dolayısıyla hız ve basınçtaki değişim esas alınmakta, rotametrede ise akışkanın kaldırma kuvvetinden yararlanarak debi ölçümü yapılmaktadır. Orifismetre, Şekil 3’de görüldüğü gibi, ani daralan ve genişleyen akış bölgesine sahip olup, boru ve kanallarda akış hızını ölçerek akışın hacimsel debisini belirleyen bir ölçüm cihazıdır. Venturi ile karşılaştırılırsa orifislerin geometrisi daha basit olup imalatları daha kolaydır, daha ucuzdurlar, daha az yer kaplarlar. Buna karşılık venturilere göre daha fazla kalıcı basınç kaybına neden olurlar.

Şekil 5.7: Orifis metre ile debi ölçümü

1.1.1 5.4.3 Lüle

Lüle ventürimetrenin kısaltılmış halidir. Maliyetleri ventürimetreye göre daha düşüktür, kullanımları daha kolaydır. Basınç kaybı orifismetreden daha az ventürimetreye yakındır.

Şekil 5.8: Nuzul ile debi ölçümü Akış

Akış

5.5 Sürüklenme Etkisi ile Debi Ölçümü

5.5.1 Rotametre

Son derece düşük basınçlarda kullanılabilirler. Cam ve metal tüplü olarak üretilirler. Rotametreler Şekil 5.9’daki gibi düşey saydam konik bir boru ile içinde akıştan dolayı yukarı aşağı hareket edebilen hareketli elemandan oluşmaktadır. Akış yok iken hareketli eleman konik tüpün altındadır. Akış konik tüpün dar kısmından geniş kısmına doğru olmaktadır. Tüpün girişinden çıkışına doğru akışkanın hızı koniklikten dolayı azalmaktadır. Dolayısıyla hareketli cismi yukarı doğru kaldıran momentum da azalmaktadır. Hareketli elemanının kütlesi sabit olduğundan dengelemek için gerekli olan momentum sabittir. Koniklikten dolayı yüksek debilerde hareketli elemanı dengede tutmak için gerekli olan sabit momentum rotametrenin kesit alanının daha büyük olduğu üst kısımlarında oluşmaktadır. Hareketli eleman dengeleme momentumunun olduğu yükseklikte dengede kalmaktadır. Hareketli elemanın dengede kaldığı yükseklik yardımıyla akışkan debisi ölçülür.

Şekil 5.9: Rotametre ile debi ölçümü 5.5.2 Türbin

Akış alanı içerisine yerleştirilen türbin kanatları akışkanın hızıyla orantılı olarak dönmektedir. Türbinin devir hızının ölçülmesinden yararlanılarak akışkan hızı ölçülür.

Şekil 5.10: Türbin ile debi ölçümü

Akış Saydam konik boru

Şakul

Şekil 5.11: Kanatlı anemometre 5.5.3 Mafsallı kanat

Akış alanı içerisine mafsallanmış kanat (disk) yardımıyla debi ölçümü yapılmaktadır. Akışkanın momentumuyla orantılı olarak kanat(disk) hareket etmektedir. Katant(disk) teki sapma açısı yardımıyla debi ölçümü gerçekleşmektedir.

Şekil 5.12: Mafsallı kanat ile debi ölçümü

5.6 Basınç Hız İlişkisi ile Debi Ölçümü

5.6.1 Merkezkaç etki ile debi ölçümü

Eğrisel bir kanal içinde akan akışkanlarda, merkezkaç kuvvetin etkisi ile kanalın iç kısmı ile dış kısmı arasında farklı hız nedeniyle bir basınç farkı oluşur. Ölçülen basınç farkı yardımıyla kanal içindeki debi tespit edilir. Lüle, diyafram ve venturimetre gibi cihazların montajının zor olduğu ve sıvı akışkanlarda tercih edilir.

Okuma mekanizması

Giriş

Çıkış Hareketli

disk

Şekil 5.13: Merkezkaç etki ile debi ölçümü 5.6.2 Pitot tüpü

Pitot tüpü ile basınç ölçümünde akışkanın statik ve durma basıncı arasındaki farkın ölçülmesiyle yapılmaktadır. Akış sırasında akışkan bir basınç ve hız değerine sahip olmaktadır. Akışkanın sahip olduğu bu basınca statik basınç denmektedir.

Şayet akışkanın partikülü Şekil 5.14’teki dibi durdurulursa akışkanın basıncı kadar artacaktır. Durmuş akışkanın sahip olduğu basınca durma basıncı denmektedir. Akışkanın durma basıncı ile statik basçı arasındaki fark dinamik basıncı vermektedir. Dinamik basınç yardımıyla akışkan hızı hesaplanabilir. (Uçaklarda pitot tüpü ile hız ölçümü ile ilgili video bağlantısı bkz. Ek-3)

√

Basınç kayıpları da dikkate alınırsa akışkan hızı CD düzeltme katsayısı kullanılarak hesaplanır.

√

Şekil 5.14: Pitot tüpünün çalışma yapısı [4]

Statik basınç

Durma basıncı

Pitot tüpü Dinamik

Basınç

Durma noktası

Şekil 5.15: Pitot tüpünün şematik gösterimi [4]

Örnek 5.7: Pitot tüpüyle, yoğunluğu 100 kg /m³ olan bir akışkanın statik basıncı 10 kPa durma basıncı ise 20 kPa olarak ölçülmüştür. Yapılan ölçüme göre akışkanın hızı kaç m/dak dır?

Çözüm:

5.7 Sıcak Tel ve Sıcak Levha Anemometresi

Şekil 5.16: Isı transferinden yararlanılarak debi ölçümü

Sıcak tel anemometresi (CTA) akışkanlar mekaniğinde uzun yıllardır kullanılan bir hız ölçüm yöntemidir. Yeni ölçüm cihazlarının gelişmesine rağmen kullanım alanı hala geniştir. Hızdaki tüm değişimler analog olarak sıcak tel anemometresinden rahatlıkla okunabilmektedir. Sıcak-tel anemometresinin ölçüm ucu, elektrikle ısıtılan bir telden ibarettir.

Akışkan akımı telin soğumasına, dolayısı ile direncinin azalmasına neden olur. Telin sıcaklığını sabit tutabilmek için gerekli akım ölçülerek hava hızı tayin edilebilir. CTA bir noktadaki hızın zamana göre değişimini verir. Böylece şiddet ve

Durma noktası

Statik basınç

Pitot statik basınç propu

Pitot statik basınç propu

Durma basıncı ölçer Statik basınçölçer

Isıtıcı tel

Akış

Hassas boru

Giriş sıcaklık

sensörü Çıkış sıcaklık

sensörü

ΔT=T1-T2

zamana bağlı istatistikleri yapılabilir. Buna örnek olarak ortalama hız, türbülans şiddeti, yüksek dereceli momentler, otokoralasyon ve güç spektrumu verilebilir.

Isıl anemometrelerin sensörleri oldukça küçüktür ve dolayısıyla akışa kayda değer bir rahatsızlık vermeksizin akışın herhangi bir noktasındaki anlık hızı ölçmek için kullanılabilir.

Saniyede birkaç santimetreden, yüzlerce metrelere kadar geniş bir aralıkta sıvı ve gaz hızlarını ölçebilmektedir.

Burada E gerilim olup a, b ve n sabitlerinin değerleri her bir proba özel olarak belirlenir. Gerilim ölçüldükten sonra bu bağıntı doğrudan akış hızı V’yi verir.

Şekil 5.17: Sıcak tel anemometresi ile debi ölçümü

5.8 Manyetik Debi Ölçer

Manyetik alanda akan elektriksel bir akışkan göz önüne alınsın. Faraday kanununa manyetik alanda hareketli bir iletken üzerinde elektriksel gerilim oluşur. Oluşan gerilim akışkan hızı ile orantılıdır.

Tam akışlı elektromanyetik debi ölçer harici bir cihazdır. Bu cihaz boruyu çevreleyen manyetik sarım ile iki adet elektrottan oluşur. Elektrotlar çap doğrultusunda delinen boru çeperleri içerisinden uçları cidarların iç yüzeyleri ile aynı hizada olacak şekilde geçirilmiş olup akışkanla temas halindedir. Bununla birlikte akışa herhangi bir müdahaleleri söz konusu değildir ve bu yüzden de herhangi bir yük kaybına sebep olmazlar. (Elektromanyetik yöntemle hızı ölçümü ile ilgili video bağlantısı bkz. Ek-4)

Sıcak tel

İzole porp

Potansiyo metre

Şekil 5.18: Manyetik yöntem ile debi ölçümü

5.9 Ultrasonik Debi Ölçer

Ultrasonik (veya akustik) debi ölçerler, bir dönüştürücü ile ses dalgaları oluşturarak ve akış içerisinde bu dalgaların yayılmasını ölçerek çalışır. Ultrasonik debi ölçerlerin iki temel türü vardır: Geçiş zamanlı ve Doppler etkili (veya frekans kaymalı) debi ölçerler. Ultrasonik debi ölçerler sadece borunun dış yüzeyine dönüştürücünün bastırılması ile akışkana temas etmeksizin akış hızını ölçmeye imkan tanır. (Ultrasonik yöntemle hızı ölçümü ile ilgili video bağlantısı bkz. Ek-5)

Eşitlikte, L dönüştürücüler arasındaki mesafe K ise bir sabittir.

İki dönüştürücüsü bulunan geçiş zamanlı ultrasonik bir debi ölçerin çalışma sistemi.

Şekil 5.19: İki dönüştürücüsü bulunan geçiş zamanlı ultrasonik bir debi ölçerin çalışma sistemi

Şekil 2.3’te görüldüğü gibi borunun bir kenarından ses dalgaları boru içerisine açılı bir şekilde gönderilmekte, yansıtıcıdan bu dalgalar yansıtılarak gönderilme açısına uygun bir toplama açısı ile alıcıda toplanmaktadır. Boru içerisinden sıvı akışının akmasıyla, vericiden gönderilen ses dalgaları ile alıcının algılaması arasında geçen süre değişmektedir. Bu değişim direkt sıvı akışı ile ilgilidir. Verici ile alıcı arasındaki değişim süresi akış hızıyla lineer bir değişim göstermektedir. Bu değişim göstergede akış hızı olarak kalibre edilir. Pahalı olmasına karşılık hassas ve kullanışlı bir cihaz olması, birçok sıvı ile iletken veya iletken olmayan, kullanılabilir olması, akışı çift yönlü ölçebilmesi, herhangi bir basınç düşümüne sebep olmaması bir avantajdır. Ultrasonik akış ölçümü gazlarda kullanılamamaktadır.

Ultrasonik akış ölçerler elektriki bir sinyal taşımadığından parlama ve patlama etkisi oluşturmazlar. Bu özelliklerinden dolayı gerek petrokimya ürünlerinin akışının ölçülmesi gerekse yanıcı ve parlayıcı gazların ölçülmesinde çokça kullanılırlar. Günümüzde üretilen sensörler bu işi oldukça yüksek çözünürlükte yapma imkânı sağlamaktadır. Nehirlerin akış hızlarının ölçülmesinde yapılan özel savaklar yardımı ile ultrasonik akış ölçerler kullanılmaktadır.

Ultrasonik dopler

Doppler etkili ultrasonik debi ölçerler ses yörüngesi üzerindeki ortalama akış hızını ölçer. Bir borunun dış yüzeyine boşluksuz temas ettirilmiş dönüştürücü ile tertibatlandırılmış Doppler etkili ultrasonik debi ölçerin çalışması

Şekil 5.20: Ultrasonik dopler ile debi ölçümü

5.10 Lazer Dopler

Lazerli hız ölçümü (LV) veya lazer Doppler anemometresi (LDA) adı da verilen lazer Doppler hız ölçümü (LDV), istenen noktada akışı rahatsız etmeden akış hızını ölçmek için kullanılan optik bir yöntemdir. Isıl anemometrelerden farklı olarak LDV’nin akışa yerleştirilen probları veya telleri olmadığından harici bir yöntemdir. Isıl anemometrelere benzer olarak çok küçük bir hacimde hızı hassas bir şekilde ölçebilir ve dolayısıyla türbülans çalkantıları da dahil, yerel olarak akışın ayrıntılarını araştırmak için de kullanılabilir ve akışa müdahale etmeden tüm akış alanı boyunca hareket ettirilebilir.

Şekil 5.21: Lazer dopler ile debi ölçümü [3]

5.11 Parçacık Görüntülü Hız Ölçer (PIV)

Parçacık Görüntülemeli Hız Ölçümü (PIV) yöntemi çok kısa bir zaman aralığında, akış düzlemindeki parçacıkların yer değiştirmesini fotoğrafik olarak belirlemek suretiyle aynı düzlemdeki anlık hız dağılımını bulmak için kullanılan çift–atımlı (palsli) bir lazer tekniğidir. Bir noktadaki hızı ölçen sıcak-tel anemometresi ve LDV yöntemlerinden farklı olarak PIV aynı anda tüm en-kesit boyunca hız değerlerini verir ve dolayısıyla bir tüm-alan yöntemidir. PIV, akış görüntüleme kabiliyeti ile LDV’nin doğruluğunu tek bir cihazda toplayarak akış alanının anlık haritasını çıkarmaya imkan tanır. Bir en-kesitteki anlık hız profilinin tamamı tek bir PIV ölçümü ile elde edilebilir. PIV sistemi, akış içerisinde istenen herhangi bir akış düzlemindeki hız dağılımının anlık resmini alabilen bir kamera olarak düşünülebilir. Sıradan akış görüntüleme, akış ayrıntılarının niteliksel resmini verir. Bununla birlikte PIV, hız alanı gibi değişik akış niceliklerinin yüksek doğruluklu nicel ( kantitatif) değerlerini de verir. Elde edilen bu veriler kullanılarak akış sayısal olarak analiz edilebilir.

PIV ile vortisite ve şekil değiştirme hızı gibi diğer akış özellikleri de elde edilebilir ve türbülansın ayrıntıları üzerine çalışılabilir.

Şekil 5.22: Parçacık görüntüleme ile debi ölçümü Lazer

Işın ayırıcı

Ayna

Bragg hücresi

Gönderici mercek

Ölçülen hacim Alıcı mercek

Fotodedektör

5.12 Vorteks Tipi Debi Ölçer

Bu durum, akışa bir engel daldırarak vorteks oluşturmak ve oluşan vortekslerin yayılım frekansını ölçmek suretiyle debinin ölçülebileceği fikrini akla getirir. Bu ilkeye göre çalışan akış hızı ölçme cihazlarına vorteks tipi debi ölçerler denir.

Vorteks tipi debiölçerin üstünlüğü hareketli parçalarının olmamasıdır ve dolayısıyla yapısı gereği güvenilirdir. Ayrıca çok yönlü olup yüksek doğruluğa sahiptir (çok geniş bir debi aralığında çoğunlukla %1). Bununla birlikte akışı engellediğinden önemli miktarda yük kaybına neden olur.

Şekil 5.23: Vorteks tipi debi ölçer ile debi ölçümü

5.13 Akış Görüntüleme Yöntemleri

Akışı görünür hale getirmek için temelde iki prensip vardır. Birinci prensipte akış içine farklı fazda bir madde ilave etmektir. Bu prensipte hava ve gaz akışında duman veya sis ilave etmek, su ve sıvı akışında ise gaz kabarcıkları, küçük alüminyum gibi parçacıklar boya ilave etmektir.

İkinci prensip ise akış esnasında, akışkanın optik özelliklerinin değişimine dayanır. Örnek olarak akışkanın yoğunluk, basınç veya sıcaklığındaki değişim kırılma indisinin değişimine neden olur. İnterferometre, schliren veya gölge yöntemleri ile bu değişimler kolayca görünür hale getirilebilir.

Şekil 5.24: Akışı görüntüleme örnekleri

5.14 Viskozite Ölçüm Yöntemleri

Bir akışkanın (sıvı veya gaz) viskozitesi, akışkan üzerine uygulanan kaydırma kuvvetinin karşılaştığı sürtünme direncinin bir ölçüsüdür. Newton'un viskoz akış (diğer adıyla laminer veya tabakalı akış) kanununa göre, sıvı içerisinde iki komşu tabakanın birbirine göre hareketine direnç gösteren F sürtünme kuvveti, alan ve hız gradienti ile orantılıdır.

Boya enjeksiyonu

Boya izi

Şekil 5.25: Hız viskozite ilişkisi [4]

Kinematik viskozite ve dinamik viskozite iki çeşit viskozite vardır. Kinematik viskozite dinamik viskozitenin yoğunluğa oranı olarak aşağıdaki eşitlikteki gibi tanımlanabilir.

5.14.1 Dönen silindir yöntemi

Viskozite ölçümünde kullanılan diğer bir alet, döner silindir viskozimetresidir. Bu aletle, dış silindirde sıvının dönmesi sağlanır; bu içteki silindire bağlı olan tele bir tork (burkulma kuvveti) uygulanmasına yol açar. Alet, viskozitesi bilinen sıvılarla kalibre edilir ve böylece tork'tan viskozite hesaplanır. (Döner silindir yöntemiyle viskozite ölçümü ile ilgili video bağlantısı bkz. Ek-6)

Şekil 5.26: Dönen silindir ile viskozite ölçümü

5.14.2 MacMichael viskometresi

Çalışma prensibi dönen silindir yöntemine benzer. İçerisinde akışkan bulundurulan silindirik kap ve kabın içerisinde bir tel ile asılı bulunan diskten oluşur. Sabit açısal hızda dönen kap, akışkan direncinden dolayı, içerde asılı bulunan diski döndürmeye çalışır. Diskte oluşan dönme açısı ölçülür. Ölçülen dönme açısıyla akışkanın viskozite belirlenir.

𝑢 𝑉

𝑢 𝜏 𝜇𝜕𝑢

𝜕𝑦 𝐹 𝜏𝐴 𝜇𝜕𝑢

𝜕𝑦𝐴

Şekil 5.27: MacMichael viskometresi ile viskozite ölçümü 5.14.3 Akış kapları

Silindirik kapların altına çılan deliklerden akışkanın boşalma zamanına göre viskoziteyi belirleme yöntemidir. (Akış kapı yöntemiyle viskozite ölçümü ile ilgili video bağlantısı bkz. Ek-7)

Şekil 5.28: Akış kapları ile viskozite ölçümü 5.14.4 Düşen top viskometresi

Silindirik ya da küre şeklindeki standart bir cismin bilirli bir yükseklikten akışkan içine serbest düşüşünü sağlayarak viskozite ölçümü yapılır. Bu sırada geçen zaman ölçülerek viskozite belirlenir. (Düşen top yöntemiyle viskozite ölçümü ile ilgili video bağlantısı bkz. Ek-8)

Şekil 5.29: Düşen top ile viskozite ölçümü

1.1.2 5.14.5 Kılcal borulu viskometre

Viskozite ölçümleri genellikle akışkanın, dairesel kesitli bir boru içerisinden akıtılmış akma hızının ölçülmesi ile yapılır.

Bu hız verisi elde edildikten sonra, borunun boyutları ve etkiyen basınçtan, Poiseuille tarafından geliştirilen teoriye dayanarak viskozite hesaplanır

Ekler

Ek-1 https://www.youtube.com/watch?v=ywcce2HoTCc (Kapalı kanallarda basınç kaybı yöntemiyle debi ölçümü) Ek-2 https://www.youtube.com/watch?v=2zB0bJSPCgE (Ventürimetre ile debi ölçümü)

Ek-3 https://www.youtube.com/watch?v=7MiCy4nAwnc (Pitot tüpü ile uçak hızı ölçümü) Ek-4 https://www.youtube.com/watch?v=Dq2aLc3kQMc (Elektromanyetik hızı ölçümü) Ek-5 https://www.youtube.com/watch?v=S06IAinu39Y (Ultrasonik yöntemle hızı ölçümü)

Ek-6 https://www.youtube.com/watch?v=Y_RfqcB-aW4 (Döner silindir yöntemiyle viskozite ölçümü) Ek-7 https://www.youtube.com/watch?v=t5KQFpNGrQA (Akış kabı yöntemiyle viskozite ölçümü) Ek-8 https://www.youtube.com/watch?v=1VAdYz5xCoc (Düşen top yöntemiyle viskozite ölçümü)