Döner salınımlı hareket yapan düz ve oluklu silindirlerin akış yapısının deneysel ve sayısal incelenmesi

Abstract

Bu tezin amacı, düz ve oluklu silindirlerin arkasında oluşan akış yapısının bir aktif kontrol yöntemi olan döner salınım hareketiyle deneysel ve sayısal olarak araştırmaktır. Deneyler, düz dairesel silindir için ReD=1000 ve ReD=5000 Reynolds sayılarında farklı salınım genliklerinde (θA) ve frekans oranlarında (FR) Parçacık Görüntülemeli Hız Ölçme (PIV) tekniği kullanılarak yapılmıştır. Farklı pürüzlülük katsayılarına (ɛ/D=0.02, 0.04 ve 0.06) ve oluk geometrilerine (dikdörtgen, dairesel ve üçgen) sahip sabit ve döner salınımlı dairesel silindirlerin ReD=5000'de PIV ve sayısal analizleri araştırılmıştır. Sayısal çalışma, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) analizi kullanılarak ReD=5000'de düz ve oluklu silindirlerin sabit ve döner salınımlı hareketlerini kapsamaktadır. Sayısal çalışmalar Reynolds Ortalamalı Navier-Stokes (RANS) denklemleri kullanılarak, iki boyutlu zamana bağlı k-ω Standart türbülans modeli kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sayısal çalışmayla düz ve oluklu silindirlerin sabit ve döner salınımlı hareketlerinde deneysel çalışmalarda yer almayan sürükleme katsayısı (CD) ve basınç katsayısı (Cp) gibi değerler elde edilmiştir. Döner salınımlı hareketin, silindir art izi bölgesi üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu, yakın art izi akış yapılarını ve girdap kopma modellerini değiştirdiği sonucuna varılmıştır. Silindir art izi bölgesi ve kayma tabakasının kararsızlığının kontrolü önemli oranda sağlanmıştır. Ek olarak, silindirin döner salınım hareketi, ortalama boyutsuz akış yapısını önemli ölçüde etkilemiştir. Tüm frekans oranları ve salınım genlikleri girdap oluşumu bölgesinde ortalama hız profillerini önemli ölçüde değiştirmiştir.The aim of this thesis is to investigate the flow structure occurring behind the smooth and corrugated cylinders by using rotational oscillation which is one of the active flow control methods experimentally and numerically. The experiments were conducted by using Particle Image Velocimetry (PIV) technique for the smooth circular cylinder at ReD=1000 and ReD=5000 of Reynolds numbers, different oscillation amplitudes (θA) and frequency ratios (FR). PIV and numerical analysis of the stationary and rotary oscillating circular cylinders having different roughness coefficients (ɛ/D=0.02, 0.04 and 0.06) and corrugated geometries (rectangle, circular and triangle) at ReD=5000 were investigated. The numerical study includes stationary and rotary oscillation motions of the smooth and corrugated cylinders at ReD=5000 by using Computational Fluid Dynamics (CFD). The numerical study was carried out by using Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations and 2D time-dependent k-ω Standard turbulence model. Drag coefficient (CD) and pressure coefficient (Cp), which is not involved in the experimental results of the stationary and rotary motion of the smooth and corrugated cylinders, are obtained from the numerical study. It is concluded that the rotary oscillating motion has important effects on the cylinder wake region and changes the near wake region structure and vortex shedding modelling. Significant control of the cylinder wake region and the shear layer instability has been achieved. In addition, the rotary oscillating motion of the cylinder significantly effected the average dimensionless flow structure. All frequency ratios and oscillation amplitudes significantly changed the average velocity profiles in the region of vortex formation.