Girdaplı akışların geometrik ve çalışma parametreleri altında incelenmesi

Abstract

Akışkanlar mekaniğinin en önemli ve en kompleks alanlarından birisi girdaplı akışlardır. Çift vorteks yapısına sahip olan siklon ayrıştırıcıları girdaplı akışların çok önemli ve çok ilginç uygulama alanıdır. Bu nedenle, çalışmada girdaplı akışların geometrik ve çalışma parametreleri altında deneysel ve numerik olarak inceleyebilmek amacıyla siklonlar kullanılmıştır.Siklonlarda nümerik çalışma bir ve iki fazlı, türbülanslı, üç boyutlu, sürekli sıkıştırılamaz akışları kapsamaktadır. Deneyler başlıca önemli geometrik boyutları değiştirilebilen çok amaçlı modüler siklonda yapılmıştır. Hız bileşenlerini ve basıncı ölçmek için pitot tüpü ve eğik manometre kullanılmıştır.Türbülans modelleri, şemalar, duvar fonksiyonları ve mesh sayısının performansı değerlendirmek için. CFD Fluent yazılımı kullanılarak elde edilen sonuçlar literatürdeki deneysel datalar ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar RSM türbülans modeli, Nonequilibrium duvar fonksiyonu, Basınç çözümünde PRESTO şemasının basınç-hız ilişkisi için SİMPLEC şeması, momentum denklemi için QUİCK şeması, türbülans kinetik enerjisi ve yayılım oranı için ise Second Order Upwind şemasının ve Reynolds gerilmelerinin çözümünde ise First Order Upwind şeması değişkenlerinin kullanılması memnun edici sonuçlar verdiğini göstermektedir.Nümerik yöntem test edildikten sonra literatürde önemi vurgulanan ancak kapsamlı bir çalışma yapılmayan dipleg ve siklon boyu uzunluğunun etkileri çalışılmıştır. Siklondaki basınç düşümü, hız dağılımları ve partikül toplama verimi girdap yapısıyla ilişkilendirilmiş ve bu girdap yapısı üzerinde etkili olan optimum siklon uzunluğu yaklaşık olarak siklon çapının dört katı kadar bulunmuştur. Ayrıca, Siklon parametreleri üzerinde etkisi olan yüzey pürüzlülüğünün etkileri incelenmiştir. Küçük siklonlar için optimum yüzey pürüzlülük kalınlığı yaklaşık olarak 0.1 mm olarak görülmektedir.Deneysel çalışmalarda ise; iki farklı deney düzeneğinde siklon geometrik ölçüleri ve çalışma parametreleri değiştirilerek sonuçlar elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar giriş hızının artmasıyla basınç düşümünün arttığını göstermektedir. Farklı çıkış borusu çapları ve farklı dalma uzunluklarında tek fazlı için çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Teğetsel, eksenel hız profilleri, basınç düşümü ve statik basınç farkları elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar çift fazlı için değerlendirilmiştir. Siklon borusu çapının küçük olması durumunda basınç düşümünde büyük olması durumuna göre artış olduğu ve ayrıştırma veriminde ise iyileşmenin olduğu görülmüştür. Dalma uzunluğunun ise büyük olması durumunda benzer sonuçlar tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlardan optimum çıkış borusu ölçüleri tanımlanmıştır.The swirling flow is one of the most important and complex fields of fluid mechanics. Having a double vortex structure, cyclone separators are very important and interesting application area of swirling flows. Therefore, cyclones used to investigate, experimentally and numerically, the geometrical and the operation parameters of swirling flows in this study.Numerical study comprised three dimensional, steady, incompressible, turbulent, one and two phase flows in cyclones. Experiments carried out mainly in a multi purpose modular cyclone whose important geometrical dimensions could be changed. Pitot tube and inclined manometers were used for the measurements of velocity components and pressure.Computational results obtained by using Fluent CFD code were compared with experimental data given in literature, so as to evaluate the performance of turbulence models, wall functions, numerical schemes and mesh structure. The results showed that the use of the RSM turbulence model with the nonequilibrium wall function for turbulence, the Presto interpolation scheme for pressure, the Simplec algorithm for pressure-velocity coupling and the quadratic upstream interpolation for convective kinetics (quick) scheme for momentum, the second order upwind scheme for turbulence kinetic energy and turbulence dissipation rate variables give satisfactory results.After numerical validation studies, the influences of dipleg and cyclone length which their importance were emphasized but no comprehensive study was given in the literature, were studied. Pressure drop, velocity distribution and particle collection efficiency parameters were related to the swirl structure in the cyclone. And, the optimal length of the cyclone which has an important role on the swirl structure was found to be approximately fourfold of the cyclone diameter. In addition, influence of surface roughness on the cyclone performance was investigated in the cyclones. that is influence on cyclone parameters. The optimal height of wall roughness appears to be approximately 0.1 mm for small cyclones.In the experimental study, the results were obtained by changing geometrical and operational parameters in two different cyclones. It can be seen from the results that the pressure drop is increased by increasing the inlet velocity. The effects of the exit pipe geometry were investigated in a tangential inlet cyclone separator. Experiments were carried out by varying the diameter and length of the exit pipe for one phase flow. Tangential and axial profiles, pressure losses and variation of static pressure along the cyclone were analyzed for different flow rates. The results were also evaluated for two phase flow in cyclones. The results show that a decrease in the exit pipe diameter causes an increase in pressure losses and collection efficiency. Similar results were obtained by the height of the exit pipe.