Sınır tabaka akışlarının farklı türbülans modelleriyle karşılaştırmalı çözümü

Abstract

Modern teknolojide öneme sahip çoğu akışlar türbülanslıdır. Türbülans, dönen, kesikli, oldukça düzensiz, yayılımcı ve yutucu bir fenomendir. Türbülanslı akışların davranışlarını nicel olarak belirleyebilmek, mühendisler için pratik bir öneme sahiptir. Bu amaçla, türbülans modelleme, uygun sayısal yöntemlerle bağlantılı ayrı bir disiplin olarak ortaya çıkmıştır. Ancak çoğu durumlarda, türbülanslı akışların değişken yapısından dolayı türbülansm gerçek fiziğini temsil edecek bir modelin olmaması, mevcut modellerin genelde farklı performanslara sahip olmalarına yol açmıştır. Hatta türbülans modellerinin performansları, sımr koşullarıyla da değişebilmektedir. Bu çalışmada çeşitli türbülanslı sınır tabaka akışları, birinci derece iki eşitlikli (girdap viskozitesi/yayılımı kullanan) ve ikinci derece çok eşitlikli türbülans modelleri kullanılarak çözümlenmiştir. Daha sonra elde edilen karakteristikler, seçilen türbülans modellerinin performanslarını değerlendirmek için DNS (doğrudan sayısal simülasyon) ve deneysel verilerle karşılaştınlmıştır. Diğer taraftan, temel eşitlikler, hesaplamasal ağın sınır tabakanın fiziksel olarak genişlemesine uyması için dönüştürülmüş koordinatlarda ifade edilmiştir. Bu eşitlikler, sonlu farklar tekniğine dayanan kontrol hacmi yöntemi kullanılarak cebrik forma dönüştürülmüş ve kapalı olarak çözülmüştür. Hesaplamalar, sınır tabakanın her bölgesinde parabolik karakterde olduğu kabulü yapılarak gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada seçilen akışlar; düzlem levha üzerinde basınç gradyanı ve ayrılma olmayan sıkıştınlamaz türbülanslı sınır tabaka akışı, dairesel serbest jet akışı ve kaldırma kuvveti etkisi altında yatay ve dikey konumda düzlem levha üzerindeki türbülanslı sınır tabaka akışlarıdır. Düşük Reynolds sayılı k - s modelleri, diğer türbülans modelleriyle kıyaslandığında DNS ve deneysel verilerle iyi bir uyum içindedir. Beklenenin aksine, ikinci derece modellerle karşılaştırıldığında, birinci derece modeller tüm akış koşullarında daha iyi sonuçlar vermektedir.