TC. · 2020. 9. 16. · tc. karadenİz teknİk Ünİversİtesİ . mÜhendİslİk fakÜltesİ....

TC.

KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ

MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

SLOT JET AKIŞI DENEY DÜZENEĞİ

BİTİRME PROJESİ

AYKUT ŞAHİN UMUT PER

EMRE GAYGUSUZ ( II. ÖĞRETİM )

HAZİRAN 2020 TRABZON

III

TC.

KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ

MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

SLOT JET AKIŞI DENEY DÜZENEĞİ

AYKUT ŞAHİN UMUT PER

EMRE GAYGUSUZ ( II. ÖĞRETİM )

Danışman: Prof. Dr. Yücel ÖZMEN Bölüm Başkanı: Prof. Dr. Burhan ÇUHADAROĞLU

HAZİRAN 2020 TRABZON

IV

ÖNSÖZ

Türbülanslı çarpan slot jet akışları konusunda yapılan çalışmaların büyük

bir kısmı ısı transferi ve ısı karakteristikleri üzerinedir. Lakin bu jet akış

tiplerinin tam olarak anlaşılması için jet akışın karakteristikleri ve akış

alanındaki basınç dağılımları ve davranışları da belirlenmelidir. Bu bitirme

projesi kapsamında çarpan jet akışının farklı açı değerlerindeki levhalarla

sınırlandırılmış konfigürasyonunun tasarımı ele alınmıştır.

Bu bitirme projesi sürecinde bilgi ve tecrübelerini bizden esirgemeyen her

türlü desteği bize sağlayan saygıdeğer danışman hocamız Prof. Dr. Yücel

ÖZMEN’e teşekkürü bir borç biliriz.

Aykut ŞAHİN

Umut PER

Emre GAYGUSUZ

TRABZON 2020

V

İÇİNDEKİLER

Sayfa No:

ÖNSÖZ ........................................................................... Hata! Yer işareti tanımlanmamış.

İÇİNDEKİLER .................................................................................................................... VI

ŞEKİLLER DİZİNİ ............................................................................................................. IV

SEMBOLLER DİZİNİ ......................................................................................................... V

ÖZET ................................................................................................................................... VI

1. TASARIMIN AMAÇ VE KAPSAMI ............................................................................... 7

1.1. Giriş ............................................................................................................................ 7

1.2. Literatür Taraması ...................................................................................................... 8

2. HAFTALIK DERS PROGRAMI .................................................................................... 11

3. FARKLI TASARIM SEÇENEKLERİ VE SEÇİM KRİTERLERİ ................................ 12

3.1. Düzeneğin Çalışma Prensibi ..................................................................................... 12

3.2. Tasarımı Oluşturan Parçalar ..................................................................................... 13

3.2.1. Pleksiglas Parçalar ............................................................................................. 13

3.2.2. Basınç Boruları .................................................................................................. 15

3.2.3. Basınç Hortumu ................................................................................................. 15

3.2.4. Lüle .................................................................................................................... 17

3.2.5. Hareketli Kanat .................................................................................................. 18

3.2.6. Vantilatör ........................................................................................................... 18

3.2.7. Mil...................................................................................................................... 19

3.2.8. Bağlantı Elemanı ............................................................................................... 19

3.3. Farklı Tasarım Seçenekleri ....................................................................................... 20

4. TASARIMIN KARŞILAYACAĞI GEREKSİNİMLER ................................................ 24

5. MÜHENDİSLİK HESAP VE ANALİZLERİ ................................................................. 25

6. ÇEVRESEL ETKİ DEĞERLENDİRMESİ .................................................................... 27

7. MALİYET HESABI ........................................................................................................ 28

8. SONUÇ ............................................................................................................................ 29

9. ÜRETİLEBİLİRLİK ........................................................................................................ 30

10. KAYNAKÇA ................................................................................................................ 31

11. EKLER .......................................................................................................................... 46

VI

ŞEKİLLER DİZİNİ

Sayfa No:

Şekil 1. Deney düzeneği kesit görünüşü .............................................................................. 12

Şekil 2. Pleksiglas levha ...................................................................................................... 13

Şekil 3. Pleksiglas levhadan kesilen parçalar ...................................................................... 13

Şekil 4. Basınç Sondaları ..................................................................................................... 15

Şekil 5. Basınç Hortumları .................................................................................................. 16

Şekil 6.Lüle .......................................................................................................................... 17

Şekil 7.Hareketli Kanatlar ................................................................................................... 18

Şekil 8. Vantilatör ................................................................................................................ 18

Şekil 9. Mil .......................................................................................................................... 19

Şekil 10. Matkap Uçlu Cıvata .............................................................................................. 19

Şekil 11. Düz Yüzeye Çarpan Jet ........................................................................................ 20

Şekil 12. Dışbükey Yüzeye Çarpan Jet ................................................................................ 21

Şekil 13. İçbükey Yüzeye Çarpan Jet .................................................................................. 21

Şekil 14. Düz Yüzeye Çarpan Jet ....................................................................................... 22

Şekil 15. Düz Yüzeye Çarpan İkili Jet ................................................................................. 22

Şekil 16.Jet akış düzeneği montaj görünüşü ........................................................................ 46



Şekil 19.Hareketli kanatlı deney düzeneğinin önden kesit görünüşü .................................. 48

IV

SEMBOLLER DİZİNİ

P1: Giriş bölgesinde en geniş kesitteki akışkan basıncı [Pa]

P2: En dar kesitteki akışkan basıncı [Pa]

Q: Akışkanın hacimsel debisi [m3/s]

V1: Giriş bölgesinde en geniş kesitteki akışkan hızı [m/s]

V2: En dar kesitteki akışkan hızı [m/s]

Z1,2: Zeminden yükseklik [m]

ρ : Akışkanın yoğunluğu [kg/m3]

V

ÖZET

Bu bitirme projesi çalışmasında, farklı eğim açılarına sahip levhalarla sınırlandırılmış düz

bir yüzeye çarpan slot jet akışında akış karakteristiğini incelemek için bir deney düzeneği

tasarımı yapılmıştır. Tek bir deney düzeneği üzerinde istenilen açı değeri servo motor ile

arduino kodlaması aracılığıyla sağlanmıştır. Kullanılan motor sayesinde ve yapılan lüle, mil,

hareketli levha tasarımı ve montajı aracılığıyla istenilen yapı elde edilmiştir. Tasarlanan

parçalar 3 boyutlu yazıcı aracılıyla plastik esaslı filament aracılığıyla pürüzsüz bir yüzeyde

belirli bir doluluk oranı ile basılmıştır. Bu sayede motora binen yük nedeniyle oluşabilecek

problemler ortadan kaldırılmıştır. Kullanılması uygun görülen step motor modeli basılan

parça ağırlığına göre seçilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Slot Jet Akışı, Arduino, Servo Motor, Eğimli Sınırlayıcı Levha.

VI

1. TASARIMIN AMAÇ VE KAPSAMI

Tasarım konusu: Farklı eğim açısına sahip yüzeylere temas eden akışkanın basınç

dağılımının belirlenmesi ve slot jet akış düzeneğinde tasarımı ve imalatıdır.

Yapılan akış düzeneğinde bir vantilatör yardımıyla oluşturulan hava akımı elekten süzülerek

lüleden geçmektedir. Lüleden geçen hava tasarımın üst kısmında bulunan düz plakaya çarparak

geri döner. Geri dönen hava eğimi ayarlanabilir plakalara çarparak deney düzeneği içerisinde

sirkülasyona uğramaktadır. Plakalar üzerinde bulunan basınç sondaları yardımıyla basınç

dağılımları elde edilir. Deney düzeneğinde plakaların ağırlığına ve yüzey pürüzlülüğüne önem

verilmiştir. Bundan dolayı düzenekte pleksiglas malzeme kullanılmıştır.

Tasarımın kısıtlar: Daha önce yapılan jet akış tasarımlarından yola çıkılarak hava çıkış

deliğinin 10*150 mm olması gerekmektedir. Akış yüzeyleri sızdırmaz ve pürüzsüz olmalıdır.

Eğimli levhaların açıları istenilen konuma getirilebilmelidir.

Tasarım koşulu: Deney düzeneği pleksiglas malzemeden imal edilmelidir. Eğimli

yüzeylerin hareketi sağlanmalıdır.

1.1. Giriş

Jet akış büyük bir gaz veya sıvı akışkan kütlesi içine aynı veya farklı sıcaklığa ve bileşime

sahip diğer bir akışkanın çeşitli geometrilerden herhangi biriyle püskürtülmesi durumunda oluşan

akıştır. İncelediğimiz konu jet akışın farklı açılardaki yüzeylere çarpması ile gösterdiği

davranışların incelenmesidir. Bu inceleme için daha önce tasarlanan deney düzenekleri vardır.

Fakat bu düzeneklerin eksik tarafı tek açı değeri için inceleme yapılabilme olanağı vermesidir.

Bizim tasarımımızda ise tek düzenek üzerinde farklı açılar için deney yapılabilme olanağı vardır.

Jet akışı bir yapı tarafından yönlendirilerek bir başka akışkan ortamının içine hızla akan akış

olarak tanımlanabilir. Bu hedef akış da belirli bir hıza sahip olabileceği gibi durağan bir ortam,

örneğin atmosfer de olabilir. Jet akışı endüstriyel ve günlük uygulamalarda yaygın olarak

kullanılması sebebiyle mühendislik açısından ayrıca önem arz etmektedir. Kullanım alanları olarak

yanma odaları, havalandırma sistemleri, karıştırıcılar, jet motorlarının egzoz akışları vs. verilebilir.

Burada jet akışlarından kaynaklı sorunlardan da söz edilebilir. Bunlara örnek olarak uçak

7

motorlarının egzoz gürültüsü, havalandırma sistemlerinde oluşan gürültüler, yakıt-hava

karışımında yaşanan sıkıntılardan söz edilebilir. Bunların mühendislik açısından çözümü jet

akışının yapısını ve davranışını anlamaktan geçmektedir. Hangi parametrelerin jet akışının hangi

parametreleri üzerinde etkili olduğunu anladığımız taktirde sorunları ortadan kaldırmak için farklı

yöntemler geliştirilebilir. Bizim bu projemizde en önemli kriterimiz ve karakteristiğimiz

sınırlandırılmış jet akışına levha eğim açının etkisi olmaktadır.

1.2. Literatür Taraması

Bir yüzeye çarpan jet akışları ile, cam ve metal parçaların temperlenmesi, tekstil ve kağıt

ürünlerinin kurutulması, gaz türbinleri ve elektronik elemanların soğutulması, uçakların çeşitli

elemanlarında oluşabilecek buzlanmanın önlenmesi, dikine havalanan ve inen uçak helikopter ve

roket gibi araçların hareket sistemleri gibi uygulamalarda sıklıkla karşılaşılmaktadır.

Literatürde jet akışları ile ilgili olarak gerçekleştirilen çalışmalar ağırlıklı olarak ısı transferi

üzerine yoğunlaşmıştır. Literatürde eğimli levhalar ile sınırlandırılmış çarpan jet akışında yapılan

çalışmaların sayısının azlığı dikkat çekmektedir. Bu çalışmada 0-900 arasında hareket edebilen

eğimli levhalarla sınırlandırılmış slot jet akış alanları incelenmiştir.

Çarpan jet akışları ile ilgili olarak akış alanı ve ısı transfer karakteristiklerinin belirlenmesine

yönelik, çok sayıda deneysel ve sayısal çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalarda lüle tipleri, akış

alanı geometrileri ve akış özellikleri farklılıklar göstermektedir. Kullanılan lüleler; dairesel kesitli,

eliptik ve yarık(slot) şeklinde olup, birden fazla lüle uygulaması da yapılmaktadır. Akış alanı

geometrileri; sınırlandırılmış ve sınırlandırılmamış olarak göz önüne alınmaktadır. Literatürde

mevcut çalışmaların çoğunluğu, düz yüzeye çarpan jetlerle ilgilidir Baydar [1], Baydar ve Özmen

[2], Colucci ve Viskanta [3], Lytle ve Webb [4]. Baydar[1] , Baydar ve Özmen[2] tarafından

sınırlandırılmış çarpan jet akışlarında 500-50000 aralığındaki Reynolds sayıları için yapılan

çalışmalarda, Re >2700 ve H/D <2 lüle-levha arası açıklıklar için levha yüzeyinde ortam altı basınç

bölgelerinin oluştuğu gözlenmiştir. Bu ters akış bölgelerinin ön ve arkalarında yerel ısı transfer

katsayılarında artışların meydana geldiği ifade edilmektedir. Narayanan ve Diğ. [5], Nusselt

sayılarında görülen ikincil piklerin, levha yakınındaki bölgedeki türbülans etkileri ile levhaya daha

uzak bölgedeki hareketin etkileşimi sonucunda oluşabileceğini ifade etmişlerdir. Colucci ve

8

Viskanta [3] sınırlandırılmış geometriler için ısı transferi karakteristiklerinin, sınırlandırılmamış

geometrilere göre, Reynolds sayısı ve lüle-levha arası açıklıktan daha fazla etkilendiklerini

açıklamışlardır. Gardon ve Akfirat [6] lüle çıkışındaki türbülans derecesinin ısı transferi üzerindeki

etkisinin H/D>6 açıklıklarında oldukça küçük olduğunu ifade etmiştir. Jambunathan ve diğ. [7]

tarafından yapılan bir çalışmada, çarpan jet akışlarına yönelik geometri, akış, türbülans ve ısı

transferi ile ilgili detaylar verilmiştir. Jet ve levha arasındaki ısı transfer miktarının durma

noktasında en büyük olacak şekilde levha yüzeyi boyunca radyal doğrultuda üssel olarak azaldığı

ve ortalama Nusselt sayısının Re0.76 ile orantılı olduğu belirtilmiştir. Lytle ve Webb [4] çok küçük

lüle-levha açıklıklarında (H/D<1), ısı transfer katsayısı dağılımlarında durma noktası dışında da

ikincil artışların ortaya çıktığı belirlenmiştir. Düşük lüle-levha açıklıklarında hem çarpma levhası

hem de sınırlandırıcı levha üzerinde ters akış bölgelerinin meydana geldiği, Reynolds sayısı ve

lüle-levha açıklığının artması ile ters akış bölgelerinin büyüklüklerinin arttığı ve çarpma levhası

üzerindeki ters akış bölgesinin levha boyunca ilerlediği, Ichimiya ve Yamada [8] tarafından

açıklanmıştır. Chalupa ve diğ. [9] sınırlandırıcı levha üzerindeki ters akış bölgesinin varlığının

Nusselt sayılarındaki ikincil piklerle ilişkili olabileceğini ifade etmişlerdir.

Adimurthy ve Vadiraj [10] çarpan jet akışını deneysel olarak inceledikleri çalışmalarında,

düşük lüle-levha açıklıklarında ve yüksek Reynolds sayılarında çarpma yüzeyinde ısı transferi

dağılımlarında ikincil pikler gözlemlemişlerdir. Bu ikincil piklerin akışın laminerden türbülanslı

hale geçmesi nedeniyle kaynaklanabileceğini ifade etmişlerdir. Lee ve diğ. [11], laminer akış

şartlarında çarpan slot jet akışını deneysel ve sayısal olarak incelemişler ve akış alanı üzerinde

Reynolds sayısı, lüle-levha açıklığı ve yerel Nusselt sayısı etkilerini belirlemişlerdir. Behnia ve

diğ. [12] v2-f türbülans modelini kullanarak, çarpan jet akışında lüle-levha arası açıklık, Reynolds

sayısı, jet sınırlandırılması ve jet çıkış profili etkisini sayısal olarak incelemişlerdir. Jeti

sınırlandırmanın sadece çok küçük lüle-levha açıklıklarında (H/D< 0.25) etkili olduğunu ifade

etmişlerdir.

Literatürde eğimli levhalarla sınırlandırılmış veya eğimli bir yüzeye çarpan jet akışlarıyla

ilgili çalışmalar oldukça az sayıdadır. Al Mubarek ve diğ. [13] eğimli bir yüzeye çarpan jet dizisinin

oluşturduğu akışta çarpma yüzeyi boyunca ısı transferi karakteristiklerini deneysel olarak

incelemişler ve ortalama yerel Nusselt sayısının artan Reynolds sayısı ile birlikte arttığını ifade

etmişlerdir. Guan ve diğ. [14] konik geometrideki bir levhanın dış ön kenarının soğuk akışa maruz

9

kaldığı, konik levhanın iç yüzeyine ise sıcak jet akışının çarptığı akış alanında birleşik ısı transferi

karakteristikleri deneysel olarak incelenmişler ve Reynolds sayısının ve jet çarpma mesafesinin ısı

transferi üzerinde etkili olduğunu belirtmişlerdir. Guo ve diğ. [15] sınırlandırılmış çarpan jet

akışında eksenel simetrik duvar jetinin gelişimini stereo PIV ile deneysel olarak incelemişler, akış

alanında oluşan ters akış bölgelerinin artan Reynolds sayısı ile ilerlediğini belirtmişlerdir. Cavadas

ve diğ. [16] konik duvarla sınırlandırılmış çarpan laminar su jeti akışını deneysel ve sayısal olarak

inceledikleri çalışmalarında konik duvar yakınında akışın ayrıldığını ve oluşan ters akış

bölgelerinin uzunluğunun Reynolds sayısı ile arttığını ifade etmişlerdir. Li ve diğ. [17] düz bir

yüzeye açılı olarak çarpan birbirine paralel çoklu jetlerde akış ve ısı transferi karakteristiklerini

deneysel ve sayısal olarak incelemişlerdir. Çarpma yüzeyi üzerindeki ısı transferinin Reynold

sayısından, lüleler arası mesafeden ve lüle levha açıklığından etkilendiğini belirtmişlerdir. Miranda

ve Campos [18] konik duvarla sınırlandırılmış düz bir yüzeye çarpan jet akışında laminer akış

karakteristiklerini sayısal olarak incelemişlerdir. Farklı lüle çıkış şartlarına göre lüle-levha açıklığı

ve Reynolds sayısı gibi parametreleri inceledikleri çalışmada, düşük lüle-levha açıklıklarında akış

alanında ters akış bölgeleri oluştuğunu belirtmişlerdir. Miranda ve Campos [19] konik duvarla

sınırlandırılmış çarpan laminar su jeti akışında bir levhadan olan kütle transferini sayısal olarak

inceledikleri bir diğer çalışmalarında, ortalama kütle transfer katsayısının nümerik sonuçlarını

literatürde mevcut deneysel verilerle karşılaştırmışlar ve iyi bir uyum bulmuşlardır. Yang ve Shyu

[20] eğimli levhayla sınırlandırılmış çarpan jet akışını sayısal olarak inceledikleri çalışmalarında,

artan sınırlandırma levhası eğim açısı ile çarpma levhası üzerindeki maksimum yerel Nusselt sayısı

değerlerinin azaldığını belirtmişlerdir. Bhagwat ve Sridharan [21] eğik bir yüzeye çarpan jet

akışında ısı transferi karakteristiklerini sayısal olarak inceledikleri çalışmada, düşük çarpma

levhası eğim açılarında, lüle-levha açıklığının Nusselt dağılımı üzerinde önemli etkiye sahip

olduğunu belirtmişlerdir.

10

2. HAFTALIK DERS PROGRAMI

1.Hafta Jet akışı nedir, nerelere kullanılır sorularına cevap bulundu. Ön araştırma yapıldı.

2.Hafta Tasarım kısıtları araştırıldı. 3.Hafta Kanat ve lülenin birleşim noktaları için farklı tasarım şekilleri tasarlandı. 4.Hafta En uygun tasarım tasarım şekli seçilip eksikleri belirlendi. 5.Hafta Literatür araştırması yapıldı. 6.Hafta Tasarımda çıkan sorunlar giderildi. Yeni kapak ve lüle tasarlandı. 7.Hafta Kanatları hareket ettirecek düzenek belirlendi. 8.Hafta Farklı tasarım seçenekleri irdelendi. 9.Hafta Deney düzeneği daha nasıl geliştirilebilir konusu tartışıldı. 10.Hafta Arduino kodu yazılarak seçilen servo motor çalıştırıldı. 11.Hafta Motorun bağlanacağı konum tespiti yapıldı. 12.Hafta Motorun bağlanması için mil tasarlandı. 13.Hafta Tasarımın 3D modellemesi yapıldı ve test edildi. 14.Hafta Tasarım düzenlemesi ve baskısı yapıldı.

11

3. FARKLI TASARIM SEÇENEKLERİ VE SEÇİM KRİTERLERİ

3.1. Düzeneğin Çalışma Prensibi

Slot jet akış düzeneğine hava düzeneğin akışkan düzeneğin alt kısmındaki 75mm çapındaki

delikten verilir. Verilen akışkanın hızı ve basıncı bilinmektedir. Daha sonra elekten geçen hava ani

genişlemede yük kaybına uğrar ve basıncı artarken hızı azalır. Lülenin altında kalan dikdörtgensel

hacim doldurulur. Dikdörtgensel hacimde bulunan basıncı artmış, hızı azalmış akışkan lüleden

geçerek basıncı azalır hızı artar. Daha sonra lüleden çıkan akışkan üst levhaya çarpıp eğimli

levhaya doğru hareket eder. Tekrardan eğimli levhaya çarpan akışkan sirkülasyon oluşturur. Aynı

esnada düz levhadan ve eğimli levhadan çarpma anındaki basınç değerleri ölçülür. Bu işlemler

gerçekleştirilirken sistem boyunca yerel kayıplar ve lüle yük kayıpları göz önünde

bulundurulmalıdır.

Yukarıda anlatılan işlemler eğik levhaya yerleştirilen servo motor yardımıyla 0-90 derecelik

açı aralığında birer derecelik hassasiyetle yapılabilir. Lüle ile kanat bir kamalı mil bağlantısı ile

bağlanıp mil menteşe görevi görmesi sağlanır. Böylece kanat hareket ettirilebilir. Hareket mile

bağlanan servo motor ile sağlanır. Servo motor mile dönme merkezinden bağlanarak, arduinoda

bulunan yazlımla istenilen açı verilebilmektedir.

Şekil 1. Deney düzeneği kesit görünüşü

12

3.2. Tasarımı Oluşturan Parçalar

3.2.1. Pleksiglas Parçalar

1350x2000x15 mm Pleksiglas levhadan düzeneğimizi oluşturan parçalar çıkartıldı.

Şekil 2. Pleksiglas levha

Şekil 3. Pleksiglas levhadan kesilen parçalar

13

3.2.2. Basınç Boruları

Üstteki sabit levha ve hareketli eğimli levhalar üzerine açılan deliklere dikkatli ve hassas

şekilde montajlanırlar. 1.2 mm çapında ve 20 mm uzunluğundadırlar. Levhalar üzerinden ölçülen

statik basınç değerlerinin ölçülmesinde kullanılır.

Şekil 4. Basınç Sondaları

3.2.3. Basınç Hortumu

Bir ucu levhalar üzerindeki basınç borularına bağlı olan bu hortumların diğer ucu

manometreye bağlıdır. Basınç borularındaki değerleri manometreye iletmede kullanılır.

15

Şekil 5. Basınç Hortumları

16

3.2.4. Lüle

Hareketli kanatlara mil ile bağlı olan lüleler kesit alanını daraltarak akışkan havanın hızını

arttırır. Bu sayede jet akışı elde edilir.

Şekil 6.Lüle

17

3.2.5. Hareketli Kanat

Üzerinde basınç sondaları olan ve farklı açılarda konumlandırılabilen bu hareketli kanatlar

sayesinde farklı açılardaki basınç dağılımları ve jet akış davranışları ölçülebilmektedir.

Şekil 7.Hareketli Kanatlar

3.2.6. Vantilatör

Tasarlanan deney düzeneğindeki slot jet hava akışını sağlar.

Şekil 8. Vantilatör

18

3.2.7. Mil

Tasarımda kapağın dönmesini sağlayan kama yuvası açılmış motorun üzerine monte edildiği

parçadır.

Şekil 9. Mil

3.2.8. Bağlantı Elemanı

Tasarımdaki pleksiglas parçaların montajlanmasında kullanılır.

Şekil 10. Matkap Uçlu Cıvata

19

3.3. Farklı Tasarım Seçenekleri

Farklı tasarım seçeneği olarak en çok kullanılan 450, 300, 600 olarak konumlanmış sabit

levhalar ile tasarım yapılabilir. Ayrıca Prof. Dr. Yücel ÖZMEN tarafından yapılan farklı deney

düzenekleri gösterilmiştir.

Şekil 11. Düz Yüzeye Çarpan Jet

20

Şekil 12. Dışbükey Yüzeye Çarpan Jet

Şekil 13. İçbükey Yüzeye Çarpan Jet

21

Şekil 14. Düz Yüzeye Çarpan Jet

Şekil 15. Düz Yüzeye Çarpan İkili Jet

22

4. TASARIMIN KARŞILAYACAĞI GEREKSİNİMLER

Mühendislikte tasarlanan teknolojik aletler ve mühendislik uygulamalarında bir kanal

içerisinden akışa sıkça rastlanır. Bu tarz uygulamalar ve tasarımda basınç dağılımları önemli rol

oynar ve basınç dağılımının bilinmesi önemlidir. Tasarlamış olduğumuz deney düzeneği sayesinde

havalandırma ve borulama gibi sistemlerin uygulamasında ortaya çıkacak kayıplar, basınç

dağılımları ve akış özellikleri belirlenebilir. Hareketli ve eğimli levhalar sayesinde tek düzenek

üzerinden istenilen eğim açılarındaki akış özellikleri belirlenebilir. Bu özelliği sayesinde

uygulamaların deneyinde kolaylık sağlamış olur.

24

5. MÜHENDİSLİK HESAP VE ANALİZLERİ

Deney düzeneğinde kompresör girişi ile tavan arasında sürekli, sürtünmesiz ve sıkıştırılamaz

akım için Bernoulli Denklemi uygularız.

Bernoulli Denklemi sürtünmesiz akışlarda, hız, basınç ve yükseklik arasındaki ilişkiyi verir.

Sistemde Z1 = Z2 olduğunu kabul ederek denklem:

Bununla birlikte kütlenin korunumu sebebiyle süreklilik denklemi de geçerlidir ve giren

kütlesel debi çıkan kütlesel debiye eşit olmalıdır.

Sıkıştırılamaz akışlar için yoğunluk sabit olacağından süreklilik denklemi

halini alır. Yukarıdaki denklemin sağındaki ve solundaki ifadeler hacimsel debiyi verir. Buna göre

sıkıştırılamaz akımlarda hacimsel debi de sabittir. Bu durumda denklem aşağıdaki şekilde yazılır:

Süreklilik denklemi yardımıyla Bernoulli denklemi yeniden düzenlenirse en dar kesitteki

akışkanın hızı için aşağıdaki bağıntı elde edilir:

Burada β, en dar kesit çapının en geniş kesit çapına oranıdır. ΔP ise iki kesit arasındaki basınç

farkıdır. Basınç farkı manometre yardımıyla:

25

olarak ölçülebilir. Burada h manometredeki statik basınç yüksekliğidir.

Ancak bu denklem, kayıp olmadığı kabulü ile elde edilmiştir ve dolayısıyla bu değer en dar

kesitteki olabilecek en yüksek değerdir. Gerçekte ise sürtünme etkilerinden dolayı basınç kayıpları

vardır.

26

6. ÇEVRESEL ETKİ DEĞERLENDİRMESİ

Tasarlamış olduğumuz slot jet akışı deney düzeneğinin çevreye olumsuz bir etkisi

bulunmamaktadır. Kullanılan malzeme pleksiglas parçalar sert bir yapıya sahiptir. Havaya ve suya

karışmadığı için herhangi bir olumsuz etki yaratmamaktır. Bu nedenle deneyde herhangi bir hava

veya su kirliliği oluşmamaktadır. Deney düzeneği bir slot jet akışında havanın basınç dağılımı ve

akış özelliklerini belirlemek için yapılan bir tasarım olduğu için sadece basınç ölçümleri

yapılmaktadır. Bundan dolayı basınç ölçümünde kullanılan kılcal borularda herhangi bir kimyasal

madde veya element kullanılmamaktadır. Basınç ölçümü kılcal borulardan geçen hava ile

sağlanmaktadır. Bunların dışında olumsuz olarak görülebilecek tek şey deney düzeneği çalıştığı

esnada insanı ve çevreyi rahatsız etmeyecek düzeyde vantilatörden bir gürültü oluşmasıdır.

Deneyde insan sağlığını olumsuz etkileyecek bir proses bulunmamaktadır. Deney düzeneği tüm

kurulum yapıldıktan sonra laboratuvar ortamında elektrik yardımıyla çalıştırılarak sağlıklı ve

tehlikesiz bir deney yapmaya hazır hale gelir.

27

7. MALİYET HESABI

• Pleksiglas Levha:(1500*3000*15 mm) 1254.41 TL [4]

• Kılcal Boru: 15 TL

• Matkap uçlu cıvata: 17 TL

• İşleme maliyetleri: 248 TL

• Servo Motor: 35 TL ( 2 adet)

Toplam maliyet: 1569 TL

28

8. SONUÇ

Yaptığımız tasarımda hava akışının enerji kayıpları ölçülebilmektedir. Ayrıca ayarlanabilir

levhalar ile de farklı konumlar için aynı deney düzeneğini kullanıp farklı sonuçlar karşılaştırılabilir.

Sistem saydam malzemeden yapıldığı için hava akışının hareketleri gözlenebilir. Hava akışının

çarptığı yüzeyler ısıtılarak ya da soğutularak ısı transferinin etkileri de incelenebilmektedir.

29

9. ÜRETİLEBİLİRLİK

Hazır alınan pleksiglas malzemesi ve birleştirme için alınan vida yardımıyla sistem

yapılabilir. Sistemde bulunan servo motor hazır alınır sadece kodlamaları yapılmaktadır. Lüle, mil

ve kanat 3d yazıcıda imal edilecektir. Bağlantı yapmak için ihtiyacımız olan el takımları matkap

ve taş motorudur.

30

10. KAYNAKÇA

1. Baydar, E., Confined impinging air jet at low Reynolds numbers, Exp. Thermal Fluid Sci.19

(1999) 27-33.

2. Baydar, E. ve Ozmen, Y., An experimental and numerical investigation on a confined impinging

air jet at high Reynolds numbers, Applied Thermal Eng., 25 (2005) 409-421.

3. Colucci, D.W. ve Viskanta, R., Effect of nozzle geometry on local convective heat transfer to

a confined impinging air jet, Exp. Thermal Fluid Sci.,13 (1996) 71-80.

4. Lytle, D. ve Webb, B.W., Air jet impingement heat transfer at low nozzle-plate spacings, Int. J.

Heat Mass Transfer,37 (1994) 1687-1697.

5. Narayanan, V., Seyed-Yagoobi, J. ve Page, R.H., An experimental study of fluid mechanics and

heat transfer in an impinging slot jet flow, Int. J. Heat Mass Transfer, 47 (2004) 1827-1845.

6. Gardon, R. ve Akfirat, J.C., The role of turbulence in determining the heat transfer characteristics

of impinging jets, Int. J. Heat Mass Transfer, 8 (1965) 1261-1272.

7. Jambunathan, K., Lai, E., Moss, M.A. ve Button, B.L., A review of heat transfer data for single

circular jet impingement, Int. Heat Fluid Flow, 13 (1992) 106-115.

8. Ichimiya, K. ve Yamada Y., Three dimensional heat transfer of a confined circular impinging

jet with buoyancy effects, ASME J. Heat Transfer, 125(2003) 250-256.

9. Chalupa, R., Chen, M., Modi, V. ve West, A.C., High Schmidt mass transfer in a turbulent

impinging slot-jet flow, Int. J. Heat Mass Transfer, 44 (2001) 37753785.

10. Adimurty, M. ve Vadiraj, V. Kati, Local distribution of wall static pressure and heat transfer

on a smooth flat plate impinged by a slot air jet, Heat Mass Transfer, (2017) 53:611–623.

31

11. Lee, D.H., Bae, J.R., Park, H.J., Lee, J.S. ve Ligrani, P., Confined, milliscale unsteady laminer

impinging slot jets and surface Nusselts numbers, International Journal of Heat and Mass Transfer,

54 (2011) 2408-2418.

12. Behnia, M., Parneix, S., Shabany Y. ve Durbin, P.A., Numerical study of turbulent heat transfer

in confined and unconfined impinging jets, Int.H Fluid Flow, 20(1999) 1-9.

13. Al Mubarek, A.A., Shaadid, S.M. ve Al Hadhrami, L.M., Heat transfer in a channel with

inclined target surface cooled by single array of centered impinging jets, Thermal Science, 17

(2013) 4 1195-1206.

14. Guan, T., Zhang, J., Shan, Y. ve Hang, J., Conjugate heat transfer on leading edge of a conical

wall subjected to external cold flow and internal hot jet impingement from chevron nozzle – Part

1: Experimental analysis, International Journal of Heat and Mass Transfer, 106, (2017) 329-338.

15. Guo, T., Rau, M., Vlachos, P.P. ve Garimella, S.V., Axisymmetric wall jet development in

confined jet impingement, Physics of Fluids, 29 (2017) 1-12

16. Cavadas, A.S., Pinho, F.T. ve Campos, J.B.L.M., Laminar flow field in a viscous liquid

impinging jet confined by inclined plane walls, International Journal of Thermal Sciences, 59

(2012) 95-110.

17. Li, Y., Li, B., Qi, F. ve Cheung, S.C.P., Flow and heat transfer of parallel multiple jets obliquely

impinging on a flat surface, Applied Thermal Engineering, (2018) 10, 2374-2185.

18. Miranda, J.M. ve Campos, J.B.L.M., Impinging jets confined by a conical wall: Laminar flow

predictions, Fluid Mechanics and Transport Phenomena, 45 (1999) 11, 2273-2285.

19. Miranda, J.M. ve Campos, J.B.L.M., Impinging jets confined by a conical wall – high Schmidt

mass transfer predictions in laminar flow, International Journal of Heat and Mass Transfer, 44

(2001) 1269-1284.

20. Yang, Y.T. ve Syhu, C.H., Numerical study of multitiple impinging slot jets with an inclined

confinement surface, Numerical Heat Transfer, 33, 1 (1998) 23-37.

32

21. Bhagwat, A. ve Sridharan, A., Numerical simulation of oblique air jet impingement on a heated

flat plate, Journal of Thermal Science and Engineering Applications, Transactions of the ASME,

(2017), 1-10.

22.JET AKIŞLARININ FARKLI DURUMLAR İÇİN İNCELENMESİ,Mustafa ATMACA,

A.Talat İNAN, M. Zafer GÜL

33

İMALAT AŞAMASINDA YAPILAN ÇALIŞMALAR

Deneysel Çalışma

Deneysel çalışma kısmında geldiğimiz aşama itibari ile tasarlanan parçaları kaldırabilecek

uygun motoru seçmek amacıyla farklı tip motorlar fiyat performans açısından denenerek en

sağlıklı sonucu veren servo motor modeli seçilmiştir. Arduino kodu ile motorlar çalıştırılmış açı

ölçer sensör ile belirli ağırlıktaki açı değerleri ölçülerek en doğru sonucu veren servo motor

seçilmiştir.

Yazılan Arduino Kodu

//Servo motor çalışması için gerekli kütüphane dosyasını ekledik.

#include<Servo.h>

Servo motor; //motor adında bir servo nesnesi oluşturduk.

void setup() {

motor.attach(3); // Servo motorun data pinini arduino 3 numaralı pine bağladığımızı belirttik.

}

void loop() {

motor.write (30); // Buraya istenilen açı değeri girilir.Burada 30 derece girilmiştir.

}

34

İstenilirse kanat belirli açılar arası sürekli hareket halinde olsun o zaman aşağıdaki kodlama

kullanılabilir;

#include<Servo.h>

Servo motor;

int aci;

void setup() {

motor.attach(3);

}

void loop() {

for(aci=0;aci<=120;aci+=1){

motor.write(aci);

delay(100);

}

for(aci=120;aci>=0;aci-=1){

motor.write(aci);

delay(100);

}

}

35

Deney Düzeneği ve Hareketli Levha Düzeneği

Basınç ölçümleri için oluşturulan (θ)= 0-90 derece arasında eğimli levhalarla sınırlandırılmış

çarpan slot jet akış düzenekleri 3D yazı ile oluşturulmuştur. Kanat hareket ettirebilmek için MG996

Metal servo motor kullanılmıştır. Kanat ile lüle montajında kullanılan milin hareketi ile kanatlar

hareket ettirilmektedir. Kullanılan servo motor 6V'ta 10 kg tork oluşturmaktadır. Hava huzmesi

cihazındaki fan; 0.6 HP gücünde, 2800 d/dk hızında bir elektrik motoruyla çalışmaktadır. Yüksek

hızlardaki ölçümlerde hava huzmesi cihazı 0.75 HP gücünde ikinci bir fanla desteklenmiştir. Deney

düzeneğinde huzme cihazına fan yardımıyla çekilen hava sırasıyla genleşme odası ve ızgaradan

geçerek huzme cihazının üzerine düşey doğrultuda yerleştirilmiş akış düzeneklerine iletilmektedir.

Debi ayar vanası kullanılarak 10 milimetre slot genişliğine sahip lüle çıkışında istenilen hız

değerleri elde edilmektedir. Lülelerden çıkan hava jetleri, sınırlayıcı levhalardan itibaren H

mesafesi kadar uzakta olan ve lüle eksenine dik doğrultuda yerleştirilmiş düz bir levhanın yüzeyine

çarpmaktadır.

Deney düzeneği tasarımı yapılırken hareketi sağlayacak mekanizmanın çok iyi düşünülmesi

gerekmektedir.Hava kaçağının minimum olması herhangi bir türbülans etkisi yaratmaması

sağlanmalıdır.Bu sebepten dolayı tasarımımız bu amaçlara uygun şekilde kama çıkıntısı olan

hareketli levha ve kama yuvası olan mil ile hafif boşluklu bir bağlantı ile bir bütün oluşturacak

şekilde tasarlanmış ve 3d baskısı alınmıştır.Mile tahriki servo motor vermektedir.Milin merkezine

bağlanan servo motor döndükçe hareketli levha ile bağlantılı olduğu için milin dönme açısı kadar

hareketli levhayı döndürmektedir.Sistemde iki adet servo motor kullanılmıştır.Biri sağ hareketli

levha diğeri sol hareketli levha olmak üzere iki adettir.Bu ayrıca bize düzenek üzerinde farklı

deneyler yapma imkanı da sunmaktadır.İstenildiğinde iki hareketli levha farklı açı konumlarında

kullanılabilmektedir.Birbirinden bağımsız çalışan bu iki hareketli levha esnek deney değerleri

açısından avantaj sağlamaktadır.

36

Düz bir yüzeye çarpan slot jet deney düzeneği (Şematik gösterim)

(a)

Düz bir yüzeye çarpan slot jet deney düzenekleri (Fotoğraf gösterim),

• θ=15°,b) θ=30°, c) θ=45°

37

(b)

(c)

38

Eğimli levhalarla sınırlandırılmış çarpan slot jet sistemi

Lüle( ön,sol,üst,perspektif görünüş)

39

Mil (ön,sol,üst,perspektif görünüş)

40

Hareketli Sınırlayıcı Levha(ön,sol,üst,perspektif görünüş)

MG996 Servo Motor

41

Arduino Nano

Basınç Ölçümü

Çarpma levhası ve sınırlayıcı levhaların yüzey basıncını belirlemeye yönelik ölçümler şekil

(2.9 ) görülen ölçme sistemi ile gerçekleştirilebilir. Ölçme sistemindeki, TSI IFA-100 System

Intelligent Flow Analyzer cihazının Sinyal Şartlandırıcı modülü, basınç algılayıcı

( Pressure Tranducer ). A/D dönüştürücü, veri analizi yapan bir paket program ve bilgisayar

bulunmaktadır. Basınç sinyalleri, Şekil (2.10) görülen , % 0.14 hassasiyetli SETRA 239 Model

Basınç Ölçer (Pressure Transducer) ile alınabilir. Girişine 22-30 volt DC gerilim uygulandığında,

çıkış gerilimi 2.5 volt DC olan basınç ölçülerin ölçüm aralığı +7.5 inch SS olur.

42

Basınç ölçme sistemi

Çarpma ve sınırlayıcı levhalar üzerinde açılmış çok sayıda basınç prizinin basınç

algılayıcısına bağlantısı, scanning valf ile sağlanabilir. Bu amaçla tasarımda önce, scanning valf

kullanılmadan çarpma ve sınırlayıcı levha yüzeylerine bağlı basınç hortumları doğrudan basınç

algılayıcısı ile ilişkilendirilerek ölçüm alınmalıdır.

a) Setra 239 model basınç ölçer, b) Scanning valfler

43

Kullanılan Materyaller

Tasarımda eğimli kanat, lüle, mil tasarımda PLA(Polylactic Acid) malzeme kullanılmıştır.

PLA (Polylactic Acid), mısır nişastası ve şeker kamışından üretilen organik bir biyopolimer ve

termoplastiktir. Bu nedenle, insan sağlığına zararlı değildir. PLA malzeme seçilme nedenleri

şunlardır; Sert bir yapıya sahiptir. Dayanıklı ve darbelere karşı dirençlidir. Hafif esnekliğe sahiptir,

Basım sıcaklığı genellikle 190°C – 220°C arasındadır. Soğuma esnasında kalkma ve çatlama

sorunları ile karşılaşılmaz. Yatak sıcaklığı 50°C – 70°C arasında önerilmektedir. Bir kere

ayarlanmış sıcaklık, yatak kalibrasyonu ve üretim hızı ile sorunsuz basım yapılabilir.Deney

düzeneğinin diğer kısımları için seçilen malzeme ise plexiglasstır.

BULGULAR

Malzemenin Etkisi

Yapılan çalışmalar sonucunda malzemenin deney düzeneği üzerinde çok etkili olduğu

anlaşılmıştır. Farklı filament türleri kullanıldığında basım zorlukları ortaya çıkmakta istenilen

yüzey pürüzlülüğü elde edilememiştir. Kullanılan filamentlerin basım sıcaklığı basım şartları da

düzeneğin parça basımında önemli rol oynamıştır.Basım sonrası filamentin oluşturduğu ağırlık

sebebiyle motor seçi zorlanmıştır.Bu sebepten ötürü hafif ama dayanıklı filament seçimi önem

kazanmıştır.

Motorun Etkisi

Tasarımda en önemli parçalardan biri motor olmuştur. Deney düzeneğinde açı kontrolünün

sağlıklı şekilde yapılabilmesi ve aynı zamanda geliştirilebilir ve kontrollü olabilmesi amacıyla

kodlanabilir servo motor seçilmiştir. Fakat seçilen servo motorda ağırlıktan kaynaklı açı sapması

yaşanmıştır. Bu problem ise motor gücünün yüksek seçilmesi ayrıca dişli bir sistem olması

vasıtasıyla çözülmüştür. Kodlama ekranı üzerinden takibi yapılarak test edilmiştir.

44

TARTIŞMA

Yapılan çalışmalar sonucunda tasarımın literatür taraması ile uyumlu olduğu anlaşılmıştır.

Lakin deneysel çalışmalar ile akış modelleri ile uyumluluğu irdelenip eksik yönlerinin olup

olmadığı incelenebilir.Şu ana kadarki çalışmalar göstermektedir ki sistem bilgisayar aracılığı ile

rahat bir şekilde kontrol edilebilmektedir.Hatalar bilgisayar üzerinden görülebilmekte ve kodlama

üzerinde değişiklikler ile kontrol altına alınabilmektedir.

SONUÇ

Bir yüzeye çarpan jet akışlarıyla, cam ve metal parçaların temperlenmesi, tekstil ve kâğıt

ürünlerinin kurutulması, gaz türbinleri ve elektronik elemanların soğutulması, uçakların çeşitli

elemanlarında oluşabilecek buzlanmanın önlenmesi, dikine havalanan ve inen uçak, helikopter ve

roket gibi araçların hareket sistemleri gibi uygulamalarda sıklıkla karşılaşılmaktadır. Özellikle

yüzeyler üzerinde ısıtma, soğutma ve global ısı transferi iyileştirme çalışmalarında farklı

geometrilerdeki jet uygulamaları büyük önem taşımaktadır. Bu tip akışların ısı transferini arttırdığı

bilinmekte ve türbülans modellerinin geliştirilmesi amacıyla, bu alanda çalışanlar için de ilgi çekici

olmaktadır. Bu çalışmada, farklı eğim açılarına sahip levhalarla sınırlandırılmış düz bir yüzeye

çarpan slot jet akışı incelenmiştir.

ÖNERİLER

Bu konuda ileriye dönük olarak, çarpma levhası üzerindeki basınç dağılımları farklı

parametreler için deneysel olarak incelenip akış karakteristikleri sonuçları arasında karşılaştırmalar

yapılabilir. Ayrıca, hareketli bir yüzey durumunda çarpan slot jet akışları ile çalışmalar yapılabilir.

Farklı kanat ve lüle yapısı ile ilgili çalışmalar yapılabilir. Farklı türbülans modellerinin performansı

denenebilir ve yeni türbülans modelleri geliştirilebilir. Motor kodlaması üzerindeki hassasiyet

arttırılıp ara değerdeki açılar içinde sonuçlar elde edilebilir.

45

11. EKLER

Jet akış düzeneği montaj görünüşü

46



47

Hareketli kanatlı deney düzeneğinin önden kesit görünüşü

48

Hareketli kanatlı deney düzeneğinin yandan kesit görünüşü

49

Hareketli kanatlı deney düzeneğinin perspektif görünüşü

50

Hareketli levha tasarımı montajı

Hareketli levha 0o konumu için

51


52



53



54


55

Slot jet akışı deney düzeneği 3B


56


Slot jet akışı deney düzeneği malzeme listeli teknik resmi

57

Slot jet akışı deney düzeneği kesit ve perspektif görünüş

58

Lüle 3D yazıcı baskısı

59

Hareketli levha 3D baskısı

60

Lüle 3D yazıcı baskısı

61

Hareketli levha 3D baskısı

62

Mil ve Lüle 3D yazıcı baskısı

63

Mil 3D yazıcı baskısı

64

ÖZGEÇMİŞ

Aykut ŞAHİN, 1996 yılında Tokat’ta doğdu. 2014 yılında Halıcı Ahmet URKAY Anadolu

Lisesinden mezun oldu. 2014 yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi Makina Mühendisliği

Bölümüne başladı. Orta derecede İngilizce, başlangıç seviyesinde Almanca bilmektedir.

Umut PER, 1995 yılında Erzincan'da doğdu. 2013 yılında Erzincan Kazım Karabekir

lisesinden mezun oldu. 2014 yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği

bölümüne başladı.

Emre Gaygusuz, 1995 yılında İzmit’te doğdu. Cahit Elginkan Anadolu lisesinden mezun

oldu. 2014 yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi Makina Mühendisliği bölümüne başladı.

65

TC. · 2020. 9. 16. · tc. karadenİz teknİk Ünİversİtesİ . mÜhendİslİk fakÜltesİ....

Documents

Transcript of TC. · 2020. 9. 16. · tc. karadenİz teknİk Ünİversİtesİ . mÜhendİslİk fakÜltesİ....