AKIŞLARIN DAHA İYİ GÖRÜNTÜSÜ

05 Nisan 1998 Dergi: Nisan-1998

Veri iletimi teknolojisindeki ve fiziksel ölçüm metodlarındaki son gelişmeler, akışkanlar mekaniğinde kayda değer bir değişim oluşturmuştur. Sayısal akış benzeşimin-deki ve deneysel metodlarda-ki ilerlemeler birbirlerini gözle görülür bir şekilde etkilemişlerdir. Basınç ve sıcaklığın basit ölçüm aletleriyle belirlendiği klasik model testleri, akış benzeşimi karşısında pes etmişlerdi. Fakat; akışa müdahele etmeden ölçüm yapılmasını sağlayan teknolojiye şükretmek gerekir, ki artık çok yakın bir geçmişe kadar ölçülmesi mümkün olmayan yerel ayrıntılar belirlenebilmektedir. Birçok durumda, bu türden ayrıntılar, henüz sayısal benzeşim i ilde edilememektedir. Akışın gözlenmesi için kullanılan geleneksel me-todlar, örneğin modelin yüzeyine yün tomarlarının yapıştırılması gibi, yerlerini, akışa müdahale etmeyen yeni ölçüm tekniklerine bırakmışlardır.

Burada akışın daha iyi anlaşılmasına katkıda bulunan yeni metod-lardan bazıları anlatılacaktır. Bu metodların faydaları, Akışkanlar Dinamiği Laboratuarı 'ndaki son çalışmalar örnek gösterilerek açıklanacaktırİlk kullanıcılar arasında

Akışkanlar mekaniği Sulzer ürünlerinin ve Sulzer'deki işlemlerin ana parçasını   oluşturmaktadır.   Dolayısr''a, bu makalede anlatılanlar çok önceden   bilinen   konulardır. Sulzer Innotec, akışa müdahele etmeyen ölçüm teknikleri konusunda yirmi yıllık bir tecrübeye sahiptir. Sulzer bu teknikleri kullanan ilk endüstriyel kuruluşlardan bir tanesidir ve bu tekniklerin kullanımı, artık deneylerin bir çoğunda düzenli olarak devam etmektedir. Birçok deneyde, damlacıklı veya parçacıklı iki fazlı akış üzerinde çalışılmaktadır.

Modern deney metodlarında, akışa müdahele etmeden veri toplamak mümkündür. Bunun için ortamın içinden elektromanyetik ya da ses dalgalan iletilmektedir. Bu dalgalar, ortam boyunca kanallarını de-' irmekte ve değişikler akışın liklerinin belirlenmesini sağlamaktadır. Verici ve alıcı, ortamın içine ya da dışına yerleştirilebilir. Birçok tıbbi ve endüstriyel uygulamada, verici ve iletici akış ortamının dışına yerleştirilir. Böylece, akış probdan dolayı rahatsız olmaz.

Akış görünebilir

Akışa müdahele etmeyen ölçüm metodlarının en basit örneği, özel boyalar, çok küçük parçacıklar ve hatta habbeler ve damlacıklar ekleyerek akışın görünür hale getirilmesidir. İzlenilen parçacıkların boyutları, akışı rahatsız etmeyecek kadar küçüktür. Bu parçacıklar, stroboskop veya laser ışınları gibi özel sistemlerle görünür hale getirilebilirler. Şekil l'de bir buhar kazanındaki veya ısı değiştirgecin-deki boruların etrafındaki su akışının boya ile görünür hale getirilmesi gösterilmiştir. Boru demetinin titreşimlerinin, akışın ayak tarafındaki eddilerle yönlendirilidiği görülmektedir. Vortekslerden kaynaklanan titreşimin frekansı, boruların ya da kapların doğal frekansına eşit olduğunda, mekanik ve akustik rezonans oluşacaktır.

Bu durumda boru demeti, dolayısıyla, ısı değiştirgeci zarar görebilir, bu türden akış kaynaklı titreşimlerin temel fiziksel ilkeleri ABB ile ortaklaşa yapılan bir araştırma projesinde elde edilmiştir. Boru demetlerinin dizaynı için geliştirilmiş bir kılavuz hazırlamak amacıyla, çeşitli geometriler ve çalışma şartları (Reynolds ve Strouhal sayıları) incelenmiştir. Bu proseslerin anlaşılmasında temel katkı akış görüntü-lemesinindir. Parçacıklar akışı açığa vururlar Lazer ve görüntü işlemi (image prosessing) sistemleri, akış hakkında ayrıntılı bir bilgi edinmek üzere, akış örneklerinin parçacık görüntü hız ölçeri (partide image ve-locimetry, PIV) ile nicel bir analiz yapılmasını mümkün kılmaktadır. Bu metotda, görünebilir dalga boyundaki güçlü bir lazer, ışık kaynağı olarak kullanılmaktadır. Bu kaynağın, şiddetli, yoğun ışını ince bir ışık düzlemi üzerinde özel optik metodlarla genişletilmekte; çok küçük izleyici parçacılar akış ortamına ilave edilmektedirler. Bu parçacıklar, ancak parlak lazer düzleminde olduklarında görünür olurlar. Parçacıklar akışı mükemmel şekilde izleyecek ve çok kolay görünebilecek maddelerden seçilmelidirler. Sudaki ölçümler için tipik parçacıklar 5-50 p.m çapların-daki polistrenlerdir. Gazlardaki ölçümler için daha küçük çaptaki (1-2 \.m) parçacıklar kullanılır. İzleyici parçacıkların yörüngesini gösteren   fotoğraflar   çekilir   ve   lazer kullanılarak, hız alanının hesaplanabileceği yörüngeler elde edilir. İncelenecek akış pencerelerle ve saydam elemanlarla optik açıdan ulaşılabilir hale getirilmelidir. Akışın gözlemlenebilmesi amacıyla, model bir pompada, çark kasası ve dağıtıcı kanatlardan birkaç tanesi Pleksiglasdan yapılmıştır (Şekil 2). Bu model pompanın dağıtıcısındaki parçacık yörüngelerini kaydetmek ve analizini yapmak amacıyla Sulzer tarafından geliştirilen bir sistem kullanılmıştır. Görüntülerin analizi, dönen çarkın sebep olduğu zamana bağlı akışla ilgili çok ayrıntılı bilgilere ulaşılmasını sağladı. Bu özel PIV sisteminin üstünlüğü, ölçüm parametrelerinin özel ölçme şartlarına basit ve hızlı adaptasyonunda yatmaktadır. Bu adaptasyon Sulzer Topluluğu'ndaki çalışmalar açısından çok önemlidir. Şekil 3'de gösterilen sonuçlar çarktaki akışın daha iyi anlaşılmasına ve pompaların sayısal benzeşimlerinin iyileştirilmesine katkıda bulunmuştur. Ölçümler Sulzer Roteq ve Sulzer Hydro'yu kapsayan bir topluluk içi araştırma projesinin parçası olarak alınmıştır.

Taahhüt hizmeti olarak akış ölçümü

Yeni   şartlara   ayak uydurmaktaki çabukluk ölçme işini firma dışına taşımıştır. Örneğin, bir Formula 1 yarış arabasının ön kanadı ve ön tekerlekleri üzerindeki akış, bir rüzgar tünelinin içinde ölçülmüştür (Şekil 4). Bu ölçümlerde, hafif içi boş küreler şeklinde olan daha büyük parçacıklar kullanılmıştır. Kürelerin çapları 20 |im, yoğunlukları 0.13 g/cm"dür. Sonuçlar, yarış arabasının ön kısmının etrafındaki ayrılmayı vermektedirler.

Lazer doppler anenometresi Parçacık görüntüsünün hızının ölçülmesi, akış hakkında, görüntü düzleminde çok ayrıntılı bilgi verir; fakat, zamana bağlı bir akışın, kararlılık zamanı, görüntüleme tekniğinde, yaklaşık 1/ms ile sınırlandırılmıştır. Lazer Doppler Anenometresi (LDA) iki lazer ışınının kesişi-minde çok küçük bir ölçme hacimi kullanarak, tek bir ölçme noktasında, muhtemelen 0.001 ms'lik bir zaman aralığında, hıza ait çok hassas bilgiler verir. Ölçme hacmi yaklaşık olarak 0.2 mm. çapa ve 0.8 mm. uzunluğu sahiptir. Bu ölçme tekniğinde bitişik lazer ışınlarına ihtiyaç vardır. Hareket eden bir parçacıktan saçılan ışığın frekans değişimi (Doppler Etkisi) ölçülebilir. Bu frekans değişimi birkaç megaherz mertebesindedir (ışığın frekansının yalnızca binde biri). Ölçme hacminde, bitişik iki lazer ışınının kesişmesi ile yalnızca düşük olan Lazer Doppler  frekansı   ölçülür.       uçta elde edilen hız değerleri gerçeğe çok yakındır. Farklı renklerdeki iki veya üç çift lazer ışını ile iki veya üç hız bileşenini ölçmek mümkündür. Ölçümlerin istatistiki değerlendirmesi ile, türbülans yoğunluğu, Reynolds gerilmeleri veya karakteristik türbülans zamanı ölçümleri gibi, ayrıntılı türbülans değerleri de bulunabilir. LDA ölçümlerinin hassaslığı, ölçümlerin planlanması ve alınması aşamasındaki tüm optik olaylara bağlıdır. Bu olaylar, parçacıların kendileri ile, pencerelerin kalitesi ile, probun test edilen nesnedeki konumu ile ilgilidir. Turbo makinalarda ölçüm yapılırken, çok fazla hassasiyet istendiğinden, ancak yüksek ite-deki pencereler kullanılır. Şekil 5'de, prob konumunun ayarlama hassasiyeti (yani ölçüm hacmi) 1/1000 mm.'den daha hassas iken, kullanılan pencerenin yüzey pürüzlülüğü ışığın dalga boyunun yalnızca 1/10'udur (yeşil ışığın dalga boyu 0.514 (im).Bir pompa-türbin test standındaki ölçümler Şekil 5'de bir Sulzer Hidro pompa türbininin kılavuz kanatçıkların-daki ölçümleri sağlayan pencereli bir pompa türbin test standının bir parçası görülmektedir, (a) diyagramı belli bir noktadaki hız bileşenlerinin zamana göre değişimini  vermektedir. Her nokta tek bir parçacığın hızını göstermektedir. Burada 2000 civarında hız ölçümü çizilmiştir. Peryodik hız salınımla-rının sebebi, dönen akışın ayrılmasıdır. Bu, kısmi yükte çalışan tür-bo makinalarda sık rastlanan bir olaydır. Hız bileşeninin güç spekt-rumu (b) akış ayrılmasının 1.9 Hz frekansındaki dönme hızını vermektedir. Bu hız normal dönme hızının %15'ine eşittir. Bir pompa-türbinin mümkün olan işletme aralığı, düşük kısmı yük bölümümde-ki ayrılmalarla sınırlandırılmıştır. Geçici rejimde gelişen bir çok olaya benzer şekilde, dönen akışın ayrılması sayısal olarak hala analiz edilememekte; fakat deneysel olarak incelenebilmektedir.

Parçacık hızının ve büyüklüğünün ölçülmesi

Faz doppler anenometresi (Phase Doppler Anenometry, PDA) lazer doppler anenometresinin gelişmiş bir şeklidir. Hareket halindeki bir parçacıktan saçılan ışık, parçacığın yalnızca  hızı   ile   ilgili  değil,  büyüklüğü ile ilgili bilgiyi de verir. Eğer ölçüm hacmi, iki farklı yönden fotodetektörlerle gözlenirse ve içinden bir parçacık geçerse, iki sinyal arasında bir faz farkı meydana gelir. Bu faz değişimi parçacığın büyüklüğü ile orantılıdır. Tipik bir faz doppler anenometresi üç dört tane fotodetektör taşır. Bu teknikle, genellikle gazların, sıvıların ve spreylerin karışım prosesleri incelenir. Şekil 6, havanın jete çapraz olarak aktığı bir su huzmesinde PDA kullanımını göstermektedir. Burada, ölçüm hacmi iki mavi, iki yeşil ışından meydana gelmiştir. Bu çalışmaların amacı, suyu çapraz akışta olabildiğince üniform dağıtabilecek lüle geometrisinin dizayn edilmesidir. Bunun için havadaki damla büyüklüğü, damla hızı ve damla yoğunluğu ölçülmelidir. Ölçümlerden elde edilen sonuçlar, iki fazlı akışın sayısal benzeşiminde giriş değerleri olarak kullanılmıştır. Bu çalışmalar, yüksek basınçlı buhar vanalarının dizaynlarının geliştirilmesini amaçlayan    araştırma    projelerinin bir parçası olarak yapılmaktadır. Ses ötesi doppler anenometresi

Yukarıda açıklanan metodların kullanılmasının ön amacı akış ortamına "şöyle bir göz atmak"tır. Ne var ki, tıbbi ve endüstriyel alanlarda, kan ve kağıt süspansiyonu gibi birçok akış opak bir ortamda meydana gelir. Ses ötesi doppler anenometresi (Ultrasound Doppler Anenometry, USDA), şeffaf olmayan birçok yüzeyi geçerek, parçacıkların saçtığı ses dalgalarının doppler frekansındaki des:"imini ölçebilir. Ses dalgalarının f nsa-ları düşük olduğundan (1.8 MHz), doppler etkisi doğrudan doğruya ölçülebilir. Ses dalgasına sahip tek bir vericinin olması yeterlidir. Ses ötesi dalga, aralıklarla yayılır ve yankısı parçacığın hızı ve alıcıdan ya da vericiden olan uzaklığı hakkında bilgi verir. Ölçme hızı mertebesi, ses frekansının seçimine bağlıdır. Atma tekrarı frekansı, yankının maksimum gecikme zamanını ya da maksimum nüfuz deatma tekrarı frekansı, hem de ses ötesi frekans dikkatle belirlenmelidir. USDA kağıt suspansiyonların-daki akışı ölçebilecek yegane tekniktir. İlk ölçümler, Voith Sulzer Kağıt Teknolojisi ile işbirliği içerisinde bir kağıt ayırma makinesinde yapılmıştır. Ölçülen sonuçlar makinanın içindeki atmalı akışı vermektedir (Şekil 7). Akış yönünü bir çevrim içerisinde değiştirmekte; bu da ayırma makinasının kendi kendisini temizlemesini garanti etmektedir. Yani filtrelerin tıkanması diye bir problem olmamaktadır.

İnsan vücudundaki ölçümler

Kalp kapakçıkları gibi kardiyovas-küler sistemler, artık en gelişmiş teknoloji kullanılarak incelenmektedir. Eskiden, insan vücudu içerisindeki bölgesel akışı ölçebilecek bir alet olmadığı için, kan akış inölçüm teknikleri ve USDA kullanılarak, model devreler (yani cansız modeller) üzerinde yapılmasına alışılmıştır. Fakat; canlının (insan vücudunun) içinde yapılacak olan ölçümler çok önemlidir. Çünkü; ancak bu şekilde yapay bir kalp kapakçığının kan akışı üzerindeki etkisi görülebilir. Kan hücreleri akışın sebep olduğu yüksek gerilmelerden zarar görebilir ve akışın olmadığı durma bölgeleri trombozu arttırabilir. Bu prosesleri daha iyi anlayabilmek için akışın canlılar üzerinde rezonans görüntüleme Resonance Imaging, ölçüldüğü     bir sistemiyle uluslararası proje gerçekleştirilmiştir. Tıbbi tedavilerde MRI, doku çalışmaları için kullanılmaktadır. Hasta çok güçlü bir manyetik alana sokulmaktadır. Bu alanda hidrojen atomlarının manyetik etkileri kısa süreli atmalarla sağlanmaktadır. Yapay olarak meydana getirilmiş olan bu manyetik şartların yok olması dokunun cinsine bağlı olarak ölçülebilir. Böylece, bu ölçümler tıp doktoru tarafından değerlendirilebilir.

Manyetik alanın ve alıcıların kontrolü ile vücud içerisindeki çeşitli kısımların görüntüleri alınabilir. Kanda olduğu gibi, hidroje omlarının akışı sırasında, akışın hızına bağlı olarak, manyetik şartlar farklı bir noktada ortadan kalkar. Bu nokta alıcı cihaz tarafından belirlenerek değerlendirilebilir. İlk adımda cansızlar üzerinde alınan MRI ölçümleri LDA ölçümleri ile karşılaştırma yapılmasında kullanılmıştır. İkinci bir adım da, akış hızları sağlıklı ve yapay kalp ka-pakçıklı iki kişi üzerinde MRI tekniği ile alınmıştır (Şekil 8). Bu ölçümler Zürih'deki İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü (ETH) tarafından ve dolaşım protezlerindeki tromboz riskinin belirlenmesi amacıyla alınmıştır

 

Yazan: Klaus Eisele

Katkıda Bulunanlar: Zhengji Zhang, Felix Hirt, Abdullah Öngören

Çeviren: Yrd.Doç.Dr. Seyhan Uygur ONBAŞIOĞLU


Etiketler