Eksenel Jet Fan ve Radyal Jet Fan Akış Karakteristiklerinin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) Yardımıyla Karşılaştırılması

Yazan: Bahuz Can Osso, BVN Duman Kontrol Bölümü Ar&Ge Şefi, c.osso@bahcivanmotor.com.tr

1. Özet

Bu çalışmada, eksenel ve radyal jet fanların akış karakteristikleri CFD metodu yardımıyla karşılaştırılmıştır. Çalışma yürütülürken ticari ve akademik çalışmalarda kullanılan ve bir CFD çözücüsü olan ANSYS-CFX yazılımından yararlanılmıştır. Jet fanlar, uçları açık, yan yüzeyleri, taban ve tavanı duvar olan bir oda içerisinde modellenmiştir. Zamana bağlı olarak koşturulan bu analizlerin sonuçları alınırken oda içerisindeki hız alanları gösterilmiş olup oda tavanı ve tavanı arasındaki yüzey sürtünmeleri hesaplanarak jet fan atış mesafeleri yorumlanmıştır. Çıkan sonuçlara göre eksenel jet fanların atış mesafelerinin daha yüksek olduğu ve radyal jet fanların daha fazla kütleyi taşıdığı elde edilmiştir.

2. Giriş

Özellikle İstanbul bölgesinde olmak üzere artan nüfus yoğunluğu ve konut sayısına karşılık kapalı otoparklar elzem hale gelmiştir. Son yıllarda bu artış daha ciddi mertebelere ulaşarak, park yerleri sayılarının artırılmasıyla otopark alanlarının daha efektif kullanılması gündeme gelmiştir. Bu noktada otopark kat yükseklikleri bir hayli azalmış ve iç havalandırmayı sağlayan jet fanların yükseklikleri, mimari yükseklik sınırlarını zorlamaya başlamıştır. Bu vesileyle radyal jet fan kullanımı, yatırımcılara daha cazip gelmeye başlamıştır.

Radyal ve eksenel jet fanların tasarımında göze çarpan ve performansı etkileyecek iki önemli parametre söz konusudur. Bunlardan birincisi çark tipi, ikincisi ise atış geometrisidir. Çark tipleri adlarından da anlaşılacağı gibi sırasıyla, “radyal” ve “eksenel” tiptedir. Atış geometrileri ise sırasıyla, “dörtgensel” ve “dairesel” kesitlidir. Dörtgensel geometriye sahip jet çıkışları literatürde asimetrik jetler olarak adlandırılırken dairesel formdaki jetler simetrik jetler olarak adlandırılmaktadır.

Şekil 1’de sırasıyla radyal, karışık akışlı ve eksenel turbomakinaların debi-basınç noktaları tek bir grafikte genelleştirilmiştir. Buna göre aynı debideki radyal ve eksenel makinalardan aynı basınç oranını elde edebilmek için eksenel makinadaki çıkış hızının daha yüksek olması gerekmektedir [4]. Bu vesileyle aynı debilere sahip iki makinada momentumun korunumu prensibini de baz alarak eksenel jet fanlarda daha yüksek atış mesafeleri elde ederiz kanısına varırız.

Şekil 1. Çark tipine göre turbomakinaların boyutsuz sayılarla gösterimi [1]

Asimetrik jetler simetrik jetlere göre Şekil 2’de de gösterildiği gibi daha kararsız bir akış alanına sahiptir. Simetrik jetlerde ise mesafe arttıkça jet genişliği çok değişmediği için asimetrik jetler daha çok alana tesir edebilmektedir. Ancak tesir edilen bu alanın bizi yanıltmaması gerekmektedir. Bu alanda süregelen kaotik akışı toparlamak için ek önlemler almak gerekmektedir.

Şekil 2. Simetrik (solda) ve asimetrik (sağda) jet akış alanları [3]

Asimetrik jetlerin simetrik jetlere göre jet çıkışından uzaklaştıkça daha kararsız bir akış oluşturmasının nedeni çıkış kesitleriyle alakalıdır. Asimetrik jetlerin çıkış kesitinin köşelerinde Şekil 3’te görüldüğü gibi ikincil akışlar meydana geldiği için uzak mesafelerde akış daha kaotiktir.

Şekil 3. Asimetrik jet çıkışında oluşan ikincil akışlar [2]

3. Sayısal Model

3.1. Jet Fan Özellikleri

İki senaryonun oda içi akışları arasındaki farkı daha iyi irdeleyebilmek için çıkış debisi ve itkisi aynı olacak şekilde jet fanlar kullanılmıştır. Buna göre jet fan özellikleri aşağıdaki gibidir;

Şekil 4. CFD analizinde kullanılan jet fanların özellikleri

3.2. Hesaplama Uzayı ve Grid Yapısı

CFD analizinde kullanılan jet fanlar 10 m genişliğinde, 42 m uzunluğunda ve 2,55 m yüksekliğinde bir oda içerisinde çalıştırılmıştır. Oda geometrisi maksimum 300 mm’lik, jet fan geometrileri ise maksimum 50 mm’lik gridlere bölünmüştür. Radyal jet fanın bulunduğu hesaplama uzayının toplam eleman sayısı 583 bin 219 iken eksenel jet fanın bulunduğu hesaplama uzayınınki 492 bin 985’tir. İki model arasındaki bu farkın nedeni, radyal jet fan çıkış kesiti daha küçük olduğu ve bu bölgeye eleman yığma gereksinimindendir. Modellerde sınır tabaka akışını modelleyerek oda duvarlarındaki yüzey gerilmelerini daha iyi hesaplamak ve iki jet fanın akış karakteristiği arasındaki farkı daha iyi irdelemek amaçlanmıştır. Bu vesileyle duvara yakın bölgelerde atılan ilk gridin duvardan yüksekliği 1 mm’dir.

Şekil 5. Grid yapısı

3.3. Sayısal Algoritma

3 boyutlu olarak oluşturulan bu modelde akış zamana bağlı, sıkıştırılamaz ve türbülanslıdır. Türbülans modeli olarak LES-Smagorinsky modeli kullanılmış olup büyük ölçekli eddy’leri daha iyi modelleyebilmek için Smagorinsky katsayısı 0,01 olarak seçilmiştir. CFD programı olarak cell-centered sonlu hacimler çözücüsü olan ANSYS-CFX modülü kullanılmıştır. Akışkan olarak 25 ^˚C’de hava kullanılmıştır. Problemin çözümünde kullanılan süreklilik ve momentum denklemleri, yüksek dereceli denklemler olarak ayrıklaştırılmış olup problemimiz sıkıştırılamaz akış olduğu için enerji denkleminin çözülmesine gerek görülmemiştir.

3.4. Sınır Koşulları

Analiz modelinin dört tarafı duvarla çevrili olup akış yönündeki yüzeyler atmosfere açık (opening) olarak tanımlanmıştır. Radyal ve eksenel jet fan modelleri “subdomain (gömülü uzay)” olarak tanımlanmış olup her birine 50 N itki değerleri girilmiştir. Yalnızca eksenel fan modelinde deflektör açısını tanımlamak için momentum değerleri 12^˚’ye uygun olarak ayarlanmıştır. Duvar sürtünmelerinin daha iyi modellenebilmesi için duvarlara 1 cm yüksekliğinde pürüz tanımlanmıştır.

Şekil 6. Sınır şartları

4. Sonuçlar

Bu bölümde iki modelin sonuçları, akış alanlarının ve yüzey sürtünmelerinin gösterimiyle atış mesafelerinin tayini görselleştirilecek ve yorumlanacaktır.

Şekil 7. Radyal jet fan akış alanı

Üst resim üstten alt resim karşıdan görünüm (Deneysel sonuç için Şekil 2’ye tekrar göz atınız.)

Şekil 8. Eksenel jet fan akış alanı – Üst resim üstten alt resim karşıdan görünüm (Deneysel sonuç için Şekil 2’ye tekrar göz atınız.)

Zamana bağlı akış analizlerince elde edilen bu sonuçlara göre, eksenel jet fanın daha yüksek atış mesafeleri elde ettiği gözlemlenmektedir. Görselleştirilen hız değerleri 3 eksenin bileşke hızıdır. Bu durum, 2. bölümde 3. paragrafın son cümlesindeki görüşü destekler niteliktedir. Ayrıca jet merkezinden ileri mesafelerde deneysel sonuçlardaki bulgularda olduğu gibi, radyal jet fanın akış alanının bozulduğu görülmektedir. Bu durumun nedenini Şekil 9 ve 10’da görüldüğü gibi duvar kayma gerilmelerini görselleştirerek açıklayabiliriz.

Şekil 9. Radyal jet fan kayma gerilmeleri, sürtünme kuvvetleri ve taşınan toplam hacimsel debi – Üst resim döşemedeki, alt resimse tavandaki kayma gerilmeleridir.

Şekil 10. Eksenel jet fan kayma gerilmeleri, sürtünme kuvvetleri ve taşınan toplam hacimsel debi – Üst resim döşemedeki, alt resimse tavandaki kayma gerilmeleridir.

Şekil 9 ve 10’u değerlendirecek olursak radyal jet fanın döşeme sürtünmelerinden dolayı, eksenel jet fanın ise tavan sürtünmelerinden dolayı kayıplar daha fazladır. Radyal ve eksenel jet fanın toplam yüzey sürtünmeleri sırasıyla 10,6587 ve 13,7306 N’dur. Bu vesileyle her iki jet fandan kullanılabilecek efektif itki değerleri sırasıyla 39,3413 ve 36,2694 N’dur. Bu değerler, taşınan toplam kütlesel debilere bölünürse sırasıyla 1,17 ve 1,19 m/s² değerleri elde edilir. Ayrıca radyal jet fan kendi debisinin 15,5 katı kadar eksenel jet fan ise kendi debisinin 14,1 katı kadar hava taşıyabilmektedir. Çıkan bu sonuç radyal jet fanın niçin daha az mesafelere havayı taşıdığını kanıtlar niteliktedir. Taşınacak akışkanın hava dışında CO, kurum vb. zehirli gazlar olması durumunda viskoziteden dolayı yüzey sürtünmeleri daha fazla olacağı için bu fark artacaktır.

5. Değerlendirme

Radyal ve eksenel jet fanların akış alanlarının CFD metoduyla incelendiği bu çalışmada sonuçlar, literatürdeki teorik ve deneysel bulgularla da desteklenmiştir. Buna göre radyal jet fan eksenel jet fana göre daha fazla hava kütlesi taşıyabilirken oluşan yüzey gerilmelerinden ve efektif itki değerlerinden dolayı radyal jet fanların atış mesafelerinin daha düşük olduğu ve jet merkezinden uzaklaştıkça radyal jet fan akış alanının kaotik olduğu bulgusu elde edilmiştir.

Duman konrol sistemleri sadece zehirli gazların tahliyesini amaçlamamakta ayrıca taşınan zehirli gazların ne kadar sürede tahliye edildiğiyle ve kontrol bölgelerinde (zone) ne kadar başarımda tutulabildiğiyle de ilgilenmektedir. Bu aşamada radyal jet fanlar ileri mesafelerde daha kaotik akışa sahip olduğu için daha sık jet fan dizilimine ve çapraz jet fan dizilimine ihtiyaç duymaktadır. Bu bağlamda radyal jet fanlarla oluşturulmak istenen efektif bir sistem eksenel jet fanlara nazaran daha yüksek ilk yatırım ve işletme maliyetlerine sahip olacaktır.

6. Kaynakça

[1] R. I. Lewis, “Turbomachinery Performance Analysis”, Elsevier Science & Technology Books, 1996.

[2] H. Schlichting, “Boundary Layer Theory”, McGraw-Hill, 1979.

[3] K.B.M.Q. Zaman, “Spreading Characteristics of Compressible Jets from Nozzles of Various Geometries”, Journal of Fluid Mechanics, 1999.

[4] G. Giri, A. Nassar, L. Moroz , I. V Klimov, A. Sherbina  “Design and Analysis of a High Pressure Ratio Mixed Flow Compressor Stage”, American Institute of Aeronautics and Astronautics.