Son güncelleme: 22.08.2023
Üzerinde yaşadığımız gezegeni detaylı bir şekilde bakıldığında her şeyin aslında bir şekilde bir akışkan ile etkileşim halinde olduğu görülür. Kafamızı kaldırıp gökyüzünü izlediğimizde veya ırmakların, derelerin akışını izlediğimizde akışın bazen oldukça düzgün bazen ise oldukça kaotik(karmaşık) rastgele gerçekleştiğini gözlemleriz. Türbülanslı akışkan akışı, klasik fizikteki en zor ve temel problemlerden bazılarını ortaya çıkaran karmaşık, doğrusal olmayan çok ölçekli bir olgudur. Aynı zamanda nükleer reaktörlerdeki ısı transferi, petrol boru hatlarındaki sürüklenme, hava durumu ve atmosferin ve okyanusların dolaşımı hakkında tahminlerde bulunmada muazzam öneme sahiptir.
İngiliz bilim adamı Osborne Reynolds cam borularda akışkan hareketlerini anlamak için boyalar kullanarak yapmış olduğu deneysel çalışmalarda akış hızının küçük değerlerdeyken boyada oluşan desenin düz ve pürüzsüz çizgi halinde aktığını akış hızının artırıldığı sırada boya deseninde titreşimlerin oluştuğunu, akış hızının daha da artırıldığı durumda büyük çalkantıların ve karmaşık desenlerin oluştuğunu tespit etmiştir.
Akışkanların akım çizgilerinin birbirlerine paralel olduğu durum laminer akış olarak adlandırılır.
Yukarıdaki testi Osborne Reynolds farklı viskozitedeki akışkanlarla yenileyerek akışın laminerden türbülanslı akışa geçmesinin atalet kuvvetlerin viskoz kuvvetlere oranına bağlı olduğunu tespit etmiştir. Bu oran boyutsuz bir büyüklük olmakta reynold sayısı olarak adlandırılmaktadır. Düşük reynolds sayılarında atalet kuvvetleri viskoz kuvvetlere göre oldukça düşükse akış laminerdir.
Yukarıdaki denklemde Uo=Ortalama akış hızı,D geometrinin karakteristlik uzunluğu (borunun çapı),p akışkanın yoğunluğu, u akışkanın dinamik viskozitesi, v ise akışkanın kinematik viskozitesidir. Dairesel bir boruda akışın laminerden türbülanslıya geçtiği reynold sayısı 2300 olarak kabul edilmektedir.
Türbülanslı akışta oluşan dönen girdaplar kütle, momentum ve enerjisi akışın diğer bölgelerine moleküler difüzyondan kat kat hızlı bir şekilde taşıyabilirler. Türbülanslı akışta kütle,momentum ve ısı geçişleri artar. Düzensiz akış titreşimlere ve gürültüye sebep olabilir.
Türbülanslı akışta, akış parçacıklarının kısa mesefede her yönde hareketinden dolayı, hareketlerinin izlenmesi matematiksel olarak ifade edilmesi (denklemlere dönüştürülmesi mümkün değildir. Akışkan parçacıklarının tümünün ortalama hareketleri dikkate alınarak akış olayın ifade edilebileceği matematiksel denklemler oluşturulabilir.
Türbülansı daha doğru anlamak farklı ölçeklerde incelenmektedir.
Bu blog yazımızda türbülansın ne olduğu ve biz mühendisler için ne kadar önemli bir bilinmeyen olduğu incelenmeye çalışılmıştır. CFD simülasyonlarıyla uğraşırken mühendislik akışları çoğunlukla çalkantılı nitelikte olduğundan, çoğu zaman türbülanslı akışları çözmemiz gerekir. Türbülans modellemesi, CFD modellemesinin en önemli yönlerinden birini oluşturur ve türbülansı doğru modellemek, doğru ve güvenilir CFD sonuçları elde etmede anahtardır.
Daha sonraki blog yazılarımızda CFD programlarında türbülansı hesaplamak için kullanılan türbülans modelleri derinlemesine incelenecektir. Daha detaylı bilgi için bizimle iletişime geçebilirsiniz.
