Serbest yüzey ve bir küre art izi arasındaki etkileşimlerin araştırılması

Abstract

Bu çalışma, küre çapına göre tarif edilen Reynolds sayısının 2,5x103 ve 1x104 aralığında farklı daldırma yükseklikleri için açık bir su kanalında serbest su yüzeyi ve kürenin art izi bölgesi arasındaki akış yapısı etkileşimini sunmaktadır. Anlık ve zaman ortalaması alınmış hız alanı, akım çizgisi topolojisi, girdaplar ve hız konturları gibi akış modellerini göstermek için Parçacık Görüntülemeli Hız ölçme (PIV) ve boya görselleştirme teknikleri uygulanmıştır. Küre, serbest yüzeye kısmen daldırılma konumundan serbest yüzeyden iki küre çapı kadar aşağı doğru çeşitli daldırma konumlarına 0,25? h/D ?3,0 aralığında sabitlenmiştir. Daldırma oranı, küre alt kolunun serbest yüzey ile olan mesafesinin küre çapına oranı olarak tanımlanmıştır. Kürenin yerleştirildiği konumlara bağlı olarak, art izi bölgesinin özellikleri üç farklı akış olayı sergilemiştir. Bunlar; daldırma oranı 0,25? h/D ?1,0 aralığı için üniform akış bölgesi ve serbest yüzey arasındaki kısıtlı bir art izi bölgesi, daldırma oranı 1,25? h/D ?2,0 aralığı için serbest yüzey etkisinden dolayı simetrik olmayan akış modelleri ve daldırma oranı 2,5? h/D ?3,0 aralığı için simetrik akış yapıları olarak sınıflandırılmıştır. Akış fiziği açısından bahsedilen akış yapıları için daha detaylı sonuçlar karşılaştırılmalı olarak sunulmuş ve yorumlanmıştır.

This paper presents flow-structure interaction between a sphere wake and a free water surface for different submerged elevations in an open water channel for Reynolds numbers in the range of 2.5x103 ?Re?1x104 based on the diameter of the sphere. Particle Image Velocimetry (PIV) and dye visualization techniques were performed to demonstrate flow patterns such as instantaneous and time-averaged velocity field, streamline topology, vortices, velocity contours. The sphere was fixed at various submerged locations from the piercing the free surface case to the two sphere diameters beneath the free surface in the range of 0.25? h/D ?3.0. Here, submerged ratio was defined as ratio of bottom shoulder of the sphere from the free surface to the sphere diameter. Depending on the sphere locations, characteristics of wake region exhibit three different flow phenomena. These are classified as; a restricted wake region between the free-surface and uniform flow stream for the submerged ratios of 0.25? h/D ?1.0, unsymmetrical flow patterns due to the free surface effect for the submerged ratios of 1.25? h/D ?2.0 and symmetrical flow structures for the submerged ratios of 2.5? h/D ?3.0. More detailed results for the aforementioned flow structures from the point of flow physics were comparatively presented and interpreted.