Effect Of Surface Roughness On The Turbulent Boundary Layer Due To Marine Coatings

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2012Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2012Duvar cidarında oluşan türbülanslı akışlar birçok mühendislik probleminde yüzey pürüzlülüğü etkisi altındadırlar ve dolayısıyla pürüzlü duvar üzerindeki türbülanslı sınır tabaka akışları üzerinde yaygınca çalışılan bir konu olmuştur. Bu tür akışlar üzerindeki çalışmalar her ne kadar oldukça yol almış olsalar da, literatürde hala tam olarak netlik kazanmamış önemli problemler bulunmaktadır. Öte yandan, özellikle IMO’nun regülasyonları sonucunda, günümüzde gemi dip boyaları ile ilgili araştırma ve geliştirme çalışmalarına, özellikle bu tür yüzeylerin hidrodinamik karakteristiklerini anlamak açısından, ticari ilgi ve destek giderek artmaktadır. Bu tez çalışması, farklı tiplerdeki gemi dip boyaları üzerinde gelişen türbülanslı sınır tabaka akışları ile ilgili bilgilerin geliştirilmesini ve böylesi akışların özelliklerinin daha iyi anlaşılmasını sağlamayı amaçlamaktadır. Yürütülen iki ayrı deneysel çalışmada düz levha üzerinde gelişen ve basınç gradyanı etkisinde olmayan türbülanslı sınır tabaka içerisinde iki boyutlu lazer dopler hız ölçücü (LDV) kullanılarak hız ölçümleri yapılmıştır. İngiltere Newcastle Üniversitesi bünyesindeki Emerson Kavitasyon Tüneli’nde yürütülen deneylerde çeşitli gemi dip boyaları ile kaplanmış yüzeyler ile tamamen pürüzsüz ve yüksek pürüzlülüğe sahip referans yüzeyler test edilmiştir. Deney grupları için, ortalama akış özellikleri, sürtünme direnci, Reynolds gerilmeleri, yüksek mertebeden türbülans istatistikleri, uzaysal korelasyon fonksiyonları, türbülans spektrumları ve transfer fonksiyonları hesaplanarak sunulmuş ve yüzey pürüzlülüğünün söz konusu değişkenler üzerine etkileri incelenmiş ve sonuçlar literatür ile karşılaştırmalar yapılarak irdelenmiştir. Sınır tabaka deneylerini tamamlayıcı olarak, test edilen tüm yüzeylerin detaylı pürüzlülük analizleri de çalışmada sunulmuştur. Önerilen transfer fonksiyonlarının, günümüzde yüzey pürüzlülüğü etkisinin modellenmesi konusunda literatürde kullanılan klasik yaklaşımların mevcut açıklarını kapatarak önemli bir alternatif yöntem oluşturacağı düşünülmektedir.Most of the engineering wall-bounded turbulent flows develop under the influence of surface roughness and therefore the turbulent boundary layer over rough surfaces has been a widely studied research topic. Although the research on such flows has gone a long way, there still exist unresolved major problems. On the other hand, mainly as a consequence of the IMO regulations, there is a continually growing commercial interest and hence support for R&D activities for marine antifouling coatings with particular interest to their hydrodynamic characteristics. This study aims to make a contribution to the advancement and further understanding of the rough-wall turbulent boundary layer flows developing over marine antifouling coatings. Two separate experimental campaigns were conducted consisting of zero-pressure-gradient flat plate turbulent boundary layer experiments over surfaces coated with various types of marine antifoulings together with smooth and rough references by using two-dimensional Laser Doppler Velocimetry. The experiments were conducted in the Emerson Cavitation Tunnel of Newcastle University. The mean flow parameters, friction drag, Reynolds stresses, higher order turbulence statistics, spatial correlation functions, turbulence spectra and transfer functions were presented and discussed for the tested surfaces. In complementing the boundary layer tests, detailed surface roughness analyses were also included in the study. It is thought that this study forms a fundamental step in investigating the roughness effects on the turbulent boundary layer by modelling its effect via transfer functions which constitute an alternative to the classical modelling of roughness effects as well as eliminating the deficiencies in the present models.DoktoraPh