Subsonic Wind Tunnel Design

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016Rüzgar tünelleri günümüzde birçok alanda kullanılmaktadır. Bu tezde rüzgar tünellerinin geçmiş tarihte nasıl olduğuna dair araştırmalar yapılmıştır. Rüzgar tüneli türleri ve komponentleri üzerine literatür araştırmaları yapılmış ve komponentlerin tasarlanırken nelere dikkat edilmesi gerektiği araştırılmıştır. EDS Mühendisleri tarafından tasarlanan ve inşa edilen EDS Atmosferik Sınır Tabaka Tüneli, bina aerodinamiği araştırmalarında kullanılmaktadır. Bu tez kapsamında, EDS Rüzgar Tüneli kullanılarak, test odasında daha yüksek hızlara çıkabilen rüzgar tünellerinin tasarlanması amaçlanmıştır. Bu rüzgar tünelleri tasarlanırken, EDS Rüzgar Tüneli’nin fanları ve daralma konisinin kullanılmasına karar verilmiştir. Rüzgar Tüneli konseptinin geçmişi 15. yüzyıla kadar uzanmaktadır. Leonarda Da Vinci’nin görecelik teorisine göre durgun havada hareket eden cisimle, hava akışına karşı duran cisim aynı etkilere maruz kalır. Leonardo Da Vinci aynı zamanda rüzgar hızını ölçen bir anemometre tasarlamıştır. Tasarladığı anemometrede asılı olan bir levha rüzgarın hızı ile hareket edebilmektedir. Levhanın ulaştığı en yüksek noktaya göre rüzgarın hızı/kuvveti ölçülebilmektedir. Rüzgar tünelinin temelleri bu şekilde atılmışken Avrupa ve İngiltere durgun havaya karşı cisimleri hareket ettiren dönen kol düzenekleri tasarlanmış ve araştırmalarda kullanılmıştır. Bu düzeneklerde temel olarak dönebilen bir şaft sistemine bağlı bir kola cisimler takılıp, bu şaft makaralı bir sistemle kendisine bağlı ağırlıklar ile hareket ettirilebilmekte, böylece kola bağlı olan cisim duran havada hareket kaabiliyeti kazanmış olmaktadır. Rüzgar Tünelinin ilk tasarımı ve başarılı testi 19. yüzyılda Francis Wenham tarafından yapılmış olup daha sonra başka bilim adamları tarafından geliştirilmiş ve aerodinamik alanlarınla kullanımı artmıştır. Wright kardeşler 40x40 cm’lik test odasına sahip bir rüzgar tünelini tasarlayıp araştırmalarında kullanmışlardır. Çalışmalarının sonucunda Wright kardeşler tarihteki ilk uçak ile uçuşu gerçekleştirmişlerdir. Üfleyen(blowing) ve açık çevrim(open-circuit) tipindeki bir rüzgar tüneli girişten çıkışına sırasıyla fan, dinlenme odası, daralma konisi, test odası ve difüzörden oluşur. Fandan çıkan türbülanslı akış dinlenme odası içerisindeki balpeteği ve ızgaralar ile az türbülanslı hale getirilir. Dinlenme odasında genellikle bir adet petekli yapı ve birden fazla ızgara bulunur. Akış daha sonra daralma konisinden geçerek hızlanır ve uniformlaşır. Daralma konilerinin daralma oranları genel olarak 4 ve 10 arasındadır. Daralma konisinden çıkan akış test odasına girer. Test odası girişindeki akışın uniformluğu önemlidir ve sağlanması gereken tasarım kriterleri vardır. Test odası girişindeki havanın hızındaki değişimler, ortalama hıza göre en fazla %0,3, hava akışının açısallığı ise en fazla 0.1° olmalıdır. Test odası içerisine ölçüm yapılacak cisim/prototipler yerleştirilir ve gözlemler ve ölçümler bu bölmede yapılır. Test odasından çıkan akış difüzöre yönlendirilir. Difüzörün tasarım amacı kinetik enerjiyi basınç enerjisine çevirmektir. Test odasından çıkan yüksek hızlı akış yavaşlatılarak bu bölmeden havaya bırakılır. Difüzör alan oranları genellikle 5:1 ve 6:1 civarında olup kabul edilebilir açılma açısı 5° ve 7° arasındadır. Yapılan ilk hesaplamalı akışkanlar dinamiği(CFD) çalışmalarında dinlenme odası bir adet petekli yapı ve bir adet ızgara olacak şekilde tasarlanmıştır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği programı içerisinde petekli yapı ve ızgara için kullanılacak girdiler EDS tarafından daha önce yapılan çalışmalardan alınmıştır. Rüzgar Tüneli girişindeki 6 adet fanın hızları, EDS tarafından daha önce yapılan fan akışkanlar dinamiği sonucundan alınmıştır ve eksenel, radyal ve teğetsel hız profilleri olarak programa girilmiştir. İlk tasarım olarak kullanılan TS-1 tasarımının test odası boyutları 1x2x2 m’den oluşmaktadır. EDS Rüzgar Tüneli’nin daralma konisinden sonra ikinci bir daralma konisi CAD çizim programı kullanılarak simetrik eğrilerle oluşturulmuştur. Bu geometri ile akışkanlar dinamiği için gereken mesh sayısı çalışması, türbülans modeli ve daralma konisi şekli çalışmaları gerçekleştirilmiş olup, karara varılmıştır. Mesh sayısı çalışmaları için 3.9 milyon mesh ile 5.3 milyon mesh karşılaştırılmış ve akışkanlar dinamiği sonuçlarında çok az farklılık olmasından dolayı 3.9 milyon mesh sayısının yeterli olduğu kararına varılmıştır. Aynı şekilde 3.9 milyon meshlik case, iki ayrı türbülans modeli(realizable k-ε ve SST k-ω) kullanılarak simule edilmiştir ve sonuçlar karşılaştırıldığında iki case arasında çok az farklılık olduğu görülmüştür. Türbülans modeli olarak realizable k-ε ile devam edilmeye karar verilmiştir. Basit eğri modeli daralma konisi, literatür araştırmalarında karşılaşılan diğer üç ayrı daralma konisi şekilleri ile birlikte karşılaştırılmıştır. Diğer koni şekilleri 3’üncü, 5’inci ve 7’inci dereceden polinom denkleminden oluşmaktadır. Daralma konileri karşılaştırılırken, seçme kriteri olarak, test odası girişindeki akışın kalitesi(akışın uniformluğu ve açısallığı) göz önünde bulundurulmuştur. Sonuçlar incelendiğinde, 4 ayrı daralma konisi şeklinden en iyi sonuçları 7’inci derecedeki polinom şeklinin verdiği sonucuna varılmıştır. Yine de test odası girişindeki akışın kalitesinin daha da arttırılması gerektiği düşünülmüştür ve bu amaçla dinlenme odasına ikinci bir ızgara konulmasına karar verilmiştir. TS-1, TS-2 ve TS-3 tasarımlarının difüzörsüz ve dinlenme odasına yerleştirilen ikinci bir ızgara ile hesaplamalı akışkanlar dinamiği simulasyonları yapılmıştır. TS-2 tasarımının test odası boyutları 0,75x2x2 m, TS-3 tasarımın test boyutları da 1,5x2x2 m’dir. Sonuçlar incelenirken test odası girişindeki akışın kalitesi göz önünde bulundurulmuştur. En iyi sonuçlar TS-2 tasarımı için elde edilmiştir. TS-2 tasarımının test odası girişindeki eksenel akış hızının ortalama akış hızına göre maksimum değişimi bazı bölgeler gözardı edildiğinde %0,3’dür. Akışın maksimum geliş açısı ise yine bazı bölgeler gözardı edildiğinde 0.55°’dir. TS-1 için elde edilen sonuçlara test odası girişindeki eksenel akış hızının ortalamaya göre maksimum değişimi %0,8’dir ve akışın maksimum geliş açısı ise 1° olarak elde edilmiştir. TS-3 tasarımı ise en kullanışsız sonuçları vermiştir. Test odası girişindeki eksenel akış hızının ortalama hıza göre maksimum değişimi %2,5 ve akışın açısallığı maksimum 1,2° olarak elde edilmiştir. TS-1, TS-2 ve TS-3 tasarımlarının difüzör ile birlikte komple rüzgar tüneli akışkanlar dinamiği analizleri yapılmıştır. Tüm “case”ler 4,4 milyon mesh hücresine ulaşmıştır. TS-1 için tasarlanan difüzör 3,38° açılma yarı açısına ve 2,44 difüzör oranına sahiptir. TS-2 için tasarlanan difüzör 4,31° açılma yarı açısına ve 3,25 difüzör oranına sahiptir. TS-3 için tasarlanan difüzör 2,4° açılma yarı açısına sahiptir ve difüzör oranı 1,63’tür. Rüzgar tüneli komponentlerindeki basınç kayıpları göz önünde bulundurulduğunda en yüksek basınç kaybı dinlenme odasında ve daha sonra difüzörde oluşmaktadır. Difüzörlerde açılma açısı büyüdükçe basınç kayıpları artmaktadır. Aynı şekilde daralma konisinde de daralma açısı arttıkça basınç kayıpları artmaktadır. Gerçekleştirilen analiz sonuçlarına göre tüm rüzgar tüneli için toplam basınç kaybı en dar test odası boyutları sahip olan TS-2 için 581 Pascal, TS-1 için 495 Pascal ve TS-3 için 444 Pascal olarak elde edilmiştir. Sonuç olarak EDS Rüzgar Tünelinde kullanmak amacı ile üç farklı test odası boyutuna göre gerçekleştirlen tasarımlar akışkanlar dinamiği analizi yardımıyla incelenmiştir. EDS Rüzgar Tüneline ait 6 adet fan, dinlenme odası ve ilk daralma konisi olduğu gibi kullanılacaktır. İkinci daralma konisinin şekli akışkanlar dinamiği analizleri sonucunda test odası girişindeki akışın kalitesine göre karar verilmiştir. Fanlara ait teğetsel hızların yüksek olması akışın dinlenme odasında bir palpeteği ve iki adet ızgara kullanılmasına rağmen akışın düzeltilmesini zorlaştırmıştır. Tüm hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizlerinden elde edilen sonuçlara göre daralma oranının yüksek olduğu rüzgar tünellerinde test odası girişindeki akışın kalitesi daha iyi olarak elde edilmiştir ancak bu sefer de toplam basınç kayıpları artmaktadır. Bu yüzden optimum bir daralma oranı seçilerek, gereken sınırlar içerisinde kalınabilir. TS-1 ve TS-2 tasarımları iyi sonuçlar verdiğinden, EDS Rüzgar tünelinin yüksek hızlı rüzgar tüneline dönüştürülmesinde kullanılabilirler. Yeni tasarımlar oluşturulurken, EDS rüzgar tünelinin içerisine büyük köpük malzemelerden kesilen kalıplar yerleştirilebilir. Böylece arzu edildiğinde kolayca EDS Rüzgar Tünelinin eski geometrisine dönülebilinir. Oluşturulan rüzgar tünelindeki keskin köşelerin yuvarlanılması da türbülansın azalmasına yardımcı olacaktır. Bu tezde rüzgar tünelleri tasarlanmış ve kullanıma uygun olan geometrilen kararlaştırılmıştır. Gelecek çalışmalarda bu tasarımların hayata geçirilmesi ve gerçekleştirilebilecek testlerle de bu çalışmanın validasyonu yapılabilir.In this thesis, wind tunnel design and requirements are investigated in further and CFD simulations are carried out for different designs. EDS Atmospheric Boundary Layer Wind Tunnel is designed and constructed by EDS Engineers and it is currently being used in order to measure wind forces on buildings. The purpose of this thesis is adapt EDS Wind Tunnel into a wind tunnel with a higher velocity profile in the test section, using the fans and the current contraction design. Three different test section dimensions are considered and investigated with this thesis. First test section(TS-1) dimensions are decided as 1x2x2 meters. A second contraction is added right after the EDS Wind Tunnel’s contraction. Second contraction for TS-1 design is generated using basic splines with a CAD program. First simulations for TS-1 consisted of mesh independency study, turbulence model comparison and contraction shape comparison and desicion. Mesh independency study was carried out with a coarse mesh of 3.9 million cell count and a fine mesh of 5.3 million cell count and the results showed that 3.9 mesh was enough to get stable CFD results. Turbulence model comparison was carried out between the most appropriate two models; k-ε and k-ω models and results showed that two models gave very similar results and it is decided to use k-ε for further simulations because it is more appropriate for swirling flows. Three other contraction shapes (3rd order, 5th order and 7th order polynomial) investigations are added to simple spline design and all four contraction shapes are compared with eachother depending on the CFD simulation results. Selection criteria was the test section inlet flow quality; uniformity and angularity of the flow. Results showed that 7th order polynomial shaped contraction supplied the best flow quality but the flow quality was still not enough for a wind tunnel test section so it is decided to insert a second screen in the settling chamber. CFD simulations are carried out for the three test section designs TS-1(1x2x2 m), TS-2(0.75x2x2 m) and TS-3(1.5x2x2 m) designs without the diffuser section. Results showed that TS-2 design gave the best test section inlet flow quality results. TS-1 design test section inlet flow quality results were in the allowable range. TS-3 gave the worst results because of the low contraction ratio and were not appropriate for a wind tunnel. Full CFD simulations are also carried out for the three designs in order to compare pressure losses in the components of the each tunnel. Results showed that TS-3 design had the lowest pressure losses and TS-2 had the highest pressure losses. The narrower the test section dimensions got, the higher the pressure losses became. Good flow quality results at the test section inlet are achieved for TS-1 and TS-2 designs. It is also decided that blowing type wind tunnels are highly turbulent and settling chamber and contractions might not be enough to reduce turbulence levels.Yüksek LisansM.Sc