Osborne reynolds deneyi Deneyin Amacı

İNÖNÜ ÜNİVERSİTESİ

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ

İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

REYNOLDS DENEYİ

DENEY FÖYÜ

Yrd. Doç. Dr. Ö. Faruk DURSUN

MALATYA-2013

OSBORNE REYNOLDS DENEYİ

1.Deneyin Amacı:

Bu deneyin amacı laminer (katmanlı) akış, geçiş bölgesi akışı ve türbülanslı (tedirgin) akışın gözlenmesi ve ilgili hesaplamaların yapılmasıdır.

2.Teorik Bilgiler:

1883 de ilk defa Osborne Reynolds tarafında yapılan deneyde, cam bir boru içi su dolu bir depoya bağlanmış olup, boru içindeki suyun akma hızı arzu edilen değere ayarlanabilmektedir. Borunun giriş ucuna bir lüle konularak boru içerisine renklendirilmiş su verilmektedir. Bu düzenek aşağıda Şekil.1’de şematik olarak verilmiştir:

Şekil.1. Osborne Reynolds deney seti

Reynolds bu deneyi borunun değişik noktalardaki kesitlerine uygulamış ve bu kısımlarda renkli suya ait akım iplikçiğinin bozulmadığını akışın bir birine düz ve paralel doğrular boyunca aktığını görmüştür. Akışkanın akım hızı arttırıldığında, hızın belirli bir değerinden sonra renkli suya ait akım iplikçiğinin ortadan kalktığı ve bütün su kütlesinin renklendiği görülmüştür. Diğer bir ifadeyle yüksek akış hızlarında, suyu meydana getiren parçacıklar borunun ekseni boyunca birbirine paralel hareket etmeyip, boru içerisinde radyal doğrultuda da hareket etmeye başlar ve böylece tam bir karışma (yani türbülans) meydana gelir. Akımın bu şekilde bir tipten diğerine değiştiği andaki sıvı akım hızı “kritik hız” olarak adlandırılır. Reynolds daha sonra yaptığı deneylerde bu iki tip akış şeklinin meydana geliş şartlarını incelemiş ve kritik hızın; boru çapına, akışkanın akış hızına, yoğunluğuna ve mutlak (dinamik) viskozitesine bağlı olduğunu bulmuş ve bu 4 faktörün bir şekilde gruplandırılabileceğini göstermiştir. Reynolds sayısı akışkanlar mekaniği açışından büyük bir önem taşır ve mühendislik uygulamalarında yaygın bir şekilde kullanılır.

Reynolds sayısı olarak adlandırılan boyutsuz sayı, Re = VL/ şeklinde tanımlanır. Burada L akışı karakterize eden bir uzunluk olup, dairesel kesitli boru halinde boru çapı D’ye eşittir. Dairesel kesitli olmayan boru ve kanallarda ise D yerine D_h ile ifade edilen hidrolik çap kullanılır. Hidrolik çap D_h = 4A/Ç ifadesiyle tanımlı olup, A boru veya kanalın akışa dik kesitini ve Ç ise akışın ıslattığı (yaladığı) çevreyi göstermektedir. V ortalama akış hızını (= m/ ρA) , m akışın kütlesel debisini ρ ve μ ise sırasıyla akışkanının yoğunluğunu ve dinamik (mutlak) viskozitesini ifade etmektedir.

Dikdörtgen boru örneği:


W
D_h = Hidrolik çap


L
A= Kesit alanı

Ç = Islak çevre

Not:

1. 
   Borularda iç akışta R_e < 2100 için akış laminer akış olup, R_e > 4000 için ise akış türbülanslı akıştır. R_e = 2100-4000 arasında ise laminer akımdan türbülanslı akıma geçiş akışı durumudur.
   
2. 
   Türbülanslı akışlarda önemli ölçüde hatalara neden olduğundan, D_h yalnızca laminer akışlar için kullanılmaktadır.
   

3.Deney Seti ve Deneyin Yapılışı:

3.1.Deney Seti:

Deney seti türbülanslı ve laminer akışların görüntülenmesine imkan sağlamaktadır. Akışlar saydam bir boru içinde su akışına katılan bir mürekkep çizgisi yardımı ile görülebilir duruma getirilebilmektedir. Deney setinin genel bir görünümü ve detayları Şekil.2 ve Şekil.3 ‘de gösterilmiştir.

Su tankı

Renkli sıvı tankı

Şekil.2. Deney setinin genel bir görünümü

Şekil.3.Deney seti detayları

Şekil.3.’de 1-Deney sistemini taşıyan alt plakayı, 2-Su tankını, 3-Su tankında sabit bir basınç oluşturmak için gerekli olan taşma borusunu, 4-Renkli sıvı (mürekkep) tankını, 5-Renkli sıvı (mürekkep) debi ayar vanasını, 6-Renkli sıvı püskürtme hortumunu, 7-Plastik camdan yapılmış akış çizgisini biçimli veren ağız kısmını, 8-Akışın gözlendiği deney tüpünü, 9-Yükseklik ayarlı su tankını, 10-Deney tüpü içindeki debiyi ayarlamak için kullanılan boşaltma vanasını ve 11-Su temini için gerekli bağlantıyı göstermektedir. Su temini temel hidrolik tezgah yardımıyla, su debisinin ölçümü ise hidrolik deney tezgahı kullanımıyla veya bir ölçekli kap ve kronometre kullanımıyla yapılabilir.

3.2.Deneyin Yapılışı:

• 
  Deney seti, hidrolik tezgah üzerine veya yakınına yerleştirilir.
  
• 
  Sistem üzerine bir boru yerleştirilmiştir veya boşalma vanasına (10) bir su boşaltma hortumu bağlanmıştır. Mürekkepli suyun hidrolik sistem deposu içine akmasına izin verilmemelidir.
  
• 
  (13) ve (12) arasında bir hortum vasıtasıyla test borusu bölümüyle su tankı arasında bağlantı olmalıdır.
  
• 
  Bir hortum kullanarak sistemin su ihtiyacını sağlamak için su tankına giriş (11) yapılır.
  

Şekil.4.

• 
  Alüminyum tank (4) mürekkep ile doldurulur. Tankın altında bulunan kapama vanası (5) kapalı olmak zorundadır.
  
• 
  Su boşaltma vanası (12) kapalıdır.
  
• 
  Su temin vanası açıktır. Pompa üzerindeki su kapama vanası veya laboratuardaki su vanası dikkatli bir şekilde açılmalıdır.
  

Şekil.5.

• 
  Su tankında sabit su seviyesini sağlayacak şekilde vana ayarlanmalıdır.
  
• 
  Belirli bir zamandan sonra deney tüpü (8) doldurulmalıdır.
  
• 
  Boşaltma vidasını (14) açarak deney tüpünden atık hava alınabilir.
  

Artık deneye başlayabilirsiniz. Su boşaltma vanası (12) açılarak deney tüpünde çok düşük akış hızı oluşturulur.

4.Deneyler ve Hesaplamalar:

Düşük su debisinde laminer akış oluşturulur. Mavi mürekkep akışı görselleştirmek için kullanılır. İyi bir mavi akış çizgisi laminer akışın gösterildiği ayar vanasının (5) kullanımıyla oluşturulabilir. Yüksek su debisinde türbülanslı akış oluşur. Bu akışı oluşturmak için su boşaltma vanası daha fazla açılır. Akış çizgisi türbülanslı akış ile karmaşık bir şekil alarak, türbülans şiddetine bağlı olarak tüm boru içerisindeki su boya maddesiyle boyanır.

Şekil.6. Akım yörüngesi

d = Borunun iç çapı (m)

V = Ortalama akış hızı (m/s)

υ = Akışkanın kinematik viskozitesi (m²/s)

Kronometre ve bir ölçekli kap kullanarak hacimsel debi Q belirlenir ve daha sonra bu hacimsel debiden de V ortalama akış hızı belirlenir.

Deneyde kullanılan boru çapı d = 16 mm = 0.016 m

Re ≈ 2300 kritik akışı ifade eder.

Re_lam. ≤ 2300 laminer akışı gösterir.

Re_tür. ≥ 2300 türbülanslı akışı gösterir.

Şekil.7’de boru içerisinde a-Laminer akış, b-Laminer’den türbülanslı akışa geçiş akışı ve c-Türbülanslı akış görülmektedir.

(a)

(b)

(c)

Şekil.7. Boru içerisindeki akış görüntüleri

Akış Türü ve Reynolds Sayısı Re = VD/ υ	Hacimsel Debi Q (L/s)	Kütlesel Debi m (kg/s)	Ortalama Akış Hızı v (m/s)
Re = 500 Laminer Akış
Re = 2300 Kritik Akış
Re = 6 000 Türbülanslı Akış

Tablo-1. Üç farklı boru akışı için deneysel verilerle hesaplanan değerler.

5. Araştırma Soruları ve Deney Raporunda İstenilenler:

1. 
   Türbülanslı akışın mühendislik uygulamaları açısından olumlu (ısı ve kütle transferinin iyileştirilmesi, yanma verimliliğinin artırılması, vb.) ve olumsuz (akış sürtünme kayıpları ve sürtünme gücünün artması vb.) yönlerden inceleyerek bu örnekleri artırınız. Pratikte görülme oranı bakımından laminer akımla karşılaştırınız.
   
2. 
   Laminer akışın mühendislik uygulamaları açısından olumlu (akış sürtünme kayıpları ve sürtünme gücünün azalması, konfor kliması vb.) ve olumsuz (ısı ve kütle transferinin kötüleşmesi, yanma verimliliğinin azalması, vb.) yönlerden inceleyerek bu örnekleri artırınız.
   
3. 
   Reynolds sayısı nedir? Kısaca bilgi veriniz. Re = 1000000 ile Re = 1 olan akışları karşılaştırınız.
   
4. 
   Deneyde kullanılan 16 mm iç çapındaki cam deney borusu içerisindeki su akışına ait (20 ^oC’de suyun yoğunluğu 1000 kg/m³ ve dinamik (mutlak) viskozitesi 0.001 Pas) laminer akış (Re = 500), kritik akış (Re = 2300) ve türbülanslı akış (Re = 6 000) için suyun gerekli hacimsel debi (L/s), kütlesel debi m (kg/s) ve ortalama akış hızı değerlerini hesaplayınız ve bu değerleri deney föyündeki Tablo-1 biçiminde gösteriniz.
   
5. 
   Sıvı ve gaz akışlarında kullanılan “Akış Görüntüleme Teknikleri” hakkında detaylı araştırma yapınız. Bu teknikler kullanılarak hangi bilgilere ulaşılabileceğini uygulamadan örneklerle açıklayınız.
   
6. 
   Türbülanslı akışları sayısal olarak hesaplama teknikleri (k-ε modeli vb.) hakkında araştırma yapınız.
   
7. 
   Türbülans Eddy Viskozitesi ve Türbülans Reynolds Gerilmesi kavramlarını açıklayarak, türbülanslı akımlardaki kayma gerilmesi ile laminer akımlardaki kayma gerilmesi ifadelerini yazarak karşılaştırınız.
   
8. 
   Borulardaki akışlar için “Kritik Reynolds Sayısı” 2300’den daha büyük olabilir mi? Neden?
   
9. 
   Tam türbülanslı akış kavramını açıklayınız?
   
10. 
    Akım görünürlüğü deneylerinde kullanılan akış çizgileri, yörüngeler, çıkış çizgileri vb. hakkında detaylı araştırma yapınız. Bu çizgilerin daimi ve daimi olmayan akışlar durumundaki benzerlik ve farklılıklarını açıklayınız.
    
11. 
    Akışların Reynolds benzerliği ne anlama gelir? Önemini açıklayınız.