66
Bölüm 12: Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği) Doç.Dr. Tahsin ENGİN Sakarya Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü Bahar 2008

Bölüm 12: Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Bölüm 12: Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği). Doç.Dr. Tahsin ENGİN Sakarya Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü Bahar 2008. Amaçlar. Gaz akışında sıkıştırılabilirliğin sonuçlarını değerlendirebilmelisiniz - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Bölüm 12: Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Doç.Dr. Tahsin ENGİNSakarya Üniversitesi

Makine Mühendisliği Bölümü

Bahar 2008

Page 2: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 2

Amaçlar

Gaz akışında sıkıştırılabilirliğin sonuçlarını değerlendirebilmelisiniz

Bir lülenin, gazı sesüstü hızlara çıkarabilmesi için neden ıraksak bir kesitinin olması gerektiğini anlayabilmelisiniz

Şok oluşumunu kestirebilmeli ve bir şok dalgası içerisindeki özellik değişimlerini hesaplayabilmelisiniz

Sıkıştırılabilir akışlarda sürtünme ve ısı geçişinin etkilerini anlayabilmelisiniz

Page 3: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 3

Durma Özellikleri

Akışkanın iç enerjisi ile akış enerjisinin toplamına ENTALPİ adı verilir:

Yüksek hızlı akışlarda akışkanın kinetik enerjisi ihmal edilemez. Buna göre akışkanın durma entalpisi h0

/Puh

(kJ/kg)2

2

0V

hh

Page 4: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 4

Durma Özellikleri

Şekildeki gibi bir kanalda daimi akış halinde, enerji denklemi (iş ve potansiyel enerji etkileşimi yok);

Dolayısıyla durma entalpisi, daimi akış esnasında sabit kalmaktadır.

giren çıkanE E

Page 5: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 5

Durma Özellikleri

Eğer bir akışkan tamamen durdurulursa (V2 = 0),

Dolayısıyla h0, bir akışkanın adyabatik olarak durdurulması halindeki entalpisini temsil eder.

Durma işlemi sırasında akışkanın kinetik enerjisi entalpiye dönüştürülür.

Bu noktadaki özellikler durma özellikleri adı verilir ve 0 altindisi ile gösterilir.

Page 6: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 6

Durma özellikleri

Eğer durma prosesi aynı zamanda tersinir ise, bu durma haline izentropik durma hali de denir.

Durma entalpisi hem izentropik hem de gerçek durma halleri için aynıdır

Gerçek durma basıncı P0,ger , P0 basıncından düşüktür. Bunun nedeni sürtünme nedeniyle akışkanın entropisindeki artıştır.Bununla birlikte durma işlemi genelde izentropik olarak düşünülür ve izentropik özelliklerden durma özellikler olarak söz edilir.

Page 7: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 7

Durma özellikleri

Bir ideal gaz için h = CpT olduğundan h0 şu şekilde de ifade edilebilir:

T0 durma sıcaklığıdır ve bir ideal gazın adyabatik olarak durdurulması halinde ulaşacağı sıcaklığı temsil eder.

V2/2Cp kinetik enerjinin entalpiye dönüşmesinden ötürü sıcaklık artışıdır ve buna dinamik sıcaklık adı verilir.

İdeal bir gaz için, özgül ısılar sabit olmak kaydıyla durma basıncı ve durma yoğunluğu aşağıdaki gibi ifade edilir:

Page 8: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 8

Durma özellikleri

Entalpinin kullanılması durumunda enerji eşitliğinde kinetik enerjinin doğrudan yer almasına gerek kalmaz.

Burada h01 ve h02 1 ve 2 hallerindeki entalpilerdir.

Eğer akışkan sabit özgül ısılı ideal bir gaz ise,

giren çıkanE E

giren giren 01 1 çıkan çıkan 02 1( ) ( )q w h gz q w h gz

giren giren 01 1 çıkan çıkan 02 1( ) ( )q w h gz q w h gz

giren çıkan giren çıkan( ) ( )q q w w 02 01 2 1( ) ( )pc T T g z z

Page 9: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 9

Ses hızı ve Mach Sayısı

Sıkıştırılabilir akışta önemli bir parametre de ses hızı dır.

Ses hızı, sonsuz küçük bir basınç dalgasının ilerleme hızıdır.

Şekilde bir kanal ve hareketli piston görülmektedir. Pistonun hareketi,

Sağa doğru ses hızıyla hareket eden bir dalga oluşturmuş olsunBu durumda dalganın gerisinde kalan akışkanın özelliklerinde diferansiyel artışlar meydana gelirAncak dalganın önündeki akışkan özellikleri değişmeden kalır.

Page 10: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 10

Ses hızı ve Mach Sayısı

Şekildeki gibi dalga cephesi ile hareket eden bir KH seçelim

Kütle dengesinden

sadeleş ihmal

solsağ mm

Page 11: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 11

Ses hızı (c) ve Mach Sayısı (Ma)

Enerji dengesi egiren = eçıkan

sadeleştir sadeleştir ihmal

Page 12: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 12

Ses hızı (c) ve Mach Sayısı (Ma)

Termodinamikten bilinen Tds bağıntısından,

Bu sonucu kütle ve enerji denklemleriyle birleştirirsek,

İdeal gaz için

/Tds dh dP dp

dh

Page 13: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 13

Ses hızı (c) ve Mach Sayısı (Ma)

İdeal gaz için R = sabit ve

k sadece T’ye bağlı olduğundan

Ses hızı c yalnızca gazın T sıcaklığına bağlıdır.

Page 14: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 14

Ses hızı (c) ve Mach Sayısı (Ma)

İkinci önemli parametre Mach sayısı Ma’dır.

Ma, akış hızının ses hızına oranıdır.

Akış rejimi Ma sayısına bağlı olarak ifade edilir.

Ma < 1 : Sesaltı (Subsonik)

Ma = 1 : Ses hızlı (Sonik)

Ma > 1 : Sesüstü (Süpersonik)

Ma >> 1 : Hipersonik

Ma 1 : Transonik

Page 15: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 15

Bir-Boyutlu İzentropik Akış

Lülelerde, yayıcılarda (difüzör) ve gaz türbinlerinin kanatları arasındaki akışlarda akış büyüklükleri genel olarak akış yönünde değişir. Bu tür akışlar,

1-B izentropik akış olarak ele alınabilir.

Şekildeki gibi daralan-genişleyen bir kanalı ele alalım.

Page 16: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 16

Bir-Boyutlu İzentropik Akış

Örnek 12-3 incelendiğinde şu gözlemler yapılabilir:

Kanalın en dar kesitinde Ma = 1 olur ve bu kesite BOĞAZ denir.

Boğazdan sonra kanal genişlemesine rağmen hız artmaktadır.

Bu şekilde önce daralan ardından genişleyen kanallar gaz akışkanları sesüstü hızlara çıkarmak için kullanılır.

Page 17: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 17

Bir-Boyutlu İzentropik Akış Akışkan Hızının Kesit Alanı ile Değişimi

V, ve A arasında karmaşık bir ilişki vardır.

Burada süreklilik, enerji ve ses hızını veren bağıntılarını kullanarak bu ilişkiyi ortaya çıkaracağız.

Süreklilik denklemi

Bu denklemin diferansiyelini alıp (AV)’ye bölünürse,

sabitm AV

Page 18: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 18

Bir-Boyutlu İzentropik Akış Akışkan Hızının Kesit Alanı ile Değişimi

Yandaki şekilde verilen işlemler yapılırsa Bernoulli denklemi elde ederiz.

Bu denklemi de süreklilik denklemiyle birleştirerek;

Öte yandan Tds bağıntısı da kullanılırsa,

Page 19: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 19

Bir-Boyutlu İzentropik Akış Akışkan Hızının Kesit Alanı ile Değişimi

Bu önemli bir bağıntıdır ve bazı yararlı gözlemler yapılmasına olanak verir:

Ma < 1 için (1 - Ma2) pozitif dA ve dP aynı işaretli. Dolayısıyla alan artınca basınç artar, alan azalınca basınç da düşer

Ma > 1 için (1 - Ma2) negatiftir dA ve dP zıt işeratelidir.

Alan arttıkça basınç düşer, alan azaldıkça basınç artar

Page 20: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 20

Bir-Boyutlu İzentropik Akış Akışkan Hızının Kesit Alanı ile Değişimi

dA ve dV arasındaki bağıntı, diferansiyel Berboulli denkleminden V = -dP/dV yazılarak elde edilir:

A ve V pozitif değerler aldığından,Sesaltı akışta (Ma < 1) dA/dV < 0

Sesüstü akışka (Ma > 1) dA/dV > 0

Ses hızlı akışta (Ma = 1) dA/dV = 0

Page 21: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 21

Bir-Boyutlu İzentropik Akış Akışkan Hızının Kesit Alanı ile DeğişimiLüle ve yayıcılardaki sesaltı ve sesüstü akışlarda akış özelliklerinin karşılaştırılması

Sesaltı akış

Sesüstü (süpersonik akış)

Sesaltı lüle Sesaltı yayıcı

Sesüstü lüle Sesüstü yayıcı

Page 22: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 22

Bir-Boyutlu İzentropik Akış İdeal Gazların İzentropik Akışlarına Ait Özellik Bağıntıları

Statik haldeki özelliklerin durma noktası özellikleri ve Ma cinsinden ifade edilmesi oldukça faydalıdır.

Daha önce ideal bir gazın durma noktası sıcaklığı aşağıdaki gibi ifade edilmişti:

Aşağıdaki tanımlamalar kullanılarak dinamik sıcaklık sadece Ma sayısına bağlı hale getirilebilir:

Page 23: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 23

Bir-Boyutlu İzentropik Akış İdeal Gazların İzentropik Akışlarına Ait Özellik Bağıntıları

T0/T oranı P0/P ve 0/ bağıntılarında yazılırsa,

T0/T, P0/P ve 0/ ile ilgili veriler Tablo A-13’te k=1.4 için verilmiştir.

Ma = 1 için bu oranlara kritik oranlar denir (Tablo 12-2).

Page 24: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 24

Kritik Oranlar, Ma =1

0

* 2

1

T

T k

/( 1)

0

* 2

1

k kP

P k

1/( 1)

0

* 2

1

k

k

Page 25: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 25

Bir-Boyutlu İzentropik Akış İdeal Gazların İzentropik Akışlarına Ait Özellik Bağıntıları

Page 26: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 26

Bir-Boyutlu İzentropik Akış İdeal Gazların İzentropik Akışlarına Ait Özellik Bağıntıları

(Eğer bu kesitte Ma = 1 ise)

Page 27: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 27

Lülelerde İzentropik Akış

Bir çok mühendislik uygulamasında daralan-genişleyen kanallar söz konusudur.

Buhar ve gaz türbinleri, uçak ve uzay araçları, endüstriyel yüksek hızlı akış lüleleri vs.

Bu derste karşı basıncın (lüle çıkışındaki basınç) çıkış hızı, kütlesel debi ve lüle boyunca gelişen basınç dağılımı üzerindeki etkilerini inceleyeceğiz.

Page 28: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 28

Lülelerde İzentropik Akış Daralan Lüleler

Hal 1: Pb = P0 ise, akış oluşmaz ve basınç sabit kalır.Hal 2: Pb < P0 ise, basınç lüle boyunca düşer.Hal 3: Pb = P* ise, lüle çıkışındaki akış sonik hale gelir. Maksimum debi oluşturan bu akışa boğulmuş akış adı verilir.Hal 4: Pb < P* ise, hal 3’e kıyasla akış ve basınç dağılımında bir değişiklik söz konusu değildir.Hal 5: Pb =0 ise hal 3 veya 4’e göre bir değişiklik yoktur.

Lüle çıkış düzlemindeki basınç

Akışın boşaldığı

ortamın basıncı

Page 29: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 29

Lülelerde İzentropik Akış Daralan Lüleler

Daimi akış koşullarında kütlesel debi sabit ve

Denklem 12-18’den T, Denklem 12-19’dan P alınıp yukarıdaki ifadede yazılırsa,

Bu denkleme göre kütlesel debi; durma özelliklerinin, akış kesitinin ve Ma sayısının fonksiyonudur

Page 30: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 30

Lülelerde İzentropik Akış Daralan Lüleler

Boğaz kesiti A* olan bir lüleden geçen maksimum kütlesel debi P0 ve T0 tarafından tayin edilir ve Ma = 1 olduğunda gerçekleşir:

Bu ilke, başta kimyasal prosesler, tıbbi cihazlar, debi-ölçerler ve bir gazın kütle akısının bilinmesini ve kontrol edilmesini gerektiren her uygulamada oldukça önemlidir.

maks

Page 31: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 31

Karşı basıncın etkisi

*

**

( için)çıkışdüzlemindeki basınç

( için)b b

e

b

P P PP

P PP

Boğulmuş akış

Page 32: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 32

Lülelerde İzentropik Akış Daralan-Genişleyen Lüleler

Daralan bir lülede ulaşılabilecek en yüksek hız ses hızı ile sınırlıdır (Ma = 1) ve bu da lülenin çıkış ağzında (boğazda) oluşur.Bir akışkanı sesüstü seviyelere (Ma > 1) hızlandırmak için (boğazın ardından) genişleyen bir akış bölümü bulunmalıdır. Bunun sonucunda,

Daralan-genişleyen lüleler ortaya çıkar.Bu tür lüleler süpersonik uçaklarda ve roketlerin itici güç sistemlerinde standart donanımdır

Akışkanı, daralan-genişleyen bir lülede daha fazla zorlamak sesüstü hızlara çıkılacağını güvence altına almaz!!!

Bunun için ayrıca uygun bir karşı basınç (Pb) gerekir.

Page 33: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 33

Lülelerde İzentropik Akış Daralan-Genişleyen Lüleler

1. P0 > Pb > Pc

Akış sesaltıdır ve kütlesel debi boğulmuş akış debisinden azdır. Lülenin genişleyen bölümü yayıcı (difüzör) görevi görür.

2. Pb = PC

1. Boğazda ses hızına ulaşılır. Çıkışta ise sesaltı akış vardır, çünkü lülenin genişleyen bölümü yayıcı (difüzör) görevi görerek akışı sesaltı hızlara doğru yavaşlatır. Karşı basıncın (Pb) daha da düşürülmesi, lülenin daralan bölümündeki akışı etkilemez. Genişleyen bölümdeki akış ise bundan etkilenir.

Page 34: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 34

Lülelerde İzentropik Akış Yakınsak-Iraksak Lüleler

3. PC > Pb > PE

3. Lülenin genişleyen bölümündeki akış karşı basıncın düşmesiyle sesüstü hızlara ivmelenir. Ancak bu ivmelenme normal şok oluşumuyla aniden kesilir ve akışkan yavaşlayarak çıkışta sesaltı hızlara iner.Karşı basınç Pb düşürüldükçe şok dalgası lülenin çıkış ağzına doğru ilerler. Pb = PE olduğunda şok lülenin çıkış düzleminde oluşur.

PE > Pb > 0 (pozitif etkin basınç)Genişleyen kısımdaki akış sesüstü olup lülede şok oluşmaz. Akış lüle çıkışında PF basıncına kadar genişlemesini sürdürür. Şoksuz halde lüledeki akış izentropik olarak ele alınabilir.

(şokun tam çıkışta oluşmasını sağlayan basınç değeri)

Page 35: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 35

Lülelerde İzentropik Akış Daralan-Genişleyen Lüleler

5. Pb = PE

Bu durumda şok dalgası lülenin ne içinde ne de dışında oluşur. Tam çıkış ağzında oluşur (tam çıkışta oluşur)

6. Pb < PE

Tersinmez karışma ve genişleme dalgaları lülenin çıkış düzleminin aşağıakımında oluşur.

7. Pb > PE ,

Akışkanın basıncı, lüle çıkışının art izinde tersinmez bir biçimde PE den Pb ye yükselerek eğik şoklar meydana getirir.

Page 36: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 36

Şok Dalgaları ve Genişleme Dalgaları

Genel,Ses dalgaları, küçük basınç darbeleri tarafından meydana getirilir ve ses hızında yayılırlarBelirli karşı basınçlar için yakınsak-ıraksak lülelerde akışkan özelliklerinde ani değişiklikler meydana gelir ve bunlar şok dalgasına yol açar.

Bu kısımda şok dalgalarının hangi şartlarda oluştukları ve bunların akışı ne şekilde etkilediği üzerinde duracağız.

Page 37: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 37

Şok Dalgaları ve Genişleme Dalgaları Normal Şoklar

Akış yönüne dik yönde gelişen şoklara normal şok dalgaları adı verilir.Şok dalgası içerisindeki akış oldukça tersinmez yapıdadır ve izentropik olarak ele alınamaz.Burada korunum yasalarını uygulayarak şok öncesi ve sonrası akış özelliklerini veren bağıntılar geliştireceğiz.

Page 38: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 38

Şok Dalgaları ve Genişleme Dalgaları Normal Şoklar

Kütlenin korunumu

Enerjinin korunumu

Momentumun korunumu

Entropi artışı (TD2Y)

Page 39: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 39

Şok Dalgaları ve Genişleme Dalgaları Normal Şoklar

Kütle + Enerji denklemiKütle + Enerji denklemiFanno eğrisi: aynı h0 ve kütle akısına sahip hallerin geometrik yeri

Kütle + Momentum denklemiKütle + Momentum denklemiRayleigh eğrisi:

Ma = 1Ma = 1’e karşılık gelen ’e karşılık gelen maksimum entropi noktaları (maksimum entropi noktaları (aa ve ve bb))

a ve b noktalarının altındaki akış hali sesüstü, üzerindeki akış hali ise sesaltıdır.

Page 40: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 40

Şok Dalgaları ve Genişleme Dalgaları Normal Şoklar

Fanno ve Rayleigh eğrilerinin kesiştiği 2 nokta vardır. Bu iki noktada 3 korunum yasası aynı anda sağlanır.

1 Noktası: Şok öncesi (sesüstü)2 Noktası: Şok sonrası (sesaltı)

Şok öncesi Ma sayısı ne kadar yüksekse, oluşacak şok da o denli şiddetli olur.1 noktasından 2 noktasına entropi artar. Bu şaşırtıcı gelmemelidir, çünkü şok adyabatik olmakla birlikte tersinir değildir.

Page 41: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 41

Şok Dalgaları ve Genişleme Dalgaları Normal Şoklar

Enerjinin korunumu ilkesi şokun önündeki ve arkasındaki durma sıcaklıklarının eşit olmasını gerektirir.

Denklem 12-18’den

Ya da,

01 02( )T T

22 1

21 2

1 Ma ( 1) / 2

1 Ma ( 1) / 2

T k

T k

2 22 2 2

1 1 1

Ma

Ma

T P

T P

Page 42: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 42

Şok Dalgaları ve Genişleme Dalgaları Normal Şoklar

Sıcaklık oranlarını veren bu iki denklemden;

Aynı şekilde Rayleigh eğrisi için;

Böylece her iki eğrinin kesişim noktasında,

Page 43: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 43

Şok Dalgaları ve Genişleme Dalgaları Eğik Şoklar

Tüm şoklar akış yönüne dik değildir.Akış yönüyle belirli miktarda açı yapan bu şoklara eğik şoklar denir.

Page 44: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 44

Şok Dalgaları ve Genişleme Dalgaları Eğik Şoklar

Giriş (hücum) kenarında akış açısı kadar sapmaya uğrar. Bu açıya dönme (sapma) açısı denir.Sonuçta ortaya akış doğrultusuyla şok açısı yapan düz bir eğik şok dalgası çıkar.Yerdeğiştirme kalınlığı nedeniyle açısı kenarın yarım-açısı ’dan bir miktar daha büyüktür

().

Page 45: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 45

Şok Dalgaları ve Genişleme Dalgaları Eğik Şoklar

Normal şoklarda olduğu gibi eğik şoktan geçişte de Ma azalır ve bunlar da sadece yukarıakımdaki akış sesüstü olduğunda görülür.Ancak aşağıakımın daima sesaltı olduğu normal şoklardan farklı olarak bir eğik şokun aşağıakımı sesaltı, sonik veya sesüstü olabilir. Nasıl olacağı Ma1 ve ya bağlıdır.

Page 46: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 46

Şok Dalgaları ve Genişleme Dalgaları Eğik Şoklar

Ma sayısının sadece normal (dik) bileşenlerini kullanmak şartıyla, normal şoklar için verilen tüm denklemler ve tablolar eğik şoklar için de geçerlidir.

Ma1,n = V1,n/c1

Ma2,n = V2,n/c2

-Ma bağıntısı

1, 1Ma Ma sinn

2, 2Ma Ma sin( )n

Page 47: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 47

Şok Dalgaları ve Genişleme Dalgaları Eğik Şoklar

Page 48: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 48

Şok Dalgaları ve Genişleme Dalgaları Eğik Şoklar

Eğer kenarın yarım açısı > maks ise, ayrılmış şok veya yay dalgası oluşur.

Bu tür şoklar düz yapılı eğik şoklardan çok daha karmaşıktır.

Dolayısıyla HAD analizi gerektirirler.

Page 49: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 49

Şok Dalgaları ve Genişleme Dalgaları Eğik Şoklar

Benzer şok dalgaları, eksenel simetrik cisimlerde de görülür, ancak -Ma bağıntısı ve buna bağlı olarak vektör diyagramı 2-boyutlu cisimlerden farklıdır.

Page 50: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 50

Şok Dalgaları ve Genişleme Dalgaları Eğik Şoklar

Sivri ucu bulunmayan körlenmiş cisimler için = 90 olur ve Ma sayısı ne olursa olsun tutunmuş halde şok bulunamaz.

Page 51: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 51

Şok Dalgaları ve Genişleme DalgalarıPrandtl-Meyer Genişleme Dalgaları

Bazı durumlarda akış şoktan geçişte zıt yöne döner.Örneğin kenardaki hücum açısı kenarın yarım-açısı dan büyük olduğunda bu gerçekleşir. Bu tür akışa genişleyen akış adı verilir. Buradaki durum, sıkıştıran akış oluşturan eğik şokun tersidir.Sonuçta şok yerine, sonsuz sayıda Mach dalgasından meydana gelen bir genişleme yelpazesi görülür. Buna Prandtl-Meyer genişleme dalgaları denir.Her bir genişleme dalgası izentropik olduğundan genişleme yelpazesinin tamamındaki akış da izentropiktir.Ma2 > Ma1

P, , T değerleri yelpazeden geçişte düşer.Her bir Mach dalgası akışı sonsuz küçük bir miktarda döndürdüğünden akış da yavaşça döner.

Page 52: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 52

Şok Dalgaları ve Genişleme DalgalarıPrandtl-Meyer Genişleme Dalgaları

Prandtl-Meyer genişleme yelpazeleri, konik bir silindirin köşelerinde ve firar kenarlarında olduğu gibi, eksenel simetrik akışlarda da oluşur.

Page 53: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 53

Şok Dalgaları ve Genişleme DalgalarıPrandtl-Meyer Genişleme Dalgaları

“Aşırı genişlemiş” sesüstü bir jette şok dalgaları ile genişleme dalgalarının girişimi

Page 54: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 54

Şok Dalgaları ve Genişleme DalgalarıPrandtl-Meyer Genişleme Dalgaları

Prandtl–Meyer genişleme dalgaları yerel Mach açısı µ kadar eğiktir: Birinci ve ikinci dalganın eğim açısı bilindiğinde, izentropik koşullarda yelpaze dönüş açısı aşağıdaki bağıntıdan bulunabilir:

1 11

22

2

arcsin(1 Ma )

arcsin((Ma ) (Ma

))

1 Mav v

Burada v(Ma) Prandtl–Meyer fonksiyonu denilen bir açıdır ve;

1 2 1 21 1(Ma) tan (Ma 1) tan Ma 1

1 1

k kv

k k

Ma1, k ve verildiğinde yukarıdaki bağıntıdan v(Ma1), bağıntısından v(Ma2) en son olarak da yukarıdaki ifadeden Ma2 hesaplanır. (Bkz. Örnek 12-12)

Page 55: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 55

Isı Transferinin Bulunduğu, Sürtünmenin İhmal Edilebilir Olduğu Kanal Akışı

Pratikte karşılaşılan çoğu sıkıştırılabilir akış probleminde; yanma, nükleer tepkimeler, buharlaşma gibi kimyasal tepkimelerin yanı sıra kanal çeperi boyunca ısı geçişi söz konusudur. Bu tür problemlerin analiz edilmesi oldukça güçtür.Bu tür karmaşık yapılı akışların önemli yönleri basit bir analiz ile incelenebilir. Bunun için çeperden transfer olan ısı miktarı yerine aynı miktarda bir ısı üretimi veya ısı soğurumu dikkate alınır.

Ancak akışın sürtünmeli olmasısürtünmeli olması, geometrinin değişmesi ve akışın 3-boyutlu olması bu analizi bile oldukça zor hale getirir.

Bu nedenle burada önce kesit alanının akış yönünde değişmediği, sürtünmenin göz ardı edilebildiği 1-boyutlu akış üzerinde duracağız.

Page 56: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 56

Isı Transferinin Bulunduğu, Sürtünmenin İhmal Edilebilir Olduğu Kanal AkışıKesiti sabit ve A olan bir kanaldaki 1-boyutlu akışı düşünelim. Akışkan, sabit özgül ısılı bir ideal gazdır. Sürtünme ihmal edilmekte, kanal çeperlerinde ısı geçişi olmaktadır (Buna Rayleigh akışı denir).Süreklilik denklemi:

x-Momentum denklemi:

Page 57: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 57

Isı Transferinin Bulunduğu, Sürtünmenin İhmal Edilebilir Olduğu Kanal Akışı

Enerji denklemiKontrol hacmi üzerinde yapılan hiçbir iş bulunmamaktadır, potansiyel enerji değişimi önemsizdir.

Sabit özgül ısıya sahip ideal gaz için h = cpT olduğundan,

Entropi değişimiSürtünme benzeri tersinmezlikler yoksa, entropi yalnızca ısı geçişi nedeniyle değişir:

Page 58: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 58

Isı Transferinin Bulunduğu, Sürtünmenin İhmal Edilebilir Olduğu Kanal Akışı

GÖZLEMLER:Belirli bir yukarıakım hali (1) için sonsuz sayıda aşağıakım hali (2) vardır.Pratikte T2 için çeşitli değerler kabul edilerek, Q dahil olmak üzere diğer tüm özelliklerin hesaplanması yoluna gidilir.Bunların T-s diyagramında çizilmesiyle Rayleigh eğrisi elde edilir.Bu eğri, fiziksel olarak gerçekleşmesi mümkün olan tüm hallerin geometrik yerini temsil eder.Isı kazanılmasıyla entropi, Ma sayısının 1 ve entropinin maksimum olduğu bir noktaya doğru artış gösterir

Page 59: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 59

Isı Transferinin Bulunduğu, Sürtünmenin İhmal Edilebilir Olduğu Kanal Akışı

Rayleigh Akışında Özellik Bağıntıları

Özelliklerdeki değişimlerin Ma sayısının fonksiyonu olarak ifade edilmesi hesaplamalarda kolaylık sağlar. Bunun için şunlar yapılabilir:

MaV kRT

P RT

222 MaMa kPkRTV

Bu ifade momentum denkleminde (Denklem 12-51) yazılıp düzenleme yapılırsa;

22 1

21 2

1 Ma

1 Ma

P k

P k

Page 60: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 60

Isı Transferinin Bulunduğu, Sürtünmenin İhmal Edilebilir Olduğu Kanal Akışı

Öte yandan süreklilik ve ideal gaz bağıntılarından yararlanarak;

222 2 1

21 2 2

Ma (1 Ma )

Ma (1 Ma )

T k

T k

2 22 1 1 2

2 21 2 2 1

Ma (1 Ma )

Ma (1 Ma )

V k

V k

Bu bağıntılar sonik şartları belirlemede de kullanılabilir. Bunun için Ma2 = 1 alınarak;

2

1

* 1 Ma

P k

P k

2

2

Ma(1 )

* 1 Ma

T k

T k

2

2

* (1 )Ma

* 1 Ma

V k

V k

Benzer yolla boyutsuz durma sıcaklığı ve durma basıncı da ifade edilebilir:

2 20

2 20

( 1)Ma [2 ( 1)Ma ]

* (1 Ma )

T k k

T k

/( 1)20

20

1 2 ( 1)Ma

* 11 Ma

k kP k k

P kk

Page 61: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 61

Adyabatik ve Sürtünmeli Kanal AkışıFanno Akışı

Özellikle akış kesitinin küçük olduğu uzun kanallarda sürtünmenin ihmale edilmemesi gerekir.

Bu kısımda ısı transferinin olmadığı, ancak sürtünmenin önemli olduğu sıkıştırılabilir akış üzerinde duracağız. Burada da sabit akış kesiti söz konusudur.

Page 62: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 62

Adyabatik ve Sürtünmeli Kanal Akışı

Bu akışa Fanno akışı denir.Süreklilik denklemi:

x-Momentum denklemi:

Page 63: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 63

Page 64: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 64

Page 65: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 65

Page 66: Bölüm  12:   Sıkıştırılabilir Akış (Gaz Dinamiği)

Chapter 12: Compressible FlowME33 : Fluid Flow 66

Duct Flow with Heat Transfer and Negligible Friction